Brevet FR2762724A1 — publié le 19981030

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de commande de grille pour un à transistors en pont, et plus particulièrement un dispositif de commande de grille haute tension utilisant des éléments de limitation de courant pour réduire les effets nuisibles des pointes de tension résultant d'une commutation en tout ou rien par des transistors dans des charges inductives. 2. Art antérieur Référence est faite à la figure 1 qui représente un circuit de conversion de puissance en demi-pont typique qui utilise deux transistors couplés en série Q1, Q2 connectés aux bornes d'une source haute tension +Hv, -Hv. Dans ce cas, les transistors Q1, Q2 sont des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) dont chacun inclut une diode respective D1, D2 couplée en antiparallèle entre l'émetteur et le collecteur du transistor respectif. L'IGBT Q1 est typiquement appelé transistor (ou commutateur) "de côté haut" et l'IGBT Q2 est typiquement appelé transistor (ou commutateur) de" côte bas". Comme c'est le cas dans des circuits pratiques, une valeur d'inductance parasite, soit Ls, existe entre les IGBT couplés en série Q1, Q2, Ls pouvant être introduite de façon non souhaitable du fait des interconnexions dans les boitiers des IGBT Q1, Q2 et/ou du fait des boucles dans la carte de circuit imprimé. Le noeud U (entre les IGBT Q1, Q2) est couplé à une charge (non représentée) de telle sorte qu'un courant puisse être délivré sur la charge et reçu depuis celle-ci, comme il est connu de l'art. Comme représenté, un circuit de commande haute tension (ou "dispositif de commande") est utilisé pour polariser en alternance l'IGBT Q1 et l'IGBT Q2 dans l'état passant et l'état bloque en réponse à un signal de commande (par exemple un signal de modulation en largeur d'impulsion non représente). Le circuit de commande haute tension inclut respectivement des premier et second circuits de commande de grille Drv 1 et Drv2 pour appliquer des courants de polarisation sur les grilles de Q1 et Q2. Des résistances de grille Rgl et Rg2 peuvent être incluses pour assurer des caractéristiques de passage à l'état passant et de passage à l'état bloqué appropriées des IGBT 91, Q2. Le circuit de commande de grille haute tension obtient une tension de fonctionnement à partir d'une alimentation continue, soit Vcc, le dispositif de commande de côté bas, soit Drv2, obtient une tension de fonctionnement directement à partir de Vcc et le dispositif de commande de côté haut, soit Drvl, obtient une tension de fonctionnement par l'intermédiaire d'un circuit d'amorçage. Le circuit d'amorçage inclut une diode d'amorçage, soit Dbs, couplée au niveau de son anode à Vcc et au niveau de sa cathode à une extrémité d'un condensateur d'amorçage, soit Cbs, comme il est connu. L'autre extrémité du condensateur d'amorçage Cbs est connectée au noeud U. Par conséquent, le circuit de commande Drvl obtient sa tension de fonctionnement par l'intermédiaire de Cbs. Une résistance de dérivation ou shunt Rs peut être incluse entre le noeud -Hv et la borne Vss du circuit de commande de grille haute tension. Le circuit de commande de grille haute tension peut être un dispositif "à isolation par jonction", lequel dispositif inclut une diode de substrat, soit Dsub, comme représenté. Des circuits de commande de grille haute tension à isolation par jonction peuvent être obtenus auprès de International Rectifier Corporation (El Segundo, Californie) sous le numéro de série IR2 lXX, le numéro de série IR22XX ainsi que sur d'autres numéros de composants. Selon une variante, le circuit de commande de grille haute tension peut être un dispositif "à isolation par diélectrique", lequel dispositif n'inclut pas de diode de substrat. Des circuits de commande de grille haute tension à isolation par diélectrique peuvent également être obtenus auprès de International Rectifier Corporation. Lorsque le circuit en demi-pont de la figure 1 commande une charge inductive, plusieurs problèmes sont susceptibles d'en résulter. Plus spécifiquement, lorsque l'IGBT Q1 change d'état (lorsqu'il passe de l'état polarisé à l'état dépolarisé ou de l'état passant à l'état bloqué), le courant au travers du transistor Ql (du collecteur à l'émetteur) chute selon un taux de -di/dt. Puisque la charge est inductive, le courant qui circule au travers de la charge sera en roue libre au travers de la diode D2. Le courant dans la diode D2 (de l'anode à la cathode) présentera par conséquent une rampe croissante selon un taux de di/dt. Le courant en rampe (di/dt) dans la diode D2 doit circuler au travers de Ls, lequel courant en rampe provoque le développement d'un pic de tension, soit Vls, au travers de Ls présentant une polarité représentée. Vls peut être exprimé en termes du courant en rampe traversant la diode D2 comme suit : Vls = Ls.di/dt. Il est à noter que le pic de tension Vls peut également être induit lorsqu'une coupure du fait d'un court-circuit survient à un instant où le transistor Q2 est en train de dissiper un courant qui provient de la charge. Comme il sera discuté en détail ci-après, le pic de tension, soit Vls, est non souhaitable. Puisque la diode D2 présente une chute de tension en sens direct sensiblement constante, soit Vd2 (comprise entre approximativement 0,5 et 0,7 volts), la tension Vs est entrainée audessous de -Hv en réponse au pic de tension Vls. Bien entendu, la tension Vs peut être décrite au moyen de l'équation qui suit : Vs = Vd2 - Vls (où l'amplitude de la tension Vls est typiquement de beaucoup supérieure à la chute de tension Vd2). Lorsque le circuit de commande de grille haute tension est du type à jonction isolée (c'est-à-dire qu'il inclut une diode de substrat, soit Vsub, un pic de tension Vls tendra à induire la circulation d'un courant, soit Isub, au travers de la diode de substrat Dsub. Plus spécifiquement, Isub tendrait à circuler depuis Ls, au travers de D2, au travers de Dsub et au travers de Cbs et retour sur Ls. Si le courant Isub est suffisamment élevé, le dispositif de commande peut dysfonctionner (par exemple peut réaliser un verrouillage), ce qui aboutirait à une défaillance de circuit catastrophique (c'est-à-dire à une défaillance de Qi, Q2 et/ou de la charge, etc.). En outre, la circulation du courant Isub a pour effet que la tension Cbs (Vbs) se charge à un niveau plus élevé, ce qui pourrait endommager le dispositif de commande de côté haut Drvl (et ce qui pourrait egalement générer une défaillance de circuit catastrophique). Lorsque le circuit de commande de grille haute tension est du type à isolation par jonction ou du type à isolation par diélectrique, un pic de tension Vls aux bornes de Ls tendra à induire la circulation d'un courant supplémentaire au travers de la diode d'amorçage, soit Dbs. Plus spécifiquement, un courant tendrait à circuler depuis Ls au travers de D2, au travers de Rs, au travers de Vcc, au travers de Dbs et au travers de Cbs et retour sur ls. Typiquement, le courant induit par Vls au travers de Dbs est supérieur à Isub du fait que Vcc et Vls sont selon une configuration additive. Par conséquent, des augmentations de Vbs pourraient endommager le dispositif de commande de côté haut Drvl (et pourraient eventuellement générer une défaillance de circuit catastrophique). Bien que le circuit représenté sur la figure l soit un circuit en demi-pont, des pics de tension similaires surviennent dans des circuits de puissance plein pont à monophasés, dans des circuits plein pont triphasés, dans des circuits de hacheur de côté haut et similaires. Bien que le circuit de l'art antérieur de la figure l convienne pour une utilisation avec des tailles de puces semiconductrices de puissance plus faibles telles que la taille de puce 3 de International Rectifier, il n'est pas satisfaisant pour des tailles de puces plus importantes telles que la taille de puce 4 de International Rectifier et au-delà. Par conséquent, il existe un besoin dans ce domaine pour une configuration de circuit de commande de grille haute tension qui permette de surmonter les inconvénients de l'art antérieur en réduisant les effets nuisibles d'un pic de tension d'inductance parasite survenant dans un circuit de commutation de puissance. RESUME DE L'INVENTION Afin de surmonter les inconvénients de l'art antérieur, le circuit de conversion de puissance de la présente invention inclut au moins un transistor MOS commandé de côté haut et de côté bas pour former un circuit de pont entre des bornes de puissance de côté haut et de côté bas d'une source d'alimentation ; un circuit de commande de côté haut comportant une sortie pouvant fonctionner pour modifier les caractéristiques de conduction du transistor MOS commandé de côté haut; et une diode et un condensateur couplés en série configurés selon un agencement d'amorçage avec les transistors de côté haut et de côté bas afin d'appliquer une tension de fonctionnement sur le circuit de commande de côté haut. Le circuit de puissance inclut également un circuit de commande de côté bas comportant une sortie pouvant fonctionner pour modifier les caractéristiques de conduction du transistor MOS commandé de côté bas; une source de tension de côté bas couplée au circuit de commande de côté bas pour appliquer dessus une tension de fonctionnement, la diode et le condensateur couplés en série étant en série avec la source de tension de côté bas; et une inductance parasite mise en série avec les transistors MOS commandés de côté haut et de côté bas et induisant un courant au travers du transistor MOS commandé de côté bas en réponse à des modifications de conduction dans les transistors MOS commandés de côté haut et de côté bas. Le circuit de puissance inclut également un premier élément de limitation de courant couplé en série entre la source de tension de côté bas et la diode afin de réduire la circulation d'une composante du courant induit depuis l'inductance parasite au travers de la diode dans le condensateur; et un second élément de limitation de courant pouvant fonctionner pour être couplé en série entre la borne de puissance de côté bas et la source de tension de côté bas afin de réduire la circulation d'une composante du courant induit depuis l'inductance parasite au travers de la diode dans le condensateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au vu de la description qui suit de l'invention qui se réfère aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Dans le but d'illustrer l'invention, une forme qui est présentement préférée est représentée sur les dessins, étant bien entendu cependant que l'invention n'est limitée ni à l'agencement précis, ni au moyen précis représenté, et parmi ces dessins: la figure 1 est un schéma qui représente un circuit de puissance en demi-pont de l'art antérieur pour commander une charge; la figure 2 est un schéma qui représente un circuit de puissance en demi-pont qui utilise des résistances de limitation de courant selon le mode de réalisation préféré de la présente invention la figure 3a est un schéma qui représente un mode de réalisation de la présente invention qui peut être utilisé dans un circuit de puissance qui inclut de multiples circuits d'amorçage ; et la figure 3b est un schéma qui représente un autre mode de réalisation de la présente invention qui peut utilisé dans un circuit de puissance qui utilise de multiples circuits d'amorçage. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Par report maintenant aux dessins sur lesquels des index de référence identiques représentent des éléments identiques, est représenté sur la figure 2 un circuit de conversion de puissance en demi-pont 10 sensiblement similaire au circuit en demi-pont de la figure 1 à ceci près que des éléments de limitation de courant (de préférence des résistances) Rbs et Re2 sont inclus. Plus spécifiquement, un premier élément de limitation de courant, soit Rbs, est inclus selon une connexion série avec Dbs afin de limiter la circulation de courant induite par Vls. Rbs est de préférence choisi de telle sorte que Rns.Cbs > > tl, où tl est la période temporelle pendant laquelle le courant est en rampe croissante dans D2 selon le taux di/dt. Il est à noter cependant que Rbs présente une limite supérieure qui est dictée par l'exigence de charge de Cbs pendant un fonctionnement normal. Dans une application qui utilise le circuit de commande de grille haute tension 1RPT2056C (qui peut être obtenu auprès de International Rectifier Corporation), un élément Rbs présentant une valeur de résistance d'environ 1 ohm fonctionnait d'une façon satisfaisante. Un second élément de limitation de courant, soit Re2, est de préférence inclus en série avec la diode de substrat Dsub. Il est préférable que Re2 soit situé entre -Hv et la borne Vso du circuit de commande de grille haute tension comme représenté; cependant, d'autres emplacements appropriées pour Re2 existent, par exemple entre la borne Vb du circuit de commande de grille haute tension et la jonction de Dbs et Cbs. Re2 est de préférence tel que Re2.Cbs > > tl, où tl est la période temporelle pendant laquelle le courant est en rampe croissante dans D2 selon le taux di/dt. Il est à noter cependant, que Re2 présente une limite supérieure qui est dictée par l'exigence de cadencement de commande de grille de Q2 pendant un fonctionnement normal. Dans une application qui utilise le circuit de commande de grille haute tension IRPT2056C, un élément Re2 présentant une valeur de résistance d'environ 2 ohms fonctionnait d'une façon satisfaisante. Par report à la figure 3a, il peut y avoir une pluralité (par exemple 3) de circuits d'amorçage qui sont alimentés par une alimentation Vcc commune. Dans un tel cas, une pluralité d'éléments de limitation de courant Rbsl, Rbs2, Rbs3 etc. peuvent être couplés en série avec respectivement une pluralité de diodes d'amorçage Dbs i, Dbs2, Dbs3 etc. Selon une variante, comme représenté sur la figure 3b, un unique élément de limitation de courant Rbs peut être couplé à une configuration en éventail de diodes d'amorçage Dbs i, Dbs2, Dbs3 etc., où chacune des diodes est couplée à l'élément Rbs au niveau de son anode. De façon avantageuse, le circuit de conversion de puissance qui utilise les éléments de limitation de courant du mode de réalisation préféré de la présente invention limite le courant de substrat Isub, ce qui améliore l'immunité du circuit vis-à-vis de pics de tension qui se développent à cause d'inductances parasites. De façon similaire, des circuits de conversion de puissance selon la présente invention présentent une immunité plus élevée vis-à-vis des taux di/dt, ce qui permet d'utiliser des IGBT de tailles plus importantes pour des puissances nominales plus élevées. En outre, la présente invention permet l'utilisation de l'alimentation d'amorçage Vcc en combinaison avec un dispositif de commande de côté haut, ce qui conduit à des coûts plus faibles et à des réductions des dimensions du circuit. Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, de nombreuses autres variantes et modifications ainsi que de nombreuses autres utilisations apparaîtront à l'homme de l'art. Il est par conséquent préférable que la présente invention soit limitée non pas par la description spécifique présentée ici mais seulement par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Circuit de puissance caractérisé en ce qu il comprend au moins un transistor MOS commandé de côté haut (il); au moins un transistor MOS commandé de côté bas (Q2), couplé en série avec le transistor MOS commandé de côté haut et pouvant fonctionner pour former un circuit de pont entre des bornes de puissance de côté haut (+Hv) et de côté bas (-Hv) d'une source d'alimentation; un circuit de commande de côté haut (Drvl) comportant une sortie pouvant fonctionner pour modifier les caractéristiques de conduction du transistor MOS commandé de côté haut; une diode (Dbs) et un condensateur (Cbs) couplés en série configurés selon un agencement d'amorçage avec les transistors de côté haut et de côté bas pour appliquer une tension de fonctionnement sur le circuit de commande de côté haut; un circuit de commande de côté bas (Drv2) comportant une sortie pouvant fonctionner pour modifier les caractéristiques de conduction du transistor MOS commandé de côté bas; une source de tension de côté bas (Vcc) couplée au circuit de commande de côté bas pour lui appliquer une tension de fonctionnement, la diode et le condensateur couplés en série étant en série avec la source de tension de côté bas; une inductance parasite (Ls) placée en série avec les transistors MOS commandés de côté haut et de côté bas et induisant un courant au travers du transistor MOS commandé de côté bas en réponse à des variations de conduction dans les transistors MOS commandés de côté haut et de côté bas; un premier élément de limitation de courant (Rbs) couplé en série entre la source de tension de côté bas et la diode afin de réduire une composante du courant induit par l'inductance parasite (Ls) qui circule au travers de la diode dans le condensateur; et un second élément de limitation de courant (Rs) pouvant fonctionner pour être couplé en série entre la borne de puissance de côté bas et la source de tension de côté bas afin de réduire une composante du courant induit par l'inductance parasite qui circule au travers de la diode (Dbs) dans le condensateur (Cbs). 2. Circuit de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément de limitation de courant (Rbs) est une première résistance et le second élément de limitation de courant (Rs) est une seconde résistance. 3. Circuit de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que: le courant induit depuis l'inductance parasite (Ls) présente une certaine durée temporelle; la première résistance (Rbs) présente une première valeur de résistance; la seconde résistance (Rs) présente une seconde valeur de résistance le condensateur (Cbs) présente une valeur de capacité le produit de la première valeur de résistance et de la valeur de capacité est sensiblement supérieur à la durée temporelle ; et le produit de la seconde valeur de résistance et de la valeur de capacité est sensiblement supérieur à la durée temporelle. 4. Circuit de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première résistance (Rbs) présente une valeur de résistance d'environ 1 ohm et la seconde résistance (Rs) présente une valeur de résistance d'environ 2 ohms. 5. Circuit de puissance caractérisé en ce qu il comprend au moins un transistor MOS commande de côté haut (Q1); au moins un transistor MOS commandé de côté bas (Q2), couplé en sérine avec le transistor MOS commandé de côté haut et pouvant fonctionner pour former un circuit de pont entre des bornes de puissance de côté haut (+Hv) et de côté bas (-Hv) d'une source d'alimentation; un circuit de commande de côté haut (Drvl) comportant une sortie pouvant fonctionner pour modifier les caractéristiques de conduction du transistor MOS commandé de côté haut; une diode (Dbs) et un condensateur (Cbs) couplés en série configurés selon un agencement d'amorçage avec les transistors de côté haut et de côté bas pour appliquer une tension de fonctionnement sur le circuit de commande de côté haut; un circuit de commande de côté bas (Drv2) comportant une sortie pouvant fonctionner pour modifier les caractéristiques de conduction du transistor MOS commandé de côté bas; une source de tension de côté bas (Vcc) couplée au circuit de commande de côté bas pour lui appliquer une tension de fonctionnement, la diode et le condensateur couplés en série étant en série avec la source de tension de côté bas; une diode de substrat (Dsub) couplée entre les circuits de commande de côté bas et de côté haut, une cathode de la diode de substrat étant connectée à la jonction de la diode (Dbs) et du condensateur (Cbs) une inductance parasite (Ls) placée en série avec les transistors MOS commandés de côté haut et de côté bas et induisant un courant au travers du transistor MOS commandé de côté bas en réponse à des variations de conduction dans les transistors MOS commandés de côté haut et de côté bas; un premier élément de limitation de courant (Rbs) couplé en série entre la source de tension de côté bas et la diode afin de réduire une composante du courant induit par l'inductance parasite (Ls) qui circule au travers de la diode dans le condensateur; un second élément de limitation de courant (Rs) pouvant fonctionner pour être couplé en série entre la borne de puissance de côté bas et la source de tension de côté bas afin de réduire une composante du courant induit par l'inductance parasite qui circule au travers de la diode (Dbs) dans le condensateur (Cbs) ; et un troisième élément de limitation de courant (Re2) couplé en série depuis la borne de puissance de côté bas (-Hv) jusqu'à la diode de substrat (Dsub) afin de réduire une composante du courant induit par l'inductance parasite qui circule au travers de la diode de substrat dans le condensateur (Cbs). 6. Circuit de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier élément de limitation de courant est une première résistance et le second élément de limitation de courant est une seconde résistance. 7. Circuit de puissance selon la revendication 6, caractérisé en ce que: le courant induit depuis l'inductance parasite (Ls) présente une certaine durée temporelle; la première résistance (Rbs) présente une première valeur de résistance; la seconde résistance (Rs) présente une seconde valeur de résistance; le condensateur (Cbs) présente une valeur de capacité le produit de la première valeur de résistance et de la valeur de capacité est sensiblement supérieur à la durée temporelle ; et le produit de la seconde valeur de résistance et de la valeur de capacité est sensiblement supérieur à la durée temporelle. 8. Circuit de puissance selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première résistance (Rbs) présente une valeur de résistance d'environ 1 ohm et la seconde résistance (Rs) présente une valeur de résistance d'environ 2 ohms. 9. Circuit de puissance caractérisé en ce qu'il comprend trois transistors MOS commandés de côté haut (figure 3a) trois transistors MOS commandés de côté bas, chaque transistor MOS commandé de côté bas étant couplé en série avec ceux respectifs des transistors MOS commandés de côté haut pouvant fonctionner pour former trois circuits de pont entre des bornes de puissance de côté haut et de côté bas d'une source d'alimentation; trois circuits de commande de côté haut dont chacun comporte une sortie pouvant fonctionner pour modifier des caractéristiques de conduction des transistors MOS commandés de côté haut respectifs; trois paires de circuit constituées par une diode (Dbsl, Dbs2, Dbs3) et un condensateur couplés en série agencés selon des configurations d'amorçage respectives, avec des circuits de pont à transistors de côté haut et de côté bas pour appliquer des tensions de fonctionnement respectives sur les circuits de commande de côté haut respectifs trois circuits de commande de côté bas dont chacun comporte une sortie pouvant fonctionner pour modifier des caractéristiques de conduction des transistors MOS commandés de côté bas respectifs; une source de tension de côté bas (Vcc, figure 3a) couplée aux circuits de commande de côté bas afin d'appliquer dessus une tension de fonctionnement, les circuits constitués par une diode et un condensateur couplés série respectifs étant en série avec la source de tension de côté bas; des inductances parasites, au moins une inductance parasite étant mise en série avec chaque circuit de pont à transistor MOS commandé de côté haut et de côté bas et induisant un courant au travers du transistor MOS commandé de côté bas respectif en réponse à des modifications de conduction dans les transistors MOS commandés de côté haut et de côté bas respectifs; au moins un premier élément de limitation de courant couplé en série entre la source de tension de côté bas et au moins une diode afin de réduire une composante du courant induit par une inductance parasite respective qui circule au travers de la diode dans le condensateur respectif; et un second élément de limitation de courant pouvant fonctionner pour être couplé en série entre la borne de puissance de côté bas et la source de tension de côté bas afin de réduire une composante du courant induit par des inductances parasites respectives qui circule au travers de la diode dans le condensateur. 10. Circuit de puissance selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: trois diodes de substrat, une diode de substrat étant couplée entre des circuits de commande de côté bas et de côté haut respectifs, des cathodes respectives des diodes de substrat étant connectées à des jonctions respectives des diodes et des condensateurs trois premiers éléments de limitation de courant, des premiers éléments de limitation de courant respectifs étant couplés en série depuis la source de tension de côté bas jusqu'à des diodes respectives afin de réduire les composantes respectives des courants induits par les inductances parasites et qui circulent au travers des diodes dans les condensateurs respectifs ; et trois troisièmes éléments de limitation de courant, des troisièmes éléments de limitation de courant respectifs étant couplés en série depuis la borne de puissance de côté bas jusqu'à des diodes de substrat respectives afin de réduire les composantes respectives des courants induits par les inductances parasites et qui circulent au travers des diodes de substrat dans les condensateurs respectifs.