Brevet FR2789820A1 — publié le 20000818

PERFECTIONNEMENT A LA COMMANDE DES CIRCUITS DE COMMUTATION La présente invention est relative à la commande de circuits de commutation. Plus particulièrement, elle concerne la commande des circuits de commutation - également appelés hacheurs - qui permettent de réaliser des découpages de tension et qui sont utilisés, notamment dans les véhicules automobiles, pour générer des signaux de commande à impulsions à largeur modulée (" pulse width modulation >" ou PWM selon la terminologie de l'Homme du Métier) par exemple pour l'alimentation de moteurs électriques ou pour l'alimentation de lampes à décharge. Un exemple de circuit de commutation de ce type a été illustré sur la figure 1. Il comporte un condensateur C1 monté en entrée dudit circuit, un interrupteur S1 - qui est par exemple un transistor du type MOFSET - ainsi qu'une diode DI et une inductance L1. L'interrupteur S1 est monté entre une extrémité du condensateur C1 et la diode D1. La diode D1 est montée entre l'autre extrémité du condensateur C1 et l'interrupteur S1, I'extrémité commune à la diode D1 et au condensateur C1 étant reliée à la masse. La diode D1 est passante du condensateur C1 vers l'interrupteur S1. L'inductance L1 est reliée à un point A entre la diode Dl et l'interrupteur S1. En variante, la diode D1 pourrait être remplacée par un autre interrupteur commandé. La tension d'entrée de ce circuit de commutation est une tension U injectée aux bornes du condensateur C1. La tension de sortie est la tension Vs entre la masse et l'extrémité de l'inductance L1 qui est opposée au point A. Dans la pratique, on constate qu'il existe des inductances parasites dans les différentes branches d'un tel circuit. Sur la figure 1, ces différentes inductances parasites sont schématisées par une inductance LP1 entre le condensateur C1 et l'anode de la diode D1, par une inductance LP2 entre la cathode de la diode D1 et le point A, par une inductance LP3 entre le point A et l'interrupteur Si, ainsi que par une inductance LP4 entre l'interrupteur S1 et le condensateur C1. Lorsque l'interrupteur S1 est un transistor de type MOSFET, la source dudit transistor présente elle-même une inductance parasite Ls. Si U est la tension aux bornes du condensateur C1, les pertes au niveau de l'interrupteur Si sont, lors de la fermeture de celui-ci, égales à: fi V.dt = f i.(U-L-)dt S!]rmé Slfelmé dT o V est la tension aux bornes de l'interrupteur Si, i l'intensité du courant qui le traverse et o L est une inductance égale à la somme des inductances parasites dans la branche traversée par le courant i. A la fermeture de l'interrupteur S1, le courant i varie de la façon illustrée sur la figure 2 et croît sensiblement linéairement jusqu'à une valeur stabilisée avec une pente sensiblement égale à (U-V)/L, o V est la tension aux bornes de l'interrupteur S1. Simultanément, I'intensité du courant id qui traverse la diode décroît. L'évolution de l'intensité de courant id a été illustrée par la courbe en pointillés sur la figure 2. Du point de vue du rendement du circuit, il est souhaitable que la tension V aux bornes de l'interrupteur S1 soit aussi petite que possible de façon à minimiser les pertes au niveau dudit interrupteur S1. Toutefois, le choix d'une valeur faible pour la tension V entraîne pour les courants i et id des fronts raides de variation d'intensité et par conséquent de forts transitoires de tension dans le circuit. Or, de tels transitoires ne sont pas souhaitables étant donné qu'ils génèrent des émissions de rayonnements électromagnétiques parasites. Des problèmes similaires se posent lors de l'ouverture de l'interrupteur Si. Un but de l'invention est de proposer une commande de circuit de commutation qui permette de limiter à la fois les pertes au niveau du ou des interrupteurs du circuit et les émissions de rayonnements électromagnétiques parasites générées par l'ouverture ou la fermeture du ou des interrupteurs. A cet effet, I'invention propose un procédé pour la commande, dans un circuit de commutation, d'un élément formant interrupteur, qui est tel que lors de sa fermeture ou de son ouverture, le courant qui le traverse croît ou décroît progressivement, caractérisé en ce qu'à la fermeture ou à l'ouverture dudit interrupteur, on maintient une tension sensiblement nulle entre ses extrémités jusqu'à un instant proche par les valeurs inférieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul et en ce qu'on maintient ensuite une tension plus importante pendant un intervalle de temps allant jusqu'à un instant proche par les valeurs supérieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul. Ce procédé est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - lors la fermeture dudit interrupteur, on maintient à nouveau une tension sensiblement nulle entre ses extrémités à partir d'un instant proche par les valeurs supérieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée; - I'élément formant interrupteur est un transistor MOSFET monté entre un point qui reçoit une tension d'alimentation à découper et un point qui est relié d'une part à une branche de sortie et d'autre part à la masse, par l'intermédiaire d'une diode ou d'un autre interrupteur et pour maintenir une tension sensiblement nulle entre les extrémités dudit transistor MOSFET, on applique une tension haute, en valeur absolue, sur la grille de celui-ci et pour maintenir une tension plus importante entre les extrémités dudit transistor, on applique sur la grille de celui-ci une tension faible; - lors de la fermeture du transistor, la tension haute appliquée avant l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée est supérieure à la tension haute appliquée après; - lors de la fermeture du transistor, la tension faible appliquée sur la grille dudit transistor pour maintenir une tension plus importante entre ses extrémités est supérieure à la tension de seuil dudit transistor. L'invention concerne également un montage pour la commande, dans un circuit de commutation, d'un élément formant interrupteur, qui est tel que lors de sa fermeture ou de son ouverture, le courant qui le traverse croît ou décroît progressivement, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour, à la fermeture ou à l'ouverture dudit interrupteur, maintenir une tension sensiblement nulle entre ses extrémités jusqu'à un instant proche par les valeurs inférieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul, ainsi que des moyens pour maintenir ensuite une tension plus importante pendant un intervalle de temps allant jusqu'à un instant proche par les valeurs supérieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul. Ce montage est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons possibles: - pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de I'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, il comporte des moyens pour mesurer la valeur stabilisée de l'intensité du courant traversant l'interrupteur et pour mesurer la tension appliquée en entrée du circuit de commutation, ainsi que des moyens pour déterminer en fonction de ces mesures un instant proche par les valeurs inférieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée; - pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de l'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, il comporte des moyens pour comparer à une tension seuil fonction de la tension en entrée du circuit de commutation une tension d'un point relié à I'interrupteur; - pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de l'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, il comporte des moyens pour intégrer en fonction du temps une tension aux bornes d'un élément inductif traversé par le courant qui circule à travers l'interrupteur et des moyens pour comparer le signal en sortie de ces moyens d'intégration à un signal correspondant l'intensité stabilisée dudit courant; - I'élément formant interrupteur est un transistor MOSFET monté entre un point qui reçoit une tension d'alimentation à découper et un point qui est relié d'une part à une branche de sortie et d'autre part, par l'intermédiaire d'une diode ou d'un autre interrupteur, à la masse, ledit montage comportant en outre des moyens pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de l'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, ces moyens commandant la grille d'un deuxième transistor de type MOSFET, dont la source est reliée à la masse et dont le drain est relié à l'émetteur d'un transistor bipolaire NPN, la base dudit transistor bipolaire étant reliée par une résistance à l'anode de la diode ou à l'extrémité de l'autre interrupteur qui est relié à la masse, son collecteur étant relié à la grille du transistor MOSFET qui constitue l'élément formant interrupteur du circuit de commutation, ladite grille étant reliée d'une part à une source d'alimentation à une tension de commande faible et d'autre part, par l'intermédiaire d'une résistance, à une source d'alimentation à une tension de commande haute. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà analysée, est une représentation schématique d'un circuit hacheur; - la figure 2, également déjà analysée, est un graphe sur lequel on a représenté schématiquement l'évolution dans le temps d'une part de l'intensité du courant circulant à travers l'interrupteur du circuit de la figure 1 et d'autre part de l'intensité du courant circulant à travers la diode dudit circuit; - la figure 3a et la figure 3b sont des graphes sur lesquels on a respectivement porté l'évolution dans le temps de la tension aux bornes de l'interrupteur du circuit de la figure 1 et l'évolution dans le temps de la tension de commande de cet interrupteur, lors d'une commande de la fermeture de l'interrupteur Sl conforme à un mode de mise en oeuvre possible de l'invention; - les figures 4a et 4b illustrent plusieurs montages permettant la mise en oeuvre d'une commande conforme à l'invention. Selon la commande illustrée sur les figures 3a et 3b, on applique sur la grille du transistor qui constitue l'interrupteur Sl une tension qui prend une valeur Vgl importante jusqu'à un instant T1, puis qui prend à partir de cet instant T1 jusqu'à un instant T2 une valeur Vg2 faible, pour reprendre à I'issue de cet instant T2 une valeur Vg3 à nouveau importante (figure 3a). L'instant T1 est choisi de façon à être proche par les valeurs inférieures de l'instant o l'intensité du courant i atteint sa valeur stabilisée et o l'intensité du courant id circulant dans la diode D1 devient nulle; l'instant T2 est quant à lui choisi de façon à en être proche par les valeurs supérieures (figure 3b). Ainsi, avec une telle commande, la tension V a une valeur proche de la tension U à l'instant o l'intensité du courant i atteint sa valeur stabilisée. On limite ainsi l'amplitude des transitoires au moment o l'intensité du courant prend sa valeur stabilisée. Il en résulte une limitation des émissions électromagnétiques. En outre, étant donné que la tension V est nulle ou faible en dehors de l'intervalle [T1, T2] et que cet intervalle est choisi d'une durée courte, les pertes au niveau de l'interrupteur S1 sont minimisées. La tension Vg3 est choisie égale à la tension maximale permettant d'obtenir une tension faible aux bornes de l'interrupteur S1 en restant inférieure à la tension de claquage de la grille. La tension Vgl est quant à elle avantageusement choisie supérieure à cette tension Vg3, de façon à être au moins égale à la somme de cette tension minimale et de la tension Ls.di/dt due au terme inductif de la source du transistor SI. La tension Vg2 est choisie aussi faible que possible, mais néanmoins suffisamment importante pour être supérieure à la tension de seuil du transistor S1 (de l'ordre de 2 volts) quelles que soient les variations de celle- ci. Le temps T1 à partir duquel on applique la tension Vg2 est quant à lui déterminé de façon à correspondre à l'instant auquel l'intensité du courant i atteint sa valeur stabilisée à quelques dizaines de nanosecondes près. Différents types de montage sont à cet effet envisageables. Dans un premier type de montage possible, non représenté, on détermine de façon analogique ou numérique la valeur du temps TI en fonction d'une mesure de la tension U, d'une mesure de l'intensité de courant I traversant l'inductance L1, en extrapolant le temps nécessaire au courant i pour atteindre sa valeur stabilisée, en fonction en particulier de la valeur de l'impédance L. Dans un autre mode de réalisation possible correspondant à I'exemple illustré sur la figure 4a, la tension d'un point B entre la cathode de la diode D1 et le point A est comparée, par l'intermédiaire d'un montage comparateur COMP1, à une tension seuil dépendant de U. Lorsqu'une surtension au niveau de ce point est détectée, la sortie déclenche une temporisation TEMP pendant laquelle la tension de commande du transistor S1 est passée de Vg2 à Vgl. Dans un autre mode de réalisation qui est également possible et qui est illustré sur la figure 4b, un montage intégrateur INT permet d'intégrer dans le temps une valeur proportionnelle à di/dt et un comparateur COMP2 permet de comparer le signal en sortie du montage INT à une valeur stabilisée I de l'intensité du courant i. Le signal en sortie du comparateur COMP2 déclenche la commutation de la tension de commande de Vgl à Vg2 juste avant que la valeur intégrée de di/dt atteigne la valeur stabilisée I. A cet effet, la tension VCOMP2 en sortie du comparateur COMP2 est injectée sur la grille d'un transistor S2 de type MOSFET, dont la source est reliée à la masse et dont le drain est relié à l'émetteur d'un transistor bipolaire NPN, référencé par S3. La base du transistor S3 est reliée par une résistance à l'anode de la diode D1. Son collecteur est relié à la grille du transistor S1, laquelle est reliée d'une part à une source d'alimentation à la tension Vg2, et d'autre part, par l'intermédiaire d'une résistance, à une source d'alimentation à la tension Vgl. Tant que la sortie du montage intégrateur INT est inférieure au seuil à laquelle elle est comparée, la tension VcoMP2 bloque le transistor S2 de sorte qu'aucun courant ne circule dans le transistor S3 et que la tension Vgl est appliquée à la grille du transistor S1. Lorsque la sortie du montage intégrateur INT atteint le seuil précité, la tension VCOMP2 ferme le transistor S2 de sorte que l'émetteur du transistor bipolaire S3 se retrouve à la masse. Tant qu'un courant circule à travers la diode D1 (intensité du courant id non nulle), la cathode de la diode est à un potentiel suffisant pour maintenir le transistor S3 fermé, de sorte qu'un courant peut circuler entre la source d'alimentation à la tension Vgl et la masse et que la grille du transistor S1 est à la tension Vg2. Lorsque le courant i a totalement atteint sa valeur stabilisée I et que le courant id est nul, la base du transistor S3 passe alors à la masse, de sorte que ledit transistor se bloque et que la tension de commande sur le transistor S1 reprend sa valeur haute. Le montage intégrateur INT est alors réinitialisé. Le montage en sortie du comparateur COMP2 présente l'avantage de permettre une commande simple et rapide du passage de Vgl à Vg2 et réciproquement. Il pourrait bien entendu être utilisé indépendamment de la partie du montage de la figure 4b qui est constituée de l'intégrateur INT et du comparateur COMP2, avec des montages réalisant une détection différente de l'instant auquel la tension de commande de la grille du transistor S1 doit être basculée de Vgl à Vg2. L'invention s'applique de la même façon à l'ouverture d'un interrupteur d'un circuit de commutation. Dans ce cas, ainsi qu'illustré sur la figure 5, on applique à la grille de l'interrupteur S1 une forte tension négative pendant la majeur partie de la période o le courant i diminue, de sorte que la tension V aux bornes dudit interrupteur Si est pratiquement nulle tant qu'un courant circule encore à travers l'interrupteur S1. La puissance dissipée par l'interrupteur S1 lors de son ouverture est donc sensiblement nulle. Quelques dizaines de nano-secondes avant l'instant o le courant i dans l'interrupteur Sl devient nul, la tension de la grille du transistor S1 est basculée sur une valeur faible de sorte que la tension V aux bornes dudit transistor prend une valeur sensiblement égale à U, ce qui limite les transitoires à l'instant o le courant i devient nul. La grille du transistor peut ensuite être maintenue à une tension faible, puisqu'aucun courant ne circule plus dans la branche du transistor S1i. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la commande, dans un circuit de commutation, d'un élément (SI) formant interrupteur, qui est tel que lors de sa fermeture ou de son ouverture, le courant qui le traverse croît ou décroît progressivement, caractérisé en ce qu'à la fermeture ou à l'ouverture dudit interrupteur (S1), on maintient une tension sensiblement nulle entre ses extrémités jusqu'à un instant (T1) proche par les valeurs inférieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul et en ce qu'on maintient ensuite une tension plus importante pendant un intervalle de temps allant jusqu'à un instant (T2) proche par les valeurs supérieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors la fermeture dudit interrupteur, on maintient à nouveau une tension sensiblement nulle entre ses extrémités à partir d'un instant (T2) proche par les valeurs supérieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (S1) formant interrupteur est un transistor MOSFET monté entre un point qui reçoit une tension d'alimentation à découper et un point qui est relié d'une part à une branche de sortie et d'autre part à la masse, par l'intermédiaire d'une diode (D1l) ou d'un autre interrupteur, en ce que pour maintenir une tension sensiblement nulle entre les extrémités dudit transistor MOSFET, on applique une tension haute, en valeur absolue, sur la grille de celui-ci (Vgl, Vg3) et en ce que pour maintenir une tension plus importante entre les extrémités dudit transistor, on applique sur la grille de celui-ci une tension faible (Vg2). 4. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que lors de la fermeture du transistor, la tension haute (Vgl) appliquée avant l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée est supérieure à la tension haute (Vg3) appliquée après. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lors de la fermeture du transistor, la tension faible (Vg2) appliquée sur la grille dudit transistor pour maintenir une tension plus importante entre ses extrémités est supérieure à la tension de seuil dudit transistor. 6. Montage pour la commande, dans un circuit de commutation, d'un élément formant interrupteur (S1), qui est tel que lors de sa fermeture ou de son ouverture, le courant qui le traverse croît ou décroît progressivement, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour, à la fermeture ou à l'ouverture dudit interrupteur, maintenir une tension sensiblement nulle entre ses extrémités jusqu'à un instant proche par les valeurs inférieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul, ainsi que des moyens pour maintenir ensuite une tension plus importante pendant un intervalle de temps allant jusqu'à un instant proche par les valeurs supérieures de l'instant o le courant qui i 5 traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée ou devient nul. 7. Montage selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de l'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, il comporte des moyens pour mesurer la valeur stabilisée de l'intensité du courant traversant l'interrupteur et pour mesurer la tension appliquée en entrée du circuit de commutation, ainsi que des moyens pour déterminer en fonction de ces mesures un instant proche par les valeurs inférieures de l'instant o le courant qui traverse ledit interrupteur prend sa valeur stabilisée. 8. Montage selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de l'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, il comporte des moyens pour comparer à une tension seuil fonction de la tension en entrée du circuit de commutation une tension d'un point relié à l'interrupteur. 9. Montage selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de l'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, il comporte des moyens pour intégrer en fonction du temps une tension aux bornes d'un élément inductif traversé par le courant qui circule à travers l'interrupteur et des moyens pour comparer le signal en sortie de ces moyens d'intégration à un signal correspondant l'intensité stabilisée dudit courant. 10. Montage selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'élément (S1) formant interrupteur est un transistor MOSFET monté entre un point qui reçoit une tension d'alimentation à découper et un point qui est relié d'une part à une branche de sortie et d'autre part, par l'intermédiaire d'une diode ou d'un autre interrupteur, à la masse, ledit montage comportant en outre des moyens pour déterminer l'instant à partir duquel la tension aux bornes de l'interrupteur doit être maintenue sur une valeur plus importante, ces moyens commandant la grille d'un deuxième transistor (S2) de type MOSFET, dont la source est reliée à la masse et dont le drain est relié à l'émetteur d'un transistor (S3) bipolaire NPN, la base dudit transistor bipolaire (S3) étant reliée par une résistance à l'anode de la diode ou à l'extrémité de l'autre interrupteur qui est relié à la masse, son collecteur étant relié à la grille du transistor MOSFET qui constitue l'élément formant interrupteur du circuit de commutation, ladite grille étant reliée d'une part à une source d'alimentation à une tension de commande faible et d'autre part, par l'intermédiaire d'une résistance, à une source d'alimentation à une tension de commande haute.