Brevet FR2848340A1 — publié le 20040611

ELEMENT DE REDRESSEENT INT GR La présente invention concerne la réalisation sous forme intégrée d'un élément de redressement ou redresseur. Dans la présente description, on désigne par redresseur un élément réalisant une fonction identique à celle 5 d'une diode bipolaire, par exemple utilisée dans des convertisseurs continu-continu de type abaisseur ou élévateur de tension. La figure 1 représente un exemple classique de convertisseur 1 (CONV) continu-continu élévateur de tension 10 alimentant une charge 2 (Q). Le convertisseur 1 fournit une tension continue Vout aux bornes S et M d'un condensateur 3 de stockage à partir d'une tension d'alimentation continue Vin de niveau inférieur, appliquée entre deux bornes d'entrée E et M, la borne M constituant, par exemple, une masse commune avec la 15 charge 2. La charge 2 est connectée aux bornes S et M du condensateur 3. Par exemple, la charge 2 est constituée de deux diodes électroluminescentes d'un écran rétro-éclairé. Le convertisseur 1 comporte, en série entre les bornes E et S, une inductance 4 et un élément de redressement 5 20 (RECTIF). Le redresseur 5 est orienté de façon à permettre le passage d'un courant de l'inductance 4 vers le condensateur 3. Un interrupteur commandable 6 est connecté entre la borne 7 d'entrée du redresseur 5 et le rail de référence M. Généralement, l'interrupteur 6 est un transistor MOS dont la borne de commande constituée par sa grille reçoit un signal d'impulsions modulées en largeur PWM destiné à réguler la 5 tension Vout à partir soit d'une consigne, soit des besoins de la charge. Le signal PWM, fonction de l'application, est fourni par un circuit de commande non représenté. Le redresseur est destiné à réaliser la fonction d'une diode, c'est-àdire à bloquer le courant inverse lorsque la 10 tension Vout aux bornes de la charge devient supérieure à la tension aux bornes de l'interrupteur 6. Dans les applications les plus simples, le redresseur est constitué d'une simple diode, généralement une diode Schottky. Une telle diode Schottky présente l'inconvénient 15 d'être difficilement intégrable. De plus, dans de nombreuses applications et notamment dans le cas d'une alimentation à découpage telle qu'illustrée par la figure 1, on souhaite pouvoir éteindre le circuit d'alimentation de la charge, soit en raison de la présence d'un 20 problème électrique dans celle-ci (par exemple, un courtcircuit) soit pour d'autres raisons. Une telle fonction d'un élément de redresseur est généralement désignée par son appellation anglo-saxonne "true schutdown". Une telle fonction permet notamment, si l'interrupteur 6 est "ouvert", d'empêcher 25 que la tension d'alimentation Vin présente entre les bornes E et M recharge le condensateur 3 alors même que cela n'est pas souhaité. Cela permet également de remplir une fonction de protection en empêchant un sur-courant en cas de court-circuit côté charge (entre les bornes S et M). Pour remplir cette fonction, on a donc généralement recours, comme l'illustre la figure 1, à un redresseur 5 constitué d'une diode D en série avec un interrupteur 8. L'interrupteur 8 est commandé par un circuit 9 (CTRL) recevant un signal d'activation EN d'un organe de commande du 35 convertisseur. Le signal d'activation EN sert, par exemple, à interrompre le fonctionnement du convertisseur par l'ouverture de l'interrupteur 8 en cas de court-circuit dans la charge (détecté par des moyens non représentés), en cas de problème côté circuit de commande de l'alimentation à découpage (PWM), ou 5 plus généralement dès que l'on souhaite garantir une extinction du convertisseur. En pratique, l'interrupteur 8 est généralement constitué d'un transistor MOS. Un inconvénient du redresseur 5 de la figure 1 est l'adjonction, en fonctionnement normal, d'une chute de tension 10 due à la résistance série de l'interrupteur 8 à l'état passant (Ron du transistor MOS). Un autre inconvénient est lié à l'encombrement du transistor MOS haute tension constituant l'interrupteur 8. On a également déjà proposé de réaliser le redresseur 15 sous la forme d'un unique transistor MOS en utilisant sa diode parasite substrat-source. Une telle solution requiert de pouvoir commander la connexion du substrat (bulk) à la source afin de commander la diode parasite. Lorsque l'on souhaite une extinction du circuit, on inverse les polarités du transistor 20 MOS et de son substrat afin d'inverser la polarité de sa diode parasite. Un autre inconvénient est que le transistor lui-même doit être commandé à la fréquence du signal PWM. En fonctionnement normal, le transistor est commandé de façon inversée par rapport à l'interrupteur 6. Outre la difficulté liée au besoin de commander le transistor à la fréquence du signal PWM, la source du transistor est flottante ce qui pose des problèmes de référence de commande de son signal de grille. On est donc généralement conduit à recourir à des circuits décaleurs de niveaux, ce qui rend le 30 circuit particulièrement complexe notamment pour un fonctionnement haute tension. On aurait pu penser remplacer l'association en série de la diode D et de l'interrupteur 8 par un thyristor. Toutefois, une telle solution est incompatible avec les 35 alimentations à découpage. En effet, un thyristor aurait besoin d'être commandé en fermeture à chaque fois que l'interrupteur 6 est ouvert. Or les fréquences des trains d'impulsions modulées en largeur sont généralement de plusieurs dizaines voire centaines de kilohertz, ce qui est incompatible avec les 5 vitesses de commutation aujourd'hui disponibles pour les thyristors. La présente invention vise à proposer un nouveau redresseur commandable qui pallie les inconvénients des solutions connues. L'invention vise notamment à proposer un redresseur commandable propre à isoler, lors de son ouverture, les éléments qu'il sépare. L'invention vise également à proposer un redresseur dans lequel la chute de tension série en fonctionnement normal 15 est minimisée. L'invention vise également à proposer une solution compatible avec une intégration et qui soit fait d'encombrement minimum. Pour atteindre ces objets et d'autres, la présente 20 invention prévoit un élément de redressement commandable, comportant un transistor bipolaire dont une borne d'entrée de courant est connectée à une borne de commande par un premier interrupteur et dont une borne de sortie de courant est connectée à la borne de commande par un second interrupteur, les 25 phases d'ouverture et de fermeture des premier et second interrupteurs étant complémentaires et fonction de l'état souhaité pour l'élément de redressement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élément de redressement comporte en outre un circuit de 30 commande des premier et second interrupteurs en fonction de l'état d'un signal d'activation/désactivation de l'élément de redressement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits interrupteurs sont constitués de transistors MOS à canal 35 P dont les grilles respectives sont connectées à la borne de commande du transistor bipolaire par l'intermédiaire de sources de courant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit de commande comprend deux transistors MOS à canal N 5 reliant les grilles respectives des transistors MOS à canal P à la masse, lesdits transistors MOS à canal N étant commandés respectivement par le signal d'activation et par son inverse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit transistor bipolaire est un transistor PNP. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit transistor bipolaire est un transistor NPN. L'invention prévoit également un convertisseur de tension du type continucontinu comportant un élément de redressement. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 qui a été décrite précédemment illustre, schématiquement et partiellement, un convertisseur continucontinu de type élévateur de tension comportant un élément de redressement connu; la figure 2 représente, partiellement et 25 schématiquement, un mode de réalisation d'un convertisseur élévateur de tension comportant un élément de redressement commandable selon la présente invention; et la figure 3 représente, partiellement et schématiquement, un mode de réalisation détaillé de l'élément de 30 redressement de la figure 2. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits 35 par la suite. En particulier, la génération des différents signaux de commande n'ont pas été représentés et ne font pas l'objet de l'invention. Celle-ci s'applique quelle que soit la raison pour laquelle on souhaite rendre l'élément de redressement conrmandable. La génération du signal d'activation/désactivation, que ce soit à partir d'une détection d'un court-circuit dans la charge ou d'un autre disfonctionnement, reste classique. De plus, l'invention sera décrite ci-après en relation avec un exemple d'application à un convertisseur continu-continu 10 de type alimentation à découpage. On notera toutefois qu'elle s'applique plus généralement à la réalisation d'un élément de redressement commandable quelle qu'en soit l'application. La figure 2 représente, de façon très schématique et par une vue à rapprocher de celle de la figure 1 décrite 15 précédemment, un mode de réalisation d'un convertisseur 10 continu-continu de type alimentation à découpage utilisant un redresseur 15 propre à l'invention. Comme précédemment, le convertisseur comporte deux bornes E et M d'entrée entre lesquelles est appliquée une tension Vin et deux bornes de 20 sorties S et M (la borne M constituant par exemple une borne de masse commune) de fourniture d'une tension Vout à une charge 2 (Q). Le convertisseur 10 comporte, en série entre les bornes E et S, une inductance 4 et l'élément de redressement 15, et entre les bornes S et M, un condensateur de stockage 3. Un 25 interrupteur 6 commandé par un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) haute fréquence (généralement plusieurs dizaines de kilohertz) relie une borne 7 d'entrée de l'élément de redressement 15 à la masse M. Le convertisseur 10 de la figure 2 diffère de celui de 30 la figure 1 uniquement par la constitution de son redresseur 15. Selon ce mode de réalisation de la présente invention, le redresseur 15 est constitué d'un transistor bipolaire 18 de type PNP dont l'émetteur constitue la borne d'entrée 7 du redresseur 15 et dont le collecteur constitue la borne de sortie 35 connectée à la borne S. Selon l'invention, la base du transistor 18 est reliée à son émetteur par un interrupteur 11 et à son collecteur par un interrupteur 12. Les interrupteurs 11 et 12 sont commandés par un circuit 19 (CTRL) recevant un signal EN d'activation du 5 redresseur. Le signal EN provient, comme pour un redresseur commandable classique, d'un circuit de détection d'anomalie (court-circuit ou autre) du circuit de commande de l'interrupteur 6 de l'alimentation à découpage, etc. Le rôle du circuit 19 est de commander les 10 interrupteurs 11 et 12 en s'assurant, entre autres, qu'ils ne soient jamais fermés simultanément. En fonctionnement normal, l'interrupteur 12 est fermé alors que l'interrupteur 11 est ouvert. Le transistor 18 est donc connecté en diode, ce qui implique qu'il fonctionne en à la 15 limite du régime linéaire. Ainsi, la chute de tension à ses bornes est minimale et est équivalente à celle d'une diode bipolaire polarisée en direct (jonction base-émetteur polarisée en direct) tout en ayant une résistance dynamique plus faible (effet transistor). Pendant le fonctionnement normal, les 20 interrupteurs 11 et 12 restent dans cet état (pas de commutation) et le convertisseur fonctionne par commande de l'interrupteur 6. Lorsque le signal d'activation EN est commuté vers un état (bas) indicateur d'une désactivation du circuit, le circuit 25 de commande 19 provoque la fermeture de l'interrupteur 11 et l'ouverture de l'interrupteur 12. Le transistor 18 est alors équivalent à sa jonction base-collecteur qui, s'agissant d'un transistor PNP, est bien polarisée en inverse si la tension d'entrée Vin est supérieure à la tension Vout aux bornes du 30 condensateur 3. Un avantage qui ressort déjà de la description de la figure 2 est que la chute de tension de l'élément de redressement commandable 15 à l'état passant est inférieure à celle du circuit 5 classique. Selon l'invention, on reproduit la 35 chute de tension d'une diode à l'état passant. Un autre avantage est que les interrupteurs 11 et 12, bien que devant supporter une haute tension à leur borne, ne voit passer qu'un très faible courant à l'état fermé. En effet, quel que soit le mode de fonctionnement et grâce au fait que le 5 transistor 18 n'est pas saturé, le courant susceptible de traverser l'interrupteur 11 ou 12 fermé est, par rapport au courant circulant entre émetteur et collecteur du transistor 18, divisé par le gain (P) du transistor. En pratique, cela conduit à ce que la surface de 10 chaque interrupteur il et 12, dans une réalisation intégrée, correspond approximativement à la surface nécessaire pour la réalisation du transistor 18, divisé par le gain de ce dernier. La figure 3 représente un mode de réalisation d'un circuit 19 de commande des commutateurs 11 et 12 d'un redresseur 15 15 selon l'invention. Dans cet exemple, les interrupteurs 11 et 12 sont constitués de transistors MOS à canal P. Les grilles respectives de chaque transistor sont reliées à la masse M par un transistor MOS à canal N respectivement 21, 22, et la base 23 du transistor 18 est reliée aux grilles des transistors 11 et 12 20 par des sources de courant respectivement 24, 25. Les grilles respectives des transistors 21 et 22 reçoivent le signal EN d'activation, par l'intermédiaire d'un inverseur 26 pour l'un des transistors (par exemple le transistor 21). On suppose ici le signal EN actif à l'état haut. En fonctionnement normal, le signal EN est donc à l'état haut et impose la conduction du transistor 22 et le blocage du transistor 21. Comme le transistor 22 est passant, la grille du transistor 12 est tirée à la masse, ce qui provoque sa fermeture et court-circuite les bornes 23 et S. Côté transistor 30 11, celui-ci reste ouvert, sa grille étant en l'air. Lors d'une commutation du signal EN vers l'état bas, le transistor 21 se ferme tandis que le transistor 22 s'ouvre. En l'absence de la source de courant 25, l'ouverture du transistor rendrait flottante la grille du transistor 12. La 35 source du courant 25 permet donc d'en évacuer les charges pour garantir son ouverture. De la même façon, la source de courant 24 sert à évacuer les charges du transistor MOS 11 lors de l'ouverture du transistor 21 quand le signal EN passe à l'état haut. Les sources de courant 25 et 24 sont constituées, de façon 5 la plus simple, par une résistance ou, en variante, par n'importe quel élément remplissant cette fonction, par exemple, des transistors MOS commandés de façon adéquate par le signal EN. Le mode de réalisation de la figure 3 utilise des 10 transistors MOS à canal P pour les interrupteurs 11 et 12, ce qui est préférable dans la mesure o cela évite le recours à un décaleur de niveau pour commander un transistor MOS à canal N. Un avantage de la présente invention est que la surface d'intégration nécessaire pour réaliser le redresseur 15 15 est considérablement réduite par rapport au redresseur classiquement composé. En particulier, dans une technologie o les transistors MOS sont réalisés verticalement, les transistors MOS à canal P 11 et 12, qui doivent tenir la haute tension mais n'ont besoin de laisser passer qu'un très faible courant, 20 occupent une surface faible (proportionnelle au courant qu'ils doivent supporter). Un autre avantage est que l'élément de redressement est facilement intégrable, si besoin avec son circuit de commande. Un autre avantage, induit par le circuit de l'invention et le recours à un transistor bipolaire, est que le courant traversant l'élément de redressement est automatiquement limité. En effet, le courant de base du transistor bipolaire 18 est fonction du courant entre son émetteur et son collecteur, 30 donc du courant dans l'inductance 4. Par conséquent, une variation du courant dans l'inductance 4 se traduit par une variation du point de fonctionnement du transistor 18. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme 35 de l'art. En particulier, on a supposé précédemment que le transistor 18 est un transistor de type PNP. Il peut toutefois s'agir d'un transistor de type NPN. La modification des connexions pour permettre l'utilisation d'un transistor de type NPN est à la portée de l'homme du métier à partir de la 5 description fonctionnelle ci-dessus. En particulier, les commutateurs 11 et 12 sont alors adaptés de façon à permettre l'injection d'un courant de base en fonctionnement normal. Par ailleurs, bien que l'invention ait été décrite en relation avec une application à un convertisseur élévateur de 10 tension, elle s'applique également à des convertisseurs abaisseurs de tension et, plus généralement, dès que l'on souhaite utiliser un élément de redressement commandable. il REVENDICATIONS 1. Elément de redressement (15) commandable, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor bipolaire (18) dont une borne d'entrée de courant est connectée à une borne de commande par un premier interrupteur (11) et dont une borne de 5 sortie de courant est connectée à la borne de commande par un second interrupteur (12), les phases d'ouverture et de fermeture des premier et second interrupteurs étant complémentaires et fonction de l'état souhaité pour l'élément de redressement. 2. Elément de redressement selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de commande (19) des premier et second interrupteurs (11, 12) en fonction de l'état d'un signal (EN) d'activation/désactivation de l'élément de redressement (15). 3. Elément de redressement selon la revendication 1 ou 15 2, caractérisé en ce que lesdits interrupteurs (11, 12) sont constitués de transistors MOS à canal P dont les grilles respectives sont connectées à la borne de commande du transistor bipolaire (18) par l'intermédiaire de sources de courant (24, 25). 4. Elément de redressement selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le circuit de commande (19) comprend deux transistors MOS à canal N (21, 22) reliant les grilles respectives des transistors MOS à canal P (11, 12) à la masse, lesdits transistors MOS à canal N étant commandés respectivement 25 par le signal (EN) d'activation et par son inverse. 5. Elément de redressement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit transistor bipolaire (18) est un transistor PNP. 6. Elément de redressement selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit transistor bipolaire (18) est un transistor NPN. 7. Convertisseur de tension du type continu-continu comportant un élément de redressement conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.