Brevet FR2858633A1 — publié le 20050211

La présente invention concerne un dispositif d'amorçage du courant pour poste de drainage de courants vagabonds. Le domaine technique de l'invention est la protection des ouvrages métalliques contre l'oxydation d'origine électrique par drainage de courant. Actuellement, la plupart des postes de drainage autonomes, basés sur l'utilisation de diodes au silicium, résistent bien aux tensions inverses, mais présentent une tension de seuil de conduction d'environ 0,6V. La conséquence en est que lorsque la différence de potentiel entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds est inférieure à ce seuil, aucun courant n'est drainé, bien que l'ouvrage métallique soit peut-être déjà soumis à une légère corrosion (potentiel de l'ouvrage par rapport à la terre supérieur à son potentiel d'oxydation). Pour résoudre 15 ce problème, certains constructeurs proposent l'installation en parallèle avec le poste de drainage d'un dispositif autonome d'amorçage du courant mettant en oeuvre soit: - une diode au germanium (seuil de 0,3V) une diode Schottky haute tension inverse(seuil de 0,3V mais 20 plus facile à approvisionner) - un transistor MOS exploité en "diode synchrone" (Brevet FR2761376), éventuellement monté en série avec une diode Schottky basse tension inverse (seuil de 0 à 0,2V suivant solution technique choisie). Les deux premiers dispositifs ne supportent pas les tensions inverses supérieures à 200V environ(des diodes Schottky 600V existent, mais elles présentent des tensions de seuil supérieures à celles des diodes silicium). Le dernier dispositif, bien adapté aux tensions inverses 30 élevées, est cependant limité à la tension de claquage maximale d'un transistor MOS de puissance: en pratique moins de 1000V. Or, de nombreux exploitants exigent de leurs drainages qu'ils supportent en inverse une tension correspondant à la tension d'alimentation d'une locomotive, soit 1500V en France. On comprend qu'ils préfèreraient que le dispositif d'amorçage supporte aussi cette tension inverse. Il faudrait donc pouvoir mettre en série plusieurs MOS. En outre, à ce niveau de tension de claquage, la résistance en mode passant d'un transistor augmente considérablement plus vite que ladite tension de claquage: il vaut donc mieux monter les transistors en série (addition des tensions de claquage), plutôt qu'en parallèle (division de la résistance en mode passant), même si on ne veut pas dépasser 1000V de tension 10 inverse. Or, si le brevet FR2761376 susmentionnée explique comment monter les MOS en parallèle, le montage en série qu'il propose utilise des commandes de grilles flottantes à base de transformateurs d'isolement, qui vont augmenter le courant 15 consommé et dégrader le temps de réaction du dispositif d'amorçage, par rapport au montage de base. Le problème posé est donc de trouver un moyen de parvenir à monter les MOS en série, sans augmenter la tension de seuil du dispositif, ni diminuer son autonomie, ni même altérer sa rapidité 20 de réaction. Une solution au problème posé est, selon l'invention, un dispositif autonome d'amorçage du courant de drainage, monté généralement en parallèle avec un poste de drainage existant, lorsque les courants drainés peuvent être importants, mais aussi 25 éventuellement en lieu et place d'un poste de drainage, lorsque les courants à drainer sont faibles, qui présente une tension inverse de claquage théoriquement illimitée. Le premier principe de base de l'invention est celui déjà exploité dans le brevet FR2761376, étendu à tous les transistors à effet de champ (pas seulement les MOS): Les utiliser en "diodes synchrones". Le deuxième principe exploité dans un mode préférentiel de réalisation du dispositif selon l'invention est d'utiliser volontairement l'effet d'avalanche des transistors pour exploiter chacun d'eux au maximum de ses capacités de blocage (tension de claquage). Bien entendu, selon l'invention, on utilise de préférence des transistors supportant les courants d'avalanche de façon répétitive: il en existe à ce jour de nombreux (notamment des MOS), conçus initialement pour contrôler des charges inductives non pourvues de diodes de roue libre. Sinon, toujours selon l'invention, on peut monter une diode de type Zener (Transil par exemple de façon non limitative) entre le drain et la source 10 du transistor MOS (Cathode de la Zener sur le drain, dans le cas d'un canal N, ou sur la source pour un canal P) pour " transformer "ledit transistor en un transistor supportant les avalanches. Ce montage est selon l'invention mais non préférentiel, car on n'exploite pas pleinement la tension inverse du transistor (la tension maximale d'écrêtage de la Transil doit être inférieure à la tension d'avalanche minimale du transistor). Plus astucieux, selon l'invention, les transistors ne supportant pas les avalanches seront doublés d'une diode Zener (Transil, etc.) montée entre leur drain et leur grille: Leur fonctionnement en " avalanche " s'apparentera alors plus à celui d'un transistor J-FET, la grille le cas échéant " entraînée " par l'effet avalanche (vers les plus fortes tensions dans le cas d'un canal N) entraînant à son tour la source (suiveur de tension dans le cas d'un MOS produisant un effet comparable à la diode grille25 source d'un J-FET). On perd toujours de la tension inverse, mais on gagne des composants par ailleurs, source et grille se" suivant " naturellement sans risque de claquage, comme on le verra dans le texte ci-dessous. Le dispositif d'amorçage selon l'invention est donc constitué 30 d'un dispositif d'amorçage de courant conforme au brevet FR2761376 ou non, et appelé par la suite " diode d'amorçage ", monté en série avec un ou plusieurs transistors à effet de champ, MOS de préférence (car plus faciles à trouver en forte puissance). Selon l'invention, le dispositif fonctionne avec des transistors à effet 35 de champ à jonction(J-FET). Pour être plus général, et afin d'alléger le texte, y compris dans les revendications, on appellera par extension " transistor à effet de champ ", " transistor FET " ou " FET " tout transistor MOS-FET ou J-FET, ainsi que tout assemblage de MOS-FET ou J-FET montés en parallèle (Grilles -ou " portes "- reliées entre elles, Sources et Drain de même) : Le résultat d'un tel assemblage est en effet équivalent à un unique transistor à effet de champ (de plus faible résistance passante). Dans le texte, y compris les revendications: - un "FET à enrichissement " fera référence à un MOS-FET (à enrichissement), - un" FET à appauvrissement" fera référence à un MOS-FET à appauvrissement ou enrichissement-appauvrissement, ou à un J-FET - une "grille " fera référence à la grille d'un MOS-FET ou à 15 la " porte" d'un J-FET. Dans le cas de l'utilisation de transistors FET à enrichissement, la source de tension utilisée par lesdits transistors pourra le cas échéant être celle utilisée par la" 20 diode d'amorçage ", par exemple conforme au brevet FR2761376. Selon l'invention, les transistors FET à canal N (respectivement canal P) seront montés en série avec ladite "diode d'amorçage", la source du premier sur la cathode (respectivement l'anode) de la " diode d'amorçage ", le drain du dernier constituant la cathode (respectivement l'anode) du dispositif d'amorçage selon l'invention. Toujours selon l'invention, les grilles des transistors à canal N (respectivement canal P) seront reliées au pâle positif (respectivement négatif) de la source de tension via des diodes 30 anti-retour, le pôle négatif (respectivement positif) de ladite source de tension étant relié à l'anode (respectivement la cathode) du dispositif d'amorçage selon la présente invention. Dans le cas où on utiliserait des transistors à appauvrissement, la source de tension peut être remplacée par un court-circuit, toujours selon l'invention, bien qu'on puisse conserver une tension de polarisation significative (enrichissement du canal) si le FET est un MOS- FET, et faible si le FET est à jonction (au-delà de 0,6V, la jonction grille-source conduit). Pour simplifier, dans la suite du texte, y compris dans les revendications, on appellera systématiquement " source de tension" la source de tension servant à doper ou au moins le cas échéant à ne pas appauvrir les canaux des transistors FET utilisés, même quand ladite " source de tension " est un simple court-circuit 10 (source de tension nulle selon l'invention, bien adaptée aux transistors à appauvrissement, et surtout peu coûteuse et de grande autonomie!). Selon un mode non privilégié de réalisation de l'invention, on pourrait mettre un ou plusieurs FET à canal N en série côté cathode de la " diode d'amorçage " et un ou plusieurs FET à canal P côté anode de ladite " diode d'amorçage" Selon l'invention, le premier FET à canal N (respectivement canal P) qui part en avalanche (le transistor le plus éloigné de la " diode d'amorçage " si le montage est constitué de transistors 20 de même type) va voir le potentiel de sa source monter (respectivement descendre) : Le cas échéant (MOS-FET), pour éviter un claquage de la grille et laisser fonctionner le transistor en mode d'avalanche normal (tension grille-source nulle ou presque), on monte donc une diode de préférence bas seuil et rapide entre la 25 source et la grille dudit transistor, la source dudit transistor étant reliée à l'anode (respectivement la cathode) de ladite diode (ladite diode est inutile avec un J-FET -voire un MOS-FET protégé par une Zener montée entre son drain et sa grille- l'avalanche ayant d'abord lieu entre le drain et la " porte " ou " grille ", 30 laquelle entraîne la source tout naturellement). Le courant de fuite de ladite diode étant fourni par la source de tension (dispositif selon l'invention en mode passant), on peut, selon l'invention, chercher à le réduire en utilisant une diode au seuil de conduction plus élevé, et moins rapide: Elle 35 peut alors selon l'invention être montée en parallèle avec un condensateur qui se chargera de " faire suivre " la tension de grille durant les transitoires brutaux (bien que la capacité parasite de ladite diode peut le cas échéant s'en charger...) Ladite diode peut selon l'invention avoir une tension d'avalanche inférieure à la tension maximale grille-source (en valeur absolue) dudit transistor (MOS-FET uniquement), pour éviter un claquage de sa grille en cas de retour rapide de la tension inverse aux bornes du dispositif d'amorçage selon l'invention à une tension plus faible en valeur absolue. Un effet capacitif parasite peut en effet " retenir " le potentiel de la grille, qui ne suit plus alors celui de la source... jusqu'au claquage (sans objet avec un J-FET grâce aux jonctions grillesource et grilledrain polarisées dans ce cas en direct, ni avec un MOSFET protégé par Zener entre drain et grille, ladite Zener fonctionnant en direct entraînant alors la grille, et la diode de roue libre dudit MOSFET la source). Selon l'invention, la diode rapide à connecter entre ladite grille et ladite source peut être une diode Schottky à la tension d'avalanche connue, et supportant ce mode de fonctionnement. Cependant, toute autre diode ou montage de diodes en parallèle (diode Schottky et Zener en parallèle pour exemple non limitatif), voire toute utilisation d'une éventuelle diode ou combinaisons de diodes de protection intégrées au transistor MOS (entre sa grille et sa source) pourront être utilisées selon l'invention, ces adaptations étant d'ailleurs à la portée de tout homme de l'art. Mais là encore, selon l'invention, un simple condensateur connecté entre grille et source des MOS-FET peut suffire, selon l'invention, à protéger ceux-ci d'une chute brutale de la tension inverse appliquée au dispositif selon l'invention: Le dimensionnement de ce dernier ne présente pas de difficultés à un homme de l'art, conscient qu'une trop grande valeur peut empêcher le dispositif selon l'invention de bloquer le courant en cas de tension inverse appliquée brutalement. Selon l'invention, le cas échéant, le deuxième transistor à 35 partir en avalanche sera l'avant dernier transistor le plus éloigné de la " diode d'amorçage ". Il sera monté de la même manière que le premier, et ainsi de suite jusqu'au transistor le plus proche de la " diode d'amorçage" Selon l'invention, le nombre de transistors additionnels est théoriquement illimité, et la " diode d'amorçage " supportera le résidu de potentiel restant le cas échéant lorsque tous les transistors FET seront partis en avalanche: si la tension inverse appliquée aux bornes du dispositif d'amorçage selon l'invention dépasse la somme de toutes les tensions d'avalanche des différents FET ainsi que la tension de claquage (voire d'avalanche) de la 10 diode d'amorçage ", le dispositif d'amorçage selon l'invention peut être détruit. Mais, selon le mode privilégié de réalisation du dispositif selon l'invention, la capacité de blocage dudit dispositif est exactement la somme des capacités de blocage (tensions d'avalanche) de chacun des composants montés en série, 15 et, ce, même quand lesdites capacités de blocage sont toutes différentes. Selon un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les grilles de chaque transistor FET canal N (respectivement canal P) peuvent être pré-polarisées par une échelle de résistances, montée entre la cathode (respectivement l'anode) du dispositif d'amorçage selon l'invention et le pâle positif (respectivement négatif) de la source de tension, voire directement l'autre pâle dudit dispositif d'amorçage. Chaque résistance gagnera, selon l'invention, à être mise en parallèle 25 avec une diode qui permettra une bonne polarisation de chaque grille quand la tension aux bornes du dispositif d'amorçage selon l'invention sera directe. Ce deuxième mode de réalisation selon l'invention est cependant moins optimisé, car introduit un courant inverse supplémentaire, passant dans les résistances, et n'empêche la tension grille-source d'un transistor MOS-FET de dépasser sa tension maximale, en cas de variations rapides de la tension inverse aux bornes du dispositif d'amorçage selon l'invention. Certes, des diodes de protection placées entre les grilles et les 35 sources de chaque transistor peuvent résoudre le problème, mais dans ce cas, le montage obtenu est simplement plus complexe que le montage précédent: avec des résistances en plus (le mode de fonctionnement sera légèrement différent, les transistors se répartissant la tension inverse avant d'arriver à l'avalanche d'un transistor). On peut aussi décider de remplacer les résistances par des diodes zener, et compter sur l'effet d'avalanche de celles-ci pour répartir correctement les tensions des différentes grilles: dans ce cas, on perdra en tension inverse maximale admissible, car les diodes devront être spécifiées pour ne faire courir aucun risque aux transistors. Ce montage est cependant explicitement prévu dans l'invention, et prévu pour les transistors ne supportant pas l'effet d'avalanche. La figure 1 représente un mode de réalisation non limitatif du dispositif d'amorçage selon l'invention. On retrouve en (5) un dispositif d'amorçage selon le brevet FR2761376, composé d'une source de tension (1) (ici, une pile), d'un condensateur de découplage (2), d'une diode Schottky bas seuil (3) et d'un transistor NMOS à enrichissement (4). On pourrait bien évidemment, selon la présente invention, utiliser à la place de (5) tout dispositif d'amorçage de drainage existant, par exemple, de façon non limitative, simplement la diode (3) : le montage reste alors quasiment le même: seul (4) disparaît, et la cathode de (3) est directement reliée à la source de (9) et l'anode de (12)). La source de tension (1) et le 25 condensateur optionnel (2) font alors directement partie du dispositif selon l'invention. Les diodes anti-retour (6), (7) et (8) permettent de polariser les grilles des transistors (9), (10) et (11) de façon à ce que leurs canaux soient dopés quand le dispositif selon l'invention est en mode passant (courant s'écoulant de l'anode (A) vers la cathode (K)) : Ainsi, c'est la diode Schottky (3) qui fixe le seuil de conduction, les transistors (4), (9), (10) et (11) n'augmentant que la résistance série du montage complet en mode passant. Quand le potentiel de (K) étant très supérieur à celui de (A) (dispositif selon l'invention bloqué), des courants de fuite drain-grille pourraient lentement charger les grilles de (11), puis (10), puis (9) et amener la tension inverse aux bornes de la diode d'amorçage (5) à dépasser ses capacités. Pour prévenir cet incident, on veille, selon l'invention, à ce que les courants de fuite desdites diodes (6), (7) et (8) soient bien supérieurs aux courants de fuite drain-grille des FET utilisés. A défaut, de façon non limitative selon l'invention, on 10 monte des résistances de forte valeur en parallèle avec les diodes (sachant qu'un trop fort courant inverse peut-être nuisible à la source de tension (1)), ou entre les grilles et l'anode (A) du dispositif (moins dangereux, mais faisant plus consommer la source de tension (1)). Concernant les diodes(7) et (8) : on aurait pu, selon l'invention, connecter leurs anodes directement au pôle positif de la source de tension (1) ; Cela aurait nécessité une tenue en tension inverse supérieure pour lesdites diodes, en évitant cependant que les transistors les plus proches de la cathode (K) soient mal polarisés. Le choix est fait au cas par cas par un homme de l'art, en fonction des composants (FET, pile, etc.) choisis. Les diodes (12), (13) et (14) sont là pour permettre 25 aux grilles des transistors (9), (10) et (11) de suivre à la hausse les tensions de source du transistor qu'elles protègent quand celui-ci entre en mode d'avalanche. Lesdites diodes gagneront, selon l'invention, à avoir le seuil de conduction le plus bas possible et à être très rapides: on utilisera donc des diodes Schottky si le courant inverse consommé est acceptable pour la pile, quand le dispositif selon l'invention est passant. En outre, selon l'invention, lesdites diodes doivent présenter un seuil d'avalanche inférieur à la tension de claquage grille-source du transistor qu'elles protègent, et supporter d'entrer dans ledit 35 mode d'avalanche. Ce dernier point pouvant poser problème, les diodes (12), (13) et (14) sur la figure 1 peuvent représenter deux diodes en parallèle: une diode Schottky (bas seuil et rapide) et une diode Zener (par exemple Transil car ces diodes présentent un très faible courant de fuite. Selon l'invention, c'est cependant la fonction réalisée par lesdites " diodes " qui est importante (si possible bas seuil et tension d'avalanche connue), et non la façon de les réaliser, qui peut exploiter, par exemple, et de façon non limitative, la diode Zener (généralement deux montées en série et en opposition) le cas échéant intégrée dans le transistor 10 MOS utilisé, entre grille et source (protection conçue contre l'électricité statique). Selon l'invention, si la consommation est déterminante, les diodes (12), (13) et (14) seront simplement des diodes de type Zener genre Transil (au courant de fuite de l'ordre du micro Ampère) : Les N-MOS (respectivement P-MOS) utilisés 15 devront dans ce cas supporter l'avalanche avec une tension de grille négative (respectivement positive) de valeur absolue de l'ordre du Volt. On peut, toujours selon l'invention, mettre en parallèle avec les diodes (6), (7) et (8), et entre la grille de (11) et la 20 cathode (K) des résistances qui permettront, en mode de fonctionnement bloqué, de prérépartir la différence de potentiel positive entre (K) et (A) sur les différents transistors (4), (9), (10) et (11) : Les transistors partiront ainsi moins souvent voire jamais- en avalanche, mais le dispositif présentera un courant de fuite plus important (entre (K) et (A)). Dans ce mode particulier de réalisation, on peut aussi, selon l'invention, tout simplement supprimer les diodes (6), (7) et (8) (en gardant les résistances ajoutées) : En mode de fonctionnement passant, la tension grille-source du transistor (11) est alors plus faible (logiquement trois fois plus faible) que celle de (9). Ce montage ultime est donc peu performant, mais tout de même selon l'invention. Pour résumer, le dispositif d'amorçage du courant pour poste 35 de drainage de courants vagabonds selon l'invention, pouvant éventuellement être utilisé en lieu et place d'un poste de - 11 drainage, comporte un ou plusieurs transistors à effet de champ, nommés ci-après FET, montés en série avec une diode d'amorçage bas seuil. Lesdits FET, utilisés en " diode synchrone ", supportent naturellement un fonctionnement en avalanche ou sont protégés par des écrêteurs de tension montés entre leur drain et leur source, ou entre leur drain et leur grille, qui leur permettent d'avoir un mode de fonctionnement non destructif en cas de surtension, qualifié ci-après de fonctionnement en avalanche. Selon l'invention: - Le potentiel de grille de chaque FET est automatiquement ajusté lors du départ en avalanche dudit FET, soit directement dans le cas d'un effet d'avalanche se produisant entre le drain et la grille (J-FET ou protection par écrêteur entre drain et grille), soit au travers d'une diode reliant source et 15 grille dudit FET, si l'effet d'avalanche a lieu entre drain et source (MOS-FET). Ledit potentiel de grille est augmenté par l'effet d'avalanche si le FET est à canal N, et diminué si ledit FET est à canal P. de façon à ce qu'en cas de différence de potentiel fortement positive entre la cathode et l'anode dudit dispositif d'amorçage, aucun FET ne se trouve jamais commandé au-delà de sa capacité de blocage réelle, du moins tant qu'il reste au moins un FET qui n'est pas encore parti en avalanche. - Les FET à canal N (respectivement canal P) ont leurs 25 grilles polarisées par des diodes dont l'anode (respectivement cathode) est relié au pôle positif (respectivement négatif) de la source de tension soit directement, soit via les diodes utilisées pour polariser les FET plus proches dudit dispositif d'amorçage. - Les FET à canal N (respectivement canal P) ont leurs 30 grilles polarisées au moins en partie par une échelle de résistances dont une extrémité est reliée à la cathode (respectivement anode) dudit dispositif d'amorçage et l'autre à l'anode (respectivement cathode) ou au pôle positif (respectivement négatif) de la source de tension, les points intermédiaires de ladite échelle servant donc à pré-répartir une différence de potentiel positive entre la cathode et l'anode dudit dispositif d'amorçage entre les différents FET. - L'un au moins des FET à canal N (respectivement canal P) utilisé est un MOS-FET, dont la grille est relié une diode coté cathode (respectivement anode) et la source à ladite diode, côté anode (respectivement cathode). 13 Revendications 1) Dispositif d'amorçage du courant pour poste de drainage de courants vagabonds, pouvant éventuellement être 5 utilisé en lieu et place d'un poste de drainage, comportant un ou plusieurs transistors à effet de champ ((9),(10) et (11)), nommés ci-après FET, montés en série avec une diode d'amorçage bas seuil (5), lesdits FET((9),(10) et (11)) étant utilisés en " diode synchrone ", caractérisé en ce que: 10 - les FET utilisés ((9), (10) et (11)) supportent naturellement un fonctionnement en avalanche ou sont protégés par des écrêteurs de tension montés entre leur drain et leur source, ou entre leur drain et leur grille, qui leur permettent d'avoir un mode de fonctionnement non destructif 15 en cas de surtension, qualifié ci-après de fonctionnement en avalanche; - le potentiel de grille de chaque FET ((9), (10) ou (11)) est automatiquement ajusté lors du départ en avalanche dudit FET ((9), (10) ou (11)), soit directement dans le cas 20 d'un effet d'avalanche se produisant entre le drain et la grille (J-FET ou protection par écrêteur entre drain et grille), soit au travers d'une diode ((12),(13),(14)) reliant source et grille dudit FET((9), (10) ou (11)), si l'effet d'avalanche a lieu entre drain et source (MOS-FET) ; ledit potentiel de grille étant augmenté par l'effet d'avalanche si le FET est à canal N ((9), (10), (11)), et diminué si ledit FET est à canal P. de façon à ce qu'en cas de différence de potentiel fortement positive entre la cathode (K) et l'anode (A) dudit dispositif d'amorçage, aucun 30 FET ((9), (10) ou (11))ne se trouve jamais commandé au-delà de sa capacité de blocage réelle, du moins tant qu'il reste au moins un FET ((9) , (10) ou (11)) qui n'est pas encore parti en avalanche. - 14 2) Dispositif d'amorçage du courant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les FET à canal N(9,10 et 11) (respectivement canal P) ont leurs grilles polarisées par des diodes (6,7,8) dont l'anode (respectivement cathode) est relié au pôle positif (respectivement négatif) de la source de tension (1)soit directement (6), soit via les diodes utilisées pour polariser les FET plus proches dudit dispositif d'amorçage (5) (donc via (6) pour (7) et via (6) et (7) pour (8)). 3) Dispositif d'amorçage du courant selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les FET à canal N(9,10 et 11) (respectivement canal P) ont leurs grilles polarisées au moins en partie par une échelle de résistances dont une extrémité est reliée à la cathode (K) (respectivement anode) dudit dispositif d'amorçage et l'autre à l'anode (A) (respectivement cathode) ou au pôle positif (respectivement négatif) de la source de tension (1), les points intermédiaires de ladite échelle servant donc à prérépartir une différence de potentiel positive entre la cathode (K) et l'anode (A) dudit dispositif d'amorçage entre les différents FET (9,10 et 11). 4) Dispositif d'amorçage du courant selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'un au moins des FET à canal N(9,10 et 11) (respectivement canal P) utilisé est un MOS-FET (9,10 et 11), dont la grille est relié une diode coté cathode (12,13 ou 14) (respectivement anode) et la source à ladite diode, côté anode (respectivement cathode).