Brevet FR2914784A1 — publié le 20081010

B7983 - 06-T0-555 1 COMPOSANT DIPOLAIRE UNIDIRECTIONNEL À PROTECTION EN SURINTENSITÉ Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des diodes et plus particulièrement des diodes susceptibles de fonctionner à haute fréquence avec un minimum de pertes à la commutation. On entend ici par diode tout composant ou ensemble de composants dipolaire à conduction unidirectionnelle. Exposé de l'art antérieur Certaines diodes telles que des diodes en carbure de silicium SiC ou des diodes en nitrure de gallium GaN ont la pro- priété d'avoir des pertes à la commutation particulièrement faibles, et notamment plus faibles que celles des diodes en silicium classiques. Les diodes de type SiC ou GaN sont donc a priori bien adaptées à une utilisation à haute fréquence. Cependant, les diodes de type SiC ou GaN ont un coût bien plus élevé que les diodes en silicium. Ce coût augmente avec la surface de ces diodes, surface qui détermine la quantité maximum de courant direct que la diode peut laisser passer. On a donc tendance à faire fonctionner ces diodes au voisinage des densités de courant maximales qu'elles peuvent supporter. La figure 1 illustre des caractéristiques courant-tension en direct d'une diode en carbure de silicium supportant B7983 - 06-T0-555 2 un courant moyen de 8 ampères, la température de jonction de cette diode étant de 23 C dans le cas de la courbe 3 et de 150 C dans le cas de la courbe 5. En dessous d'une certaine intensité, 2 ampères dans l'exemple représenté, le coefficient de tempéra- ture oc1 de la diode est négatif, c'est-à-dire que, pour une intensité donnée, si la température de jonction de la diode augmente, la chute de tension en direct VF de celle-ci diminue. Cependant, ce coefficient de température aT devient positif lorsque le courant passant dans la diode dépasse le seuil de 2 ampères susmentionné. Ainsi, à 23 C, quand on fait passer un courant donné dans la diode, par exemple 6 ampères, la diode a initialement une chute de tension en direct d'environ 1,55 V. Le passage du courant dans la diode provoque l'augmentation de sa température de jonction, ce qui modifie sa caractéristique courant-tension en direct et augmente sa chute de tension en direct. Cette augmentation de la chute de tension en direct entraîne une augmentation de la puissance dissipée et donc de la température, ce qui modifie à nouveau la caractéristique courant-tension. Si la durée pendant laquelle un courant élevé circule est suffisamment importante, il se crée un phénomène d'emballement thermique ; la diode chauffe de plus en plus, et ceci peut provoquer sa détérioration. La figure 2 représente un circuit redresseur élévateur de tension. Ce circuit est alimenté par une source de tension alternative 11 connectée à un pont redresseur 13. Entre les bornes de sortie du pont redresseur sont placés en série une bobine 15 et un interrupteur 17 qui ont un point de raccordement 19. En parallèle sur l'interrupteur 17 sont placés, en série, une diode 21 et un condensateur 23. La diode a son anode liée à la bobine 15, et le courant qui la traverse est appelé IF. Une charge (non représentée) peut être placée aux bornes du condensateur 23, et on appelle Vaut la tension de sortie. On peut distinguer plusieurs étapes dans le fonction- nement du circuit de la figure 2. Une première étape consiste à mettre en route la source de tension alternative 11 tandis que B7983 - 06-T0-555 3 l'interrupteur 17 est ouvert. Lors de cette étape, la tension redressée charge le condensateur 23 et la bobine 15 emmagasine de l'énergie. Une fois le condensateur convenablement chargé, la deuxième étape commence par la fermeture de l'interrupteur 17, puis celui-ci est commandé pour s'ouvrir et se fermer à une fréquence élevée, ce qui crée des surtensions en impulsions sur le noeud 19 et charge le condensateur 23 à une tension surélevée par rapport à la valeur de la tension redressée disponible en sortie du pont redresseur 13. Il est connu que l'interrupteur commandé 17 doit fonctionner à haute fréquence. La diode 21 doit donc pouvoir coituttuter rapidement et avoir des pertes à la commutation les plus faibles possibles. On a donc envisagé l'utilisation d'une diode de type SiC ou GaN comme diode 21. Cependant, l'expérience montre que l'on doit utiliser une diode de relativement grande surface, qui est coûteuse. Résumé de l'invention On cherche donc à réaliser un composant dipolaire uni-directionnel pouvant fonctionner à haute fréquence et supportant de fortes intensités, au moins pendant des périodes transitoires. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu un composant dipolaire unidirectionnel à protection en surintensité comprenant, en parallèle un premier composant dipolaire unidirectionnel à coefficient de température positif ; et un second composant dipolaire unidirectionnel de même polarité que le premier composant dipolaire unidirectionnel ayant une tension de seuil de conduction supérieure à la tension de seuil de conduction à température ambiante du premier composant dipolaire unidirectionnel. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le second composant dipolaire unidirectionnel a un coefficient de température négatif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 le premier composant dipolaire unidirectionnel est une diode en B7983 - 06-T0-555 4 un matériau du groupe comprenant le carbure de silicium et le nitrure de gallium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le second composant dipolaire unidirectionnel comprend plusieurs 5 diodes en silicium en série. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le second composant dipolaire unidirectionnel comprend une diode en silicium en série avec une diode Zener. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 le second composant dipolaire unidirectionnel comprend une diode en silicium, un transistor bipolaire dont l'émetteur est relié à la diode en silicium, et une diode Zener montée en inverse et dont l'anode est reliée à la base du transistor bipolaire et dont la cathode est reliée au collecteur du transistor bipo- 15 faire. On prévoit aussi une alimentation de tension continue incorporant un redresseur élévateur comportant le circuit dipolaire unidirectionnel ci-dessus. Brève description des dessins 20 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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, décrite précédeitunent, présente deux courbes 25 courant-tension d'une diode de type SiC ou GaN réalisées à deux températures de fonctionnement différentes ; la figure 2, décrite précédemment, présente un circuit dans lequel on peut utiliser une diode de type SiC ou GaN ; la figure 3 représente des courbes de tension et d'inten- 30 sité associées au circuit de la figure 2 ; et les figures 4A, 4B, et 4C représentent différents composants dipolaires unidirectionnels selon des modes de réalisation de la présente invention. B7983 - 06-T0-555 Description détaillée La figure 3 représente deux courbes illustrant le fonctionnement du circuit redresseur élévateur de la figure 2. La courbe 25 représente la tension de sortie Vout du circuit en 5 fonction du temps, tandis que la courbe 27 représente le courant IF circulant dans la diode 21 en fonction du temps. Ces deux courbes sont tracées dans le cas où on utilise une source de tension alternative 11 d'une valeur efficace de 90 V. Comme l'illustre la courbe 25, l'alimentation alterna- tive 11 est mise en route à un instant t1 tandis que l'interrupteur 17 est ouvert. La sortie du pont redresseur 13 charge le condensateur 23, entre l'instant t1 et un instant t2, par l'intermédiaire de la bobine 15 et de la diode 21, ce qui provoque le passage de Vout de 0 V à environ 130 V (la valeur crête de la tension alternative). A un instant t3, l'interrupteur 17 est commandé pour être fermé et ouvert à une fréquence élevée pour que le circuit fonctionne de façon connue en élévateur de tension. La tension Vout augmente alors de nouveau entre l'instant t3 et un instant t4. Dans l'exemple représenté, les caracté- ristiques du circuit (inductance de la bobine 15, durées d'ouverture et de fermeture de l'interrupteur 17, et capacité du condensateur 23) sont choisies pour que la tension Vout soit d'environ 400 V à l'instant t4. Une fois que les 400 V sont atteints en sortie, si aucune charge n'est appliquée au circuit de la figure 2, la tension de sortie reste sensiblement cons-tante 33, et le circuit ne consomme sensiblement pas. Quand une charge est connectée en sortie du circuit, à un instant t5, le condensateur 23 tend à se décharger dans celle-ci et l'alimentation 11 recharge le condensateur 23 de façon à compenser la consommation de la charge. Lors des périodes d'alimentation, c'est-à-dire chaque fois que la tension fournie par le pont redresseur charge le condensateur et que la tension Vout augmente, un courant circule dans la diode 21. En régime établi, c'est-à-dire une fois que le condensateur 23 est chargé à 400 V et qu'il se décharge puis se B7983 -06-T0-555 6 recharge 35 à haute fréquence pour fournir de l'énergie à la charge, un courant moyen nominal 37 circule dans la diode 21, comme cela est illustré sur la courbe 27. Pendant la première charge du condensateur, entre les instants t1 et t2, on constate que le courant moyen 39 dans la diode 21 est du même ordre de grandeur que le courant nominal. Par l'analyse ci-dessus, la demanderesse a mis en évidence que, lorsqu'on utilise une alimentation alternative 11 ayant une tension crête relativement faible, et qu'on veut en sortie de circuit une tension Vaut de valeur bien plus importante que la tension crête de l'alimentation, il apparaît entre les instants t3 et t4 un fort appel du courant et une intensité IF importante 41 circule dans la diode 21. Ce type de fonctionnement ne pose pas de problème particulier quand la diode 21 est une diode ayant un coefficient de température négatif, par exemple une diode en silicium. En effet, dans ce cas, pendant que la surintensité se produit, la tension aux bornes de la diode baisse. Cette baisse de la tension compense au moins partiellement l'augmentation du courant dans la diode. De plus, les diodes en silicium ont généralement un coût relativement modeste et ce n'est pas un inconvénient important que de surdimensionner légèrement la diode pour tenir compte, si nécessaire, de l'augmentation de puissance dissipée au démarrage. Par contre, si on utilise des diodes de type diode en carbure de silicium, ou autre diode à coefficient de température positif, le courant élevé dans la diode pendant la période de démarrage entraîne une augmentation de la chute de tension aux bornes de la diode et on risque de produire un effet d' emballe- 3 0 ment et de destruction de la diode. De plus, comme on l'a indiqué précédemment, les diodes de type diode en SiC sont générale-ment coûteuses et on cherche à éviter d'augmenter la surface de ces diodes. On prévoit donc ici des moyens permettant d'utiliser une diode en carbure de silicium ou équivalent ayant seulement 35 la dimension adaptée à supporter le courant nominal dans la B7983 - 06-T0-555 7 diode, entre les instants t5 et t6, tel que décrit précédemment en relation avec la figure 3. Selon un aspect de l'invention, on cherche à conserver les avantages de commutation rapide des diodes de type SiC, tout en permettant d'utiliser des diodes de petites dimensions et de pouvoir supporter au moins temporairement des surintensités importantes. Les figures 4A, 4B et 4C illustrent divers modes de réalisation d'un composant dipolaire unidirectionnel selon la présente invention. Ce composant comporte une diode 43 en SiC, en parallèle avec un composant à conduction unidirectionnelle 45 de même polarité. L'intensité circulant dans la diode 43 est appelée IF, l'intensité circulant dans le composant 45 est appelée Ip. L'intensité totale dans le composant est IT, IT = IF + Ip. Le composant à conduction unidirectionnelle 45 est choisi pour avoir une tension de seuil de conduction supérieure à celle de la diode 43. Plus particulièrement, le composant 45 est choisi pour entrer en conduction dès que la tension aux bornes de la diode 43 atteint une valeur correspondant à un échauffement permis de cette diode 43. Ainsi, en fonctionnement nominal, tant que la chute de tension aux bornes de la diode 43 reste proche de sa valeur nominale, le dispositif à conduction unidirectionnelle 45 n'entre pas en conduction et le composant dans son ensemble fonctionne sensiblement comme si la diode 43 était seule. Par contre, dès que l'échauffement de la diode 43 amène sa chute de tension en direct à atteindre la valeur de seuil du composant en parallèle 45, ce composant prend le relais et laisse passer le courant. Si de plus ce composant est choisi pour avoir un coefficient de température négatif, la diode 43 n'entrera à nouveau en conduction que quand sa température aura suffisamment chutée pour que sa chute de tension en direct corresponde à la chute de tension abaissée aux bornes du composant 45. On peut donc qualifier ce composant 45 de composant de protection. B7983 - 06-T0-555 8 Dans le mode de réalisation de la figure 4A, le composant 45 est constitué de plusieurs diodes 47 en série. Ces diodes 47 sont par exemple des diodes en silicium qui présentent généralement un coût relativement faible, et en tout cas très faible devant celui d'une diode en carbure de silicium, et qui présentent de plus l'avantage d'avoir un coefficient de température négatif. A titre d'exemple, pour choisir la chute de tension en direct à température ambiante du dispositif de protection 45, on détermine, pour un courant nominal, quelle est la température maximum tolérée dans la diode en carbure de silicium, on détermine la chute de courant aux bornes de cette diode pour cette température maximale et on règle la chute de tension dans le dispositif 45 de façon appropriée. Par exemple, si la température maximale tolérée dans la diode en carbure de sili- cium correspond à une chute de tension de 4,2 V, on pourra utiliser comme dispositif de protection sept diodes 47 en silicium en série, chaque diode ayant, comme cela est connu pour les diodes au silicium, une chute de tension de l'ordre de 0,6 V. La figure 4B illustre un mode de réalisation dans lequel le composant 45 comprend la connexion en série d'une diode en silicium 49 et d'une diode Zener de puissance basse tension 51, la diode 49 étant montée selon la même polarité que la diode 43. La figure 4C illustre un troisième mode de réalisation de la présente invention dans lequel le composant 45 est constitué de la connexion en série du circuit collecteur émetteur d'un transistor 55 et d'une diode 53 polarisés dans la même direction que la diode 43. La base du transistor 55 est reliée à son collecteur par l'intermédiaire d'une diode Zener basse tension 57 couplée thermiquement au transistor 55 pour bénéficier du coefficient de température négatif de la tension Zener et permettre ainsi une adaptation aux conditions thermiques. L'homme de l'art notera que les divers modes de réalisation de la présente invention présentent leurs avantages propres. Par exemple, le premier mode de réalisation ne pourra B7983 - 06-T0-555 9 être avantageusement utilisé que quand la tension de seuil pour laquelle on veut que le dispositif en parallèle 45 entre en conduction correspond à la chute de tension en direct d'un nombre entier de diodes. Un réglage plus fin peut être obtenu lorsque tous les composants de l'élément 45 ont une chute de tension avec un coefficient de température négatif lors du pas-sage d'un courant Ip. Les modes de réalisation des figures 4A et 4C présentent cet avantage. Par ailleurs, l'homme de l'art notera que les diverses réalisations à base de composants en silicium proposées pour réaliser le composant 45 sont, de façon générale, beaucoup moins coûteuses qu'une diode de type diode en carbure de silicium. Selon un avantage des modes de réalisation de la pré-sente invention, le dispositif de protection 45 n'entre en fonctionnement que dans des cas très particuliers où la diode 43 chauffe au-delà d'un seuil. Dans de nombreux montages tels que celui illustré en figure 2, ces périodes de surintensités importantes sont très brèves devant la durée de fonctionnement totale d'un système. Par exemple, dans le cas d'un redresseur élévateur tel que représenté en figure 2, la surintensité n'apparaît sensiblement qu'au moment de la mise en route du système, c'est-à-dire pendant quelques millisecondes, après quoi le système peut fonctionner à consommation nulle ou à consommation nominale réduite pendant des durées très longues, de plusieurs heures, voir de plusieurs journées. Et, pendant les périodes de consommation nominale, on conserve l'avantage des très faibles pertes dans la diode de type SiC. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la diode 43 a été décrite comme étant une diode en carbure de silicium SiC. A titre de variante, cette diode peut être tout type de diode rapide ayant un coefficient de température positif, par exemple une diode en nitrure de gallium GaN. De plus, le composant dipolaire unidirectionnel 43 a 35 été décrit comme étant une diode. A titre de variante, ce compo- B7983 - 06-T0-555 10 sant dipolaire unidirectionnel 43 peut être tout type de composant unidirectionnel ou association unidirectionnelle de composants ayant un coefficient de température total positif. Par ailleurs, bien que l'on ait décrit trois modes de réalisation particuliers du dispositif de dérivation/protection selon l'invention, d'autres structures équivalentes apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Composant dipolaire unidirectionnel à protection en surintensité comprenant, en parallèle : un premier composant dipolaire unidirectionnel (43) à coefficient de température positif ; et un second composant dipolaire unidirectionnel (45) de même polarité que le premier composant dipolaire unidirectionnel (43) ayant une tension de seuil de conduction supérieure à la tension de seuil de conduction à température ambiante du premier composant dipolaire unidirectionnel (43). 2. Composant dipolaire selon la revendication 1, dans lequel le second composant dipolaire unidirectionnel (45) a un coefficient de température négatif. 3. Composant dipolaire selon la revendication 1, dans lequel le premier composant dipolaire unidirectionnel (43) est une diode en un matériau du groupe comprenant le carbure de silicium et le nitrure de gallium. 4. Composant dipolaire unidirectionnel selon la revendication 1, dans lequel le second composant dipolaire unidirectionnel (45) comprend plusieurs diodes en silicium (47) en série. 5. Composant dipolaire unidirectionnel selon la revendication 1, dans lequel le second composant dipolaire unidirectionnel (45) comprend une diode en silicium (49) en série avec une diode Zener (51). 6. Composant dipolaire unidirectionnel selon la revendication 1, dans lequel le second composant dipolaire unidirectionnel (45) comprend une diode en silicium (53), un transistor bipolaire (55) dont l'émetteur est relié à la diode en silicium (53), et une diode Zener (57) montée en inverse et dont l'anode est reliée à la base du transistor bipolaire (55) et dont la cathode est reliée au collecteur du transistor bipolaire (55). 7. Alimentation de tension continue incorporant un redresseur élévateur comportant un circuit dipolaire unidirectionnel selon la revendication 1.