Brevet FR2920613A1 — publié le 20090306

DISPOSITIF DE COMMPNDE D'UN TRANSISTOR HAUTE TENSION La présente invention concerne un dispositif de commande d'un transistor haute tension prévu pour être commuté à des hautes fréquence de l'ordre de plusieurs MHz. Un exemple d'un tel transistor peut être le transistor MOS mis en œuvre dans les générateurs de haute tension alternative radiofréquence décrits en détail dans les demandes de brevet suivantes FR 03-10766, FR 03-10767 et FR 03-10768 déposées au nom de la demanderesse, utilisant un montage dit amplificateur de puissance Classe E. Ces générateurs sont par exemple utilisés pour l'allumage radiofréquence commandé d'un mélange gazeux dans des chambres de combustion d'un moteur à combustion interne. En effet, l'application d'une haute tension alternative dans la gamme des radiofréquences aux bornes d'une bougie, dite bougie multi-étincelles, permet de développer des décharges mufti-filamentaires entre les électrodes de la bougie, sur des distances de l'ordre du centimètre, à forte pression et pour des tensions crête inférieures à 20 kV. La réalisation d'un générateur de haute tension radiofréquence selon les principes décrits dans les demandes de brevet précitées, nécessite la commande rapide d'un transistor haute tension, ayant sa source à la masse. Or, les dispositifs de commande (ou � drivers � selon une terminologie anglo-saxonne) utilisés actuellement pour commander de tels transistors MOS sous haute tension et pour des fréquences de commutation de plusieurs MHz présentent pour la plupart des délais de propagation entre l'entrée et la sortie trop important pour le mode de commande envisagé. La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de commande optimisé pour répondre aux performances requises, et détaillé par ailleurs dans la demande de brevet FR 05-07211 déposée au nom de la demanderesse. Le dispositif de la figure 1 présente un temps de propagation entre l'entrée IN et la sortie OUT de l'ordre de 20ns avec un temps de montée de l'ordre de 15ns. Sur la figure 1, le dispositif de commande DISP du transistor haute tension MHT, ayant sa source à la masse GND, appartient par exemple à un générateur de haute tension alternative radiofréquence GEN utilisé par exemple pour l'allumage commandé de moteurs à combustion interne. Le dispositif DISP comporte une borne d'entrée IN apte à recevoir un signal logique de commande pouvant prendre un état logique haut (par exemple 5V) ou un état logique bas (par exemple 0 V). Le signal logique de commande attaque les entrées 2, 3, 4 et 5 d'un circuit logique MOS de la famille 74AC, référencé ICL, par exemple le circuit 74AC541 commercialisé par la société Fairchild. Le signal logique de commande attaque également, par l'intermédiaire d'un réseau de déphasage formé de la résistance R1, de la diode Dl et du condensateur Cl, et dont on reviendra plus en détails sur la fonctionnalité ci-après, quatre autres entrées du circuit ICL, à savoir les entrées 6, 7, 8 et 9. Comme illustré plus particulièrement à la figure 2, les entrées 2, 3, 4 et 5 sont reliées à quatre portes, par exemple du type de la famille AC14, montées en parallèle et formant un premier circuit amplificateur AMP1. De même, les entrées 6, 7, 8 et 9 sont reliées à quatre autres portes, du même type, également montées en parallèle, et formant un deuxième circuit amplificateur AMP2. Chacune de ces portes logiques est capable de délivrer en sortie un courant de 50 mA, ce qui permet d'obtenir en sortie de chaque circuit amplificateur un courant de 200 mA permettant une bonne commande des transistors de commande que l'on va détailler ci- après. La sortie S1 du premier circuit amplificateur AMP1 est reliée à un circuit de liaison capacitif, symétriseur de signal, formé d'un condensateur C2, d'un transistor Q1 monté en diode rapide, et d'une résistance R2, ces trois composants étant montés en série à la sortie du circuit amplificateur. Ce circuit de liaison capacitif permet de commander en courant sur son émetteur un transistor bipolaire Q2, agencé selon un montage base commune, c'est-à-dire avec sa base reliée à la masse. Le collecteur du transistor Q2 est relié par l'intermédiaire d'une résistance R3 à la tension d'alimentation VDD, qui est par exemple la tension de batterie 12V. Le transistor Q2 et la résistance R3 forment ainsi un étage translateur de niveau. Le collecteur du transistor Q2 est également connecté à la grille d'un premier transistor de commande Q5, qui est un transistor PMOS, par ailleurs connecté entre la tension d'alimentation VDD et la borne de sortie OUT du dispositif de commande. Le collecteur du transistor Q2 est de préférence connecté à la grille de Q5 par l'intermédiaire d'un étage push-pull, classiquement constitué de deux transistors Q3 et Q4. Le transistor Q5 présente de préférence une tension de seuil de l'ordre de 5V et peut être facilement commandé sous une tension de 10V. Le montage base commune du transistor Q2 permet d'obtenir une rapidité de commutation importante même quand la tension d'alimentation est faible (par exemple, au démarrage d'un véhicule, la tension batterie peut chuter à moins de 8V). En conséquence, il est nécessaire d'appliquer une tension négative sur son émetteur pour assurer sa commutation, ce qui est réalisé par le circuit de liaison capacitif C2/Q1/R2, Q1 étant réalisé en diode rapide. La sortie S2 du deuxième circuit amplificateur AMP2 est quant à elle directement reliée à la grille d'un deuxième transistor de commande Q6, qui est un transistor NMOS. Le transistor de commande Q6 a une impédance interne, relativement à la masse, extrêmement faible, par exemple de l'ordre de 0,1 Ohm. Le transistor Q6 est par ailleurs connecté entre la masse GND et la borne de sortie OUT du dispositif de commande. Ainsi, pendant une alternance positive sur la borne d'entrée IN, c'est-à-dire lorsque le signal logique de commande d'entrée passe à l'état haut, le condensateur C2 se charge à travers le transistor Ql qui est utilisé en diode rapide jusqu'à une tension de l'ordre de la différence entre la tension d'alimentation du circuit logique MOS ICL et la tension de seuil de la diode. Lorsque le signal d'entrée passe à l'état logique bas (0 V), la sortie du circuit ICL passe également à une tension presque nulle et la tension aux bornes du condensateur C2 permet d'imposer un potentiel négatif sur la résistance R2 et donc de faire commuter le transistor Q2 de façon très violente. Le transistor de commande PMOS Q5 devient alors passant quelques nano secondes après. Par contre, lorsque le signal logique d'entrée est à l'état haut, le transistor Q5 se bloque et le transistor Q6 conduit. Pour s'assurer que les deux transistors de commande Q5 et Q6 ne commutent pas en même temps, on utilise avantageusement le réseau de déphasage formé de la résistance Rl en parallèle avec la diode Dl, et du condensateur Cl qui permet de décaler temporellement le signal logique de commande délivré en entrée du premier circuit amplificateur, de celui délivré en entrée du deuxième circuit amplificateur, ces deux circuits étant réalisés dans le circuit logique MOS ICL. De cette manière, le transistor MOS haute tension MHT est commandé par des créneaux de tension +12V/OV. Lorsque le transistor Q6 conduit, le transistor MOS haute tension MHT se bloque. Il apparaît alors une forte impulsion de courant sur la grille du transistor MHT. Mais, en raison de la faible impédance interne du transistor Q6, cette forte impulsion de courant ne se traduit pas par une tension sur la grille du transistor MHT suffisamment élevée pour permettre sa remise en conduction, ce qui conduirait alors à une oscillation indésirable du transistor MHT. En d'autres termes, la faible impédance interne du 30 transistor de commande Q6 permet d'assurer effectivement un blocage correct du transistor haute tension MHT. Cependant, il apparaît que la commande du transistor haute tension MHT qui vient d'être décrite en référence à la figure 1 n'est pas optimale, car elle implique un temps de commutation du transistor MHT, notamment lors de sa mise à l'état bloqué trop long. La présente invention vise à résoudre au moins en partie cet inconvénient, en permettant de diminuer le temps de commutation du transistor MHT lors de sa mise à l'état bloqué. Avec cet objectif en vue, l'invention concerne un dispositif de commande d'un transistor, comprenant une borne d'entrée apte à recevoir un signal logique de commande, une borne de sortie apte à délivrer un signal de commande dudit transistor, un premier transistor PMOS de commande connecté entre une borne d'alimentation positive et la borne de sortie et dont la grille est connectée à la borne d'entrée par l'intermédiaire d'un premier transistor bipolaire agencé en montage base commune et commandé en courant sur son émetteur par un circuit de liaison capacitif, ledit dispositif de commande étant caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième transistor NMOS de commande connecté entre une borne d'alimentation négative et la borne de sortie et dont la grille est connectée à la borne d'entrée par l'intermédiaire d'un deuxième transistor bipolaire agencé en montage base commune et commandé en courant sur son émetteur. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend une première résistance connectée à l'émetteur du deuxième transistor bipolaire et une deuxième résistance connectée entre le collecteur du deuxième transistor bipolaire et la borne d'alimentation négative. De préférence, le dispositif comprend un étage push-pull connecté entre la grille du deuxième transistor NMOS de commande et le collecteur du deuxième transistor bipolaire. Selon un mode de réalisation, le circuit de liaison capacitif comprend un condensateur connecté à la borne d'entrée, une résistance connectée à l'émetteur du premier transistor bipolaire et un moyen formant diode connecté en série entre la résistance et le condensateur. Avantageusement, le dispositif comprend une résistance connectée entre le collecteur du premier transistor bipolaire et la borne d'alimentation positive. De préférence, le dispositif comprend un étage push-pull connecté entre la grille du premier transistor PMOS de commande et le collecteur du premier transistor bipolaire. De préférence, le dispositif comprend encore un premier circuit amplificateur connecté entre la borne d'entrée et le circuit de liaison capacitif, et un deuxième circuit amplificateur connecté entre la borne d'entrée et la première résistance connectée à l'émetteur du deuxième transistor bipolaire. L'invention concerne encore l'utilisation du dispositif tel qu'il vient d'être décrit, à la commande d'un transistor d'un générateur haute tension radiofréquence pour la génération de plasma dans l'une des mises en oeuvre suivantes allumage commandé de moteur à combustion, allumage dans un filtre à particules, allumage de décontamination dans un système de climatisation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de commande d'un transistor haute tension selon l'art antérieur et a déjà été décrite ; - la figure 2 illustre plus en détail une partie du dispositif de la figure 1 et a déjà été décrite ; - la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un 10 dispositif de commande selon l'invention. Le mode de réalisation du dispositif selon l'invention qui va être décrit ci-après en référence à la figure 3 se base sur celui de la figure 1, dont il constitue une évolution en vue de répondre au problème 15 susmentionné. Les éléments en commun aux différentes figures gardent les mêmes références. La partie du dispositif de la figure 3 entourée d'une ligne en pointillé correspond à la partie permettant de générer la sortie � high side � de commande 20 du transistor MHT, i.e. la sortie côté alimentation par rapport à la masse, fournie par l'intermédiaire du transistor de commande Q5 connecté en série entre la borne d'alimentation positive VDD et la borne de sortie OUT du dispositif. Cette partie du dispositif de commande 25 selon l'invention étant identique à celle qui vient d'être décrite en référence à la figure 1, nous ne reviendrons pas sur son fonctionnement. Par contre, l'autre partie du dispositif de commande est particulièrement remarquable en ce qu'elle 30 permet d'imposer une tension négative sur la grille du transistor MHT pour commander le blocage de ce dernier, via le deuxième transistor de commande NMOS Q6. Pour ce faire, le deuxième transistor de commande Q6 est connecté entre une borne d'alimentation négative VDD n et la borne de sortie OUT du dispositif. L'alimentation VDD étant de préférence égale à +12V, l'alimentation VDD n est alors choisie égale à -12V, de manière à pouvoir obtenir la symétrie +/-12V pour la commande du transistor MHT. Le dispositif de la figure 3 nécessite donc la mise en oeuvre d'une deuxième source de tension, susceptible de générer une tension négative de - 12V. Une telle source de tension est connue de l'homme du métier et ne sera pas décrite plus en détail ici. Afin d'obtenir de faibles temps de commutation, la grille du transistor de commande Q6 est connectée à la borne d'entrée du dispositif par l'intermédiaire d'un deuxième transistor bipolaire Q9, agencé en montage base commune et commandé en courant sur son émetteur. Plus précisément, la sortie S2 du deuxième circuit amplificateur AMP2 est reliée à une première résistance R6 connectée à l'émetteur du transistor bipolaire Q9, pour sa commande en courant. Le collecteur du transistor Q9 est par ailleurs relié à la borne d'alimentation négative VDD _n par l'intermédiaire d'une deuxième résistance R5. Le rapport entre les valeurs respectives des résistances R6 et R5 pourra avantageusement permettre d'obtenir les niveaux de tension appropriés au niveau du collecteur du transistor Q9. Le collecteur du transistor Q9 est également connecté à la grille du transistor de commande Q6, par l'intermédiaire d'un étage push-pull, constitué de deux transistors Q7 et Q8. Le montage base commune du transistor Q9, associé à l'étage push-pull Q7/Q8, permet avantageusement de piloter le transistor de commande Q6 très rapidement. Lorsque ce dernier est rendu passant, la tension Vgs appliquée entre la grille et la source du transistor MHT est proche de -12V. Le fait de commander le transistor MHT par une tension négative fournie via le transistor de commande Q6 avec sa dynamique de commande particulière reposant sur l'utilisation du transistor bipolaire Q9 monté en base commune, permet de diminuer significativement le temps de commutation du transistor MHT au blocage. Le temps de commutation du transistor MHT à sa mise à l'état passant étant également très rapide, les pertes par commutation sont avantageusement fortement réduites. Le dispositif de commande selon l'invention permet donc d'imposer une tension grille source Vgs du transistor MHT égale à +12V/-12V, avec un rapport cyclique de 50%. On obtient ainsi une commande symétrique (+12V/-12V) du transistor MHT, par l'intermédiaire des deux transistors de commande Q5 et Q6, qui pilotent le transistor MHT avec une dynamique de l'ordre de quelques nanosecondes, grâce au montage décrit. En plus de réduire les pertes par commutation, une telle commande permet avantageusement d'obtenir un fonctionnement optimal de l'étage d'amplification de type classe E dans lequel est intégré le transistor MHT. Revendications 1. Dispositif de commande d'un transistor (MHT), comprenant une borne d'entrée (IN) apte à recevoir un signal logique de commande, une borne de sortie (OUT) apte à délivrer un signal de commande dudit transistor (MHT), un premier transistor PMOS de commande (Q5) connecté entre une borne d'alimentation positive (VDD) et la borne de sortie et dont la grille est connectée à la borne d'entrée par l'intermédiaire d'un premier transistor bipolaire (Q2) agencé en montage base commune et commandé en courant sur son émetteur par un circuit de liaison capacitif (C2, Q1, R2), ledit dispositif de commande étant caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième transistor NMOS de commande (Q6) connecté entre une borne d'alimentation négative (VDD n) et la borne de sortie et dont la grille est connectée à la borne d'entrée par l'intermédiaire d'un deuxième transistor bipolaire (Q9) agencé en montage base commune et commandé en courant sur son émetteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première résistance (R6) connectée à l'émetteur du deuxième transistor bipolaire (Q9) et une deuxième résistance (R5) connectée entre le collecteur du deuxième transistor bipolaire (Q9) et la borne d'alimentation négative (VDD n). 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un étage push-pull (Q7, Q8) connecté entre la grille du deuxième transistor NMOS de commande (Q6) et le collecteur du deuxième transistor bipolaire (Q9). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de liaison capacitif comprend un condensateur (C2) connecté à la borne d'entrée (IN), une résistance (R2) connectée à l'émetteur du premier transistor bipolaire (Q2) et un moyen formant diode (Q1) connecté en série entre la résistance et le condensateur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance (R3) connectée entre le collecteur du premier transistor bipolaire (Q2) et la borne d'alimentation positive (VDD). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un étage push-pull (Q3, Q4) connecté entre la grille du premier transistor PMOS de commande (Q5) et le collecteur du premier transistor bipolaire (Q2). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un premier circuit amplificateur (AMPl) connecté entre la borne d'entrée et le circuit de liaison capacitif, et un deuxième circuit amplificateur (AMP2) connecté entre la borne d'entrée et la première résistance (R6) connectée à l'émetteur du deuxième transistor bipolaire (Q9). 8. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, à la commande d'un transistor (MHT) d'un générateur haute tension radiofréquence (GEN) pour la génération de plasma dans l'une des mises en œuvre suivantes : allumage commandé de moteur à combustion, allumage dans un filtre à particules, allumage de décontamination dans un système de climatisation.