Brevet FR2929776A1 — publié le 20091009

Circuit de protection d'un interrupteur commandé à semi-conducteur La présente invention concerne un circuit de protection d'un interrupteur commandé à semi-conducteur, ledit interrupteur comportant une électrode d'émetteur, une électrode de collecteur et une électrode de grille, et ayant, lors de son ouverture, une caractéristique de tension entre ses électrodes d'émetteur et de collecteur en fonction du temps dont la pente est prédéterminée, ledit circuit étant prévu pour la protection de l'interrupteur contre les surtensions susceptibles d'apparaître lors de son ouverture entre ses électrodes d'émetteur et de collecteur. Dans un convertisseur de puissance à interrupteurs commandés tels que des transistors bipolaires à grille isolée (ou IGBT, pour Insulated Gate Bipolar Transistor), de type hacheur ou onduleur de tension, il est nécessaire de tenir compte de la présence de l'inductance parasite liée à la réalisation physique de ce dernier. Cette inductance parasite a un effet sur les commutations des interrupteurs de puissance, notamment à l'ouverture de ces derniers, puisqu'elle induit une surtension entre leurs électrodes d'émetteur et de collecteur. Pour une valeur de courant commuté par le transistor et une valeur de tension au blocage du transistor donnée, cette surtension n'est pas destructive pour le composant tant que la tension entre ses électrodes d'émetteur et de collecteur ne dépasse pas une valeur limite définie par l'aire de sécurité (ou SOA, pour Safe Operating Area) du transistor. Un dépassement de cette valeur limite de tension autorisée entraîne une destruction du transistor. Un fonctionnement aux limites du composant devient donc critique sans l'ajout de circuit extérieur. On a déjà proposé, pour résoudre ce problème, de réaliser un circuit d'écrêtage actif en disposant un composant écrêteur du type diode TransilTM, entre le collecteur et la grille du transistor IGBT. Dès que la tension collecteur/émetteur dépasse la tension d'avalanche de la diode TransilTM, un courant est injecté dans la grille, la tension grille émetteur augmente de sorte que l'IGBT fonctionne dans sa zone linéaire et que la tension VCE est réduite. Une telle solution est décrite par exemple dans le document P. Lefranc "Etude, conception et réalisation de circuits de commande d'IGBT de forte puissance", Thèse de doctorat, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 30 novembre 2005. Malheureusement, pour une valeur de courant donnée, si la valeur de la tension au blocage de l'IGBT est très proche de la valeur limite autorisée, la valeur de surtension autorisée est alors très faible. Dans ces conditions, l'utilisation de l'écrêtage actif avec diode TransilTM conduit à une augmentation importante de la durée de la commutation (di/dt du courant du collecteur de valeur faible) et par conséquent à une augmentation des pertes à l'ouverture du composant. Il est donc nécessaire de prévoir une marge suffisante entre la tension au blocage et la valeur limite de tension autorisée. Cette contrainte ne permet pas d'utiliser ce circuit aux limites de fonctionnement du composant. De plus, la réalisation de ce circuit nécessite l'utilisation de diodes TransilTM haute tension, composant dont on ne peut négliger les tolérances ainsi que la résistance dynamique. La présente invention vise à palier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un circuit de protection d'un interrupteur commandé à semi-conducteur, ledit interrupteur comportant une électrode d'émetteur, une électrode de collecteur et une électrode de grille, et ayant, lors de son ouverture, une caractéristique de tension entre ses électrodes d'émetteur et de collecteur en fonction du temps dont la pente est prédéterminée, ledit circuit étant prévu pour la protection de l'interrupteur contre les surtensions susceptibles d'apparaître lors de son ouverture entre ses électrodes d'émetteur et de collecteur, ce circuit comprenant des moyens aptes à diminuer la pente de ladite caractéristique lorsque la tension entre les électrodes de collecteur et d'émetteur dépasse une valeur de seuil prédéterminée. Il en résulte un ralentissement de l'ouverture de l'interrupteur lorsque la tension à ses électrodes d'émetteur et de collecteur dépasse le seuil, et donc une limitation de la surtension. Dans un mode de réalisation particulier, lesdits moyens aptes à diminuer la pente de ladite caractéristique comprennent des moyens pour amener un courant à circuler dans l'électrode de grille de l'interrupteur. Plus particulièrement, lesdits moyens pour amener un courant à circuler dans l'électrode de grille de l'interrupteur peuvent comprendre des condensateurs formant un pont capacitif entre lesdites électrodes de collecteur et d'émetteur, l'électrode de grille étant connectée au point milieu dudit pont par l'intermédiaire de moyens de limitation de tension. Plus particulièrement encore, lesdits moyens de limitation de tension peuvent comprendre une diode zener. Egalement dans un mode de réalisation particulier, ce circuit comprend des résistances en série avec les condensateurs du pont capacitif, de manière à amortir les oscillations dues à ces condensateurs. On peut également prévoir une diode connectée dans le sens conducteur entre l'électrode d'émetteur et ledit point milieu, afin d'éviter de ralentir la fermeture de l'interrupteur. L'invention a également pour objet un convertisseur de puissance à interrupteurs commandés tels qu'IGBT, comprenant au moins un circuit de protection tel que décrit ci-dessus. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un circuit selon l'invention ; - la figure 2 représente l'évolution de la tension collecteur/émetteur VCE et du courant de collecteur le d'un interrupteur du type de celui de la figure 1 lors de son ouverture ; et - les figures 3 et 4 illustrent les essais de circuits selon l'invention effectués sur un transistor IGBT pour deux points de fonctionnement. On voit à la figure 1 un transistor IGBT 1 et son circuit allumeur 2. L'électrode de collecteur C, l'électrode d'émetteur E, et l'électrode de grille G du transistor sont respectivement référencées 3, 4 et 5. Un pont capacitif constitué de deux condensateurs en série 6 et 7 de capacité CI et C2 respectivement est connecté entre l'électrode d'émetteur 4 et l'électrode de collecteur 3. Des résistances 8 et 9 de valeur respective RI et R2 sont mises en série respectivement avec les condensateurs 6 et 7. Le point milieu 10 du pont capacitif, entre la résistance 8 et le condensateur 7, est relié à l'électrode de grille 5 par l'intermédiaire d'une diode zener 11 polarisée en inverse et d'une diode 12 en polarisation directe. Enfin, une autre diode 13 est connectée, en polarisation inverse, entre l'électrode d'émetteur 4 et le point 10. L'augmentation de la tension entre le collecteur C et l'émetteur E du transistor (tension VCE) entraîne l'augmentation du potentiel du point milieu 10 par rapport à l'émetteur E de l'IGBT (tension VAE). Cette augmentation de potentiel est régie par la loi : Cl/~ V, C + C VCE Tant que cette tension est inférieure à la tension de seuil Vz de la diode zener 11, cette dernière est bloquée et la pente de la tension VCE est fixée par la capacité parasite de l'IGBT (capacité Miller) existant entre le collecteur C et l'émetteur E ainsi que par la valeur de la résistance à l'ouverture utilisée dans l'allumeur 2. Lorsque la tension VAE atteint la valeur correspondant à la somme de la tension de seuil de la diode zener 11 et de la tension de Miller VAE Miller entre la grille G et l'émetteur E du transistor IGBT 1, la diode zener 11 devient passante. La conduction de cette dernière conduit à connecter la capacité CI sur la grille G du transistor, et donc à faire passer un courant dans le condensateur 6, la résistance 8, la diode zener 11, la diode 12, et la grille G de l'IGBT. Le fait de connecter la capacité CI entre le collecteur C et la grille G du transistor permet donc de diminuer la valeur de la pente de la tension. De part la conduction de la diode zener 11, la tension VAE reste constante. La diode 13 permet d'éviter au condensateur 7 de se charger négativement lors de la fermeture du transistor. En effet, la pente de la tension serait alors aussi modifiée, ce qui n'est pas souhaité. Les résistances RI et R2 servent à amortir les oscillations dues à la présence des capacités CI et C2. La figure 2 montre en fonction du temps, la variation de la tension VCE entre les électrodes 3 et 4 et du courant IC de collecteur lors de l'ouverture du transistor 1. On voit en particulier sur cette figure, la zone de fonctionnement normal où la courbe illustrant l'évolution de VCE possède la pente prédéterminée mentionnée ci-dessus, et la zone à pente atténuée. Les figures 3 et 4 montrent, lors de l'ouverture du transistor 1, l'évolution de la tension VCE et du courant de collecteur IC dans le plan VCE / IC. Dans la figure 3, la courbe 15 représente l'ouverture du transistor sans le circuit de l'invention, et la courbe 16 avec ce circuit, pour un courant commuté de 3000 A et une tension au blocage de 3000 V. Pour cette valeur de courant donnée, sans l'invention la limite de l'aire de sécurité du composant est atteinte. Avec l'invention, la limite de l'aire de sécurité du composant n'est pas atteinte et il est encore possible d'augmenter la valeur du courant commuté. Dans la figure 4, où l'invention est utilisée, la limite de sécurité est atteinte sous 3000 V mais avec un courant commuté de 3700 A. REVENDICATIONS1. Circuit de protection d'un interrupteur (1) commandé à semi-conducteur, ledit interrupteur comportant une électrode d'émetteur (4), une électrode de collecteur (3) et une électrode de grille (5), et ayant, lors de son ouverture, une caractéristique de tension entre ses électrodes d'émetteur et de collecteur en fonction du temps dont la pente est prédéterminée, ledit circuit étant prévu pour la protection de l'interrupteur contre les surtensions susceptibles d'apparaître lors de son ouverture entre ses électrodes d'émetteur et de collecteur, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (6, 7, 11) aptes à diminuer la pente de ladite caractéristique lorsque la tension entre les électrodes de collecteur et d'émetteur dépasse une valeur de seuil prédéterminée. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens aptes à diminuer la pente de ladite caractéristique comprennent des moyens pour amener un courant à circuler dans l'électrode de grille de l'interrupteur. 3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel lesdits moyens pour amener un courant à circuler dans l'électrode de grille de l'interrupteur comprennent des condensateurs (6, 7) formant un pont capacitif entre lesdites électrodes de collecteur et d'émetteur, l'électrode de grille étant connectée au point milieu (10) dudit pont par l'intermédiaire de moyens (11) de limitation de tension. 4. Circuit selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de limitation de tension comprennent une diode zener (11). 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, comprenant des résistances (8, 9) en série avec les condensateurs du pont capacitif. 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, comprenant une diode (13) connectée dans le sens conducteur entre l'électrode d'émetteur et ledit point milieu. 7. Convertisseur de puissance à interrupteurs commandés tels qu'IGBT, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un circuit de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes.