Brevet FR2930091A1 — publié le 20091016

Système à relais statique comprenant deux transistors de type JFET en série La présente invention se rapporte à un système relais statique destiné à être connecté en série avec une charge électrique alimenté en courant alternatif. Il existe des systèmes à relais statiques 1' (appelés également "Solid State Relay" ou SSR) tels que représentés en figure 1 intégrant notamment des interrupteurs de puissance de type thyristors Ti', T2', un fusible 2' ou un disjoncteur 1 o pour protéger les interrupteurs, un capteur de courant 3' et un relais électromécanique 4'. Des moyens de commande 5' permettent de commander les thyristors et de commander le relais électromécanique 4' à l'ouverture lorsque l'intensité du courant mesurée par le capteur de courant 3' dépasse un seuil déterminé. Ce type de système présente les inconvénients suivants : la dissipation thermique des deux thyristors Ti', T2' est importante de sorte que l'emploi d'un dissipateur pour refroidir les composants est nécessaire. Le relais est donc particulièrement encombrant, le fusible 2' ou un disjoncteur est nécessaire pour protéger le circuit. Après un court-circuit, le fusible doit être remplacé ou le disjoncteur doit être réarmé, le capteur de courant 3' est un élément particulièrement coûteux. Le but de l'invention est de proposer un système à relais statique simple, peu coûteux, qui ne nécessite pas une intervention après un court-circuit et dans lequel la 25 dissipation thermique est faible. Ce but est atteint par un système à relais statique destiné à être connecté en série avec une charge électrique alimenté en courant alternatif, caractérisé en ce que le système comprend : deux transistors à effet de champ bidirectionnels montés en série, 30 fabriqués dans un matériau à grande énergie de bande interdite et pouvant fonctionner en limitation de courant, 15 20 des moyens de détection d'un seuil d'une tension aux bornes de chacun des transistors ou des deux transistors, un relais électromécanique monté en série avec les transistors, des moyens de commande pour commander à l'ouverture au moins un transistor ou le relais électromécanique lorsque le seuil de tension est dépassé. Avantageusement, les deux transistors sont de type JFET. Selon une particularité, les deux transistors de type JFET sont reliés par leur source. 1 o Selon une autre particularité, les transistors sont fabriqués en carbure de silicium ou en nitrure de gallium. Selon l'invention, les deux transistors sont par exemple de type JFET normalement fermé dont les grilles sont connectées entre elles le système comprenant alors : deux résistances de polarisation chaque résistance de polarisation étant reliée respectivement entre la grille et la source d'un des transistors de puissance, deux interrupteurs de commande commandés par les moyens de commande, chaque interrupteur de commande étant respectivement connecté en parallèle d'une des résistances de polarisation. Dans cette dernière configuration, le système comporte également deux diodes Zener de limitation connectées en parallèle des résistances de polarisation. Les interrupteurs de commande sont par exemple des transistors de type MOSFET dont les sources sont connectées entre elles et aux grilles des transistors et 25 dont les drains sont reliés à la source d'un transistor correspondant. La grille de chaque transistor MOSFET est alors connectée aux moyens de commande via une résistance de grille. En variante de réalisation, les interrupteurs de commande sont par exemple des micro-interrupteurs de type MEMS commandés à l'aide d'une bobine alimentée par les moyens de commande. 15 20 30 D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un système à relais statique selon l'art antérieur connecté à une charge électrique, la figure 2 représente un système à relais statique selon l'invention connecté à une charge électrique, dans lequel les transistors sont de type normalement ouvert, la figure 3 représente un système à relais statique selon l'invention connecté à une charge électrique, dans lequel les transistors sont de type normalement fermé. La figure 1 a déjà été décrite ci-dessus. En référence aux figures 2 et 3, le système à relais statique 1, 10 est destiné à commander une charge électrique C alimenté en courant alternatif à partir d'une source d'alimentation A. Le système à relais statique 1, 10 de l'invention comporte deux transistors à effet de champ Ti et T2 bidirectionnels, par exemple identiques, montés en série, plus précisément en anti-série ou autrement dit tête-bêche, et réalisés dans un matériau à grande énergie de bande interdite (appelé également "matériau à grand gap" ou "wide- band gap material"), c'est-à-dire présentant une faible résistance à l'état passant RDson et capable de supporter des tensions importantes (supérieures à 1000 V), comme par exemple le carbure de silicium ou le nitrure de gallium (GaN). Ces transistors à effet de champ Ti, T2 sont préférentiellement à jonctions, c'est-à-dire de type JFET ("Junction Field Effect Transistor"). Un transistor JFET est un interrupteur électronique de puissance connu qui comporte une Grille de commande (G) dont la fonction est d'autoriser ou non le passage d'un courant entre un Drain (D) et une Source (S). Un tel transistor est dit de type normalement fermé (ou "Normally ON") si le chemin Drain-Source est passant ou conducteur en l'absence de tension de commande VGS entre Grille et Source. Inversement, un transistor JFET est dit du type normalement ouvert (ou "normally OFF") si le chemin Drain-Source n'est pas conducteur en l'absence de tension VGS entre Grille et Source. Des moyens de commande 5, 50 permettent d'appliquer sur les grilles (G) des deux transistors une même tension VGS pour commander simultanément les deux transistors à l'ouverture ou à la fermeture. Le système à relais statique 1, 10 comporte par ailleurs un relais, par exemple de type électromécanique commandé par les moyens de commande en fonction d'une tension mesurée aux bornes de chacun des transistors Ti et T2 ou aux bornes des deux transistors Ti et T2 en même temps. Si une surcharge de courant est détectée, le relais électromécanique 4, 40 est commandé à l'ouverture pour protéger les transistors. Pour cela, des moyens de détection 3, 30 d'un seuil de tension sont 1 o montés en parallèle de chacun des deux transistors Ti ou T2 ou des deux transistors Ti, et T2 (comme sur les figures 2 et 3) pour détecter la surcharge en courant traversant les transistors. En effet, lorsque le courant qui traverse un transistor JFET est supérieur à son courant de limitation, le transistor passe en limitation entraînant une augmentation de sa résistance interne. De ce fait, la tension aux bornes du 15 transistor augmente également. Les moyens de détection 3, 30 du seuil de tension comportent par exemple un ensemble constitué d'une résistance, d'un optocoupleur et d'une diode transil ou Zener montés en série, cet ensemble étant monté en parallèle de chacun des transistors ou des deux transistors en série. En variante de réalisation, il est possible de prévoir l'ouverture de l'un des transistors ou des deux transistors 20 lorsque la surcharge en courant est détectée. Dans ce cas, le relais électromécanique 4, 40 peut être ouvert ultérieurement, juste pour assurer l'isolation galvanique du circuit. Sur la figure 2, les deux transistors JFETs Ti, T2 utilisés sont de type 25 normalement ouvert. Les deux transistors Ti, T2 sont connectés entre eux par leurs Sources (S), le Drain (D) du premier transistor Ti est connecté à la source d'alimentation A tandis que le Drain (D) du second transistor T2 est connecté à la charge C. Les moyens de commande 5 appliquent directement une même tension VGS sur les deux grilles (G) des transistors Ti, T2 pour les commander à la fermeture. 30 Sur la figure 3, les deux transistors JFETs Ti, T2 du système à relais statique 10 sont de type normalement fermé. Actuellement, un transistor JFET fabriqué dans un matériau à grande énergie de bande interdite et de type normalement fermé offre de meilleures performances que d'autres types de transistors commandés en tension, tels que des MOSFET, des IGBT ou même des transistors JFET de type normalement ouvert. En effet, un tel transistor présente notamment les avantages d'être plus rapide à commuter, de générer moins de pertes en conduction à l'état passant (faible résistance RDson à l'état passant), d'avoir une meilleure tenue en température et d'avoir une taille plus petite. Lorsque les deux transistors Ti, T2 sont de type normalement fermé, il est cependant nécessaire de prévoir un dispositif permettant de maintenir le circuit ouvert en l'absence d'un signal de commande envoyé par les moyens de commande. Le système à relais statique 10 comporte ainsi deux résistances de polarisation R1 et R2 et deux interrupteurs de commande M1 et M2 commandés par les moyens de commande 50. Les transistors Ti et T2 ont leur Grille (G) qui sont reliées entre elles. Les transistors Ti, T2 sont montés tête-bêche en série avec la charge C de telle sorte que le Drain (D) du transistor Ti soit relié au réseau alternatif, le Drain (D) du transistor T2 soit relié à une extrémité de la charge C, et les Sources (S) des transistors Ti, T2 soient reliées ensemble au travers des résistances de polarisation R1, R2. Chaque résistance R1, respectivement R2, est donc connectée entre la Grille et la Source d'un transistor Ti, respectivement T2. De préférence, les transistors Ti et T2 sont identiques, de même que les résistances R1 et R2. Chaque interrupteur de commande M1, respectivement M2, est connecté en parallèle d'une des résistances de polarisation R1, respectivement R2. Les interrupteurs de commande M1, M2 peuvent être des composants électromécaniques, tels que des mini-relais ou des MEMS (Micro Electro Mechanical Switch), ou préférentiellement des composants électroniques semi-conducteurs tels que des transistors MOSFET basse tension. Dans le cas de composants électromécaniques, les moyens de commande envoient un signal de commande dans des bobines d'excitation de M1 et M2. Dans le cas de composants électroniques semi-conducteurs, ce signal de commande est envoyé sur les Grilles des composants M1 et M2, via une résistance de grille. Le système à relais statique 10 peut également comporter deux diodes Zener de protection Z1 et Z2 identiques qui sont connectées en parallèle des résistances de polarisation R1 et R2. La cathode de Z1, respectivement Z2, est reliée à la Source du transistor Ti, respectivement T2, et l'anode de Z1, respectivement Z2, est reliée à la Grille du transistor Ti, respectivement T2. Ces diodes Zener protègent les transistors JFET car elles permettent de toujours limiter les tensions Grille û Source VGS entre leur tension zener VZ (ou tension de claquage) dans un sens (de l'ordre de par exemple -15 V) et leur chute de tension directe dans l'autre sens (par exemple +0,7 V). Le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 3 est le suivant : a. On suppose au départ que la tension réseau UM est nulle (le relais 40 est ouvert), donc les tensions entre Grille et Source VGS1i respectivement VGS2, des transistors JFET Ti, respectivement T2, sont nulles, ce qui fait que ceux-ci sont fermés, car les transistors Ti et T2 sont de type normalement fermé. On suppose également qu'il n'y a pas de signal de commande envoyé par les moyens de commande 50 et donc que les interrupteurs de commande M1, M2 sont à l'état ouvert (non-passant). b. Lors de l'apparition d'une tension réseau UM (le relais 40 est fermé), par exemple une arche dite positive, un courant I commence à circuler dans Ti, R1, R2, T2 dans le sens indiqué par la flèche sur la figure 3. Ce courant I génère très rapidement une tension VR1 positive aux bornes de la résistance R1. Comme VR1 = - VGS1 par construction, la tension VR1 positive crée une tension VGS1 négative entre Grille et Source du transistor JFET Ti. La valeur de R1 est choisie de façon à ce que VGS1 atteigne rapidement la tension de blocage (ou tension de pincement) Vp permettant de faire basculer le transistor JFET Ti à l'état ouvert (non-passant). Le courant traversant R1 chute alors jusqu'à ce que VGS1 repasse au-dessus de la tension de blocage Vp, ce qui rend le transistor JFET Ti de nouveau légèrement passant. Le courant I va donc réaugmenter jusqu'à ce que VR1 atteigne de nouveau la tension de blocage Vp de façon à rebloquer Ti, et ainsi de suite. Durant cette arche positive, le transistor JFET Ti est monté en source de courant, le courant étant ainsi fixé par la résistance R1 et la tension de blocage Vp. Ainsi, l'agencement de Ti et R1 fait que durant une arche positive, le courant I est inférieur ou égal à un courant résiduel de valeur très faible très insuffisant pour alimenter correctement la charge C. Par ailleurs, durant cette arche positive, la diode Zener Z1 est bloquée et la diode Zener Z2 est passante. La tension VZ2 aux bornes de Z2 est donc égale à la chute de tension directe d'une diode Zener (généralement de l'ordre de 0,7 V), ce qui permet de limiter la tension VR2 aux bornes de R2 et donc de limiter la valeur positive de la tension VGS2i de façon à éviter des problèmes de Grille pour le transistor T2. c. Durant l'arche suivante négative, le courant I change de sens et le fonctionnement est similaire à celui décrit ci-dessus avec la résistance R2 et le transistor JFET T2. Le courant 1 circulant en sens négatif entraîne très rapidement une tension VR2 positive aux bornes de la résistance R2. Comme VR2 = -VGS2 par construction, la tension VR2 positive crée une tension VGS2 négative entre Grille et Source du transistor JFET T2. La valeur de R2 est choisie de façon à ce que VGS2 atteigne rapidement la tension de blocage Vp permettant de faire basculer le transistor JFET T2 à l'état ouvert (non-passant). Durant cette arche négative, le transistor JFET T2 est monté en source de courant, le courant étant ainsi fixé par la résistance R2 et la tension de blocage Vp. Ainsi, en l'absence de signal de commande sur les interrupteurs de commande M1, M2, le courant I circulant dans la charge C reste en permanence 1 o inférieur ou égal à ce qui permet d'assurer en toute sécurité que la charge électrique n'est pas commandée en l'absence de signal de commande. d. Lors de l'apparition d'un signal de commande, les interrupteurs de commande M1 et M2 se ferment, ce qui a pour effet de shunter les résistances R1 et R2. Les tensions VR1i VR2 deviennent donc pratiquement nulles (de l'ordre de quelques 15 dizaine de millivolts seulement), car VR1 = RonM1 * I, dans lequel RonM1 est la résistance à l'état passant du transistor MOSFET M1 basse tension qui est très faible et I est le courant circulant dans la charge C. Ceci a pour conséquence de forcer également les tensions Grille-Source VGS1 et VGS2 des transistors Ti et T2 à zéro. Les transistors Ti et T2 deviennent alors tous les deux passants et la charge électrique C est alimentée, 20 quel que soit le sens du courant I. Avantageusement, lors de l'apparition d'un défaut de courant, tel que par exemple un court-circuit les deux transistors Ti et T2 peuvent passer en saturation à partir d'un certain niveau de courant pour ainsi limiter le courant à une valeur faible, nettement inférieure à un courant de défaut. 25 Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS1. Système à relais statique (1, 10) destiné à être connecté en série avec une charge électrique (C) alimenté en courant alternatif, caractérisé en ce que le système comprend : deux transistors (Ti, T2) à effet de champ bidirectionnels montés en série, fabriqués dans un matériau à grande énergie de bande interdite et pouvant fonctionner en limitation de courant, des moyens de détection (3, 30) d'un seuil d'une tension aux bornes de chacun des transistors ou des deux transistors (Ti, T2), un relais électromécanique (4, 40) monté en série avec les transistors (Ti, T2), des moyens de commande (5, 50) pour commander à l'ouverture au moins un transistor ou le relais électromécanique lorsque le seuil de tension est dépassé. 2. Système à relais statique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux transistors (Ti, T2) sont de type JFET. 3. Système à relais statique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux transistors de type JFET sont reliés par leur source (S). 4. Système à relais statique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les transistors (Ti, T2) sont fabriqués en carbure de silicium. 5. Système à relais statique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les transistors (Ti, T2) sont fabriqués en nitrure de gallium. 6. Système à relais statique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux transistors (Ti, T2) sont de type JFET normalement fermé dont les grilles (G) sont connectées entre elles et en ce que le système comporte également : deux résistances de polarisation (R1, R2), chaque résistance de polarisation étant reliée respectivement entre la grille (G) et la source (S) d'un des transistors de puissance, deux interrupteurs de commande (Ml, M2) commandés par les moyens de commande (50), chaque interrupteur de commande (Ml, M2) étant respectivement connecté en parallèle d'une des résistances de polarisation (R1, R2). 7. Système à relais statique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte également deux diodes Zener (Z1, Z2) de limitation connectées en parallèle des résistances de polarisation (R1, R2). 8. Système à relais statique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les interrupteurs de commande (Ml, M2) sont des transistors de type MOSFET dont les sources (S) sont connectées entre elles et aux grilles (G) des transistors (Ti, T2) et dont les drains (D) sont reliés à la source d'un transistor (Ti, T2) correspondant. 9. Système à relais statique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la grille (G) de chaque transistor MOSFET est connectée aux moyens de commande via une résistance de grille. 10. Système à relais statique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les interrupteurs de commande (Ml, M2) sont des micro-interrupteurs de type MEMS commandés à l'aide d'une bobine alimentée par les moyens de commande (50). 25