Brevet FR2937811A1 — publié le 20100430

i Dispositif de protection d'un circuit électronique comportant au moins un transistor de type JFET ou MESFET DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de protection d'un circuit électronique comportant au moins un transistor de type JFET ou MESFET, tel qu'un convertisseur ou un onduleur par exemple, alimenté par un bus continu haute tension afin de répondre aux exigences de sécurité requise notamment dans le domaine des applications aéronautiques. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Il est possible d'utiliser des convertisseurs ou des onduleurs comportant un ou plusieurs transistors JFET, selon l'acronyme Anglo-saxon � Junction Field Effect Transistor �. Ces transistors JFET sont des composants électroniques qui sont naturellement à l'état passant et qui nécessitent une tension négative pour ne pas être conducteur. Les transistors JFET sont des composants aptes à tenir des tensions supérieures au Kilovolt et sa propriété � normally on � et limiteur de courant permet de réaliser des fonctions d'interface haute tension/basse tension ou limiteur de courant haute tension. En l'absence de tension négative sur les grilles, lors de la mise sous tension d'un onduleur comportant des transistors à JFET, ces derniers sont en court circuit. Il en est de même quand les drivers de grille de l'onduleur ne sont pas opérationnels. Les transistors JFET limitent naturellement le courant et peuvent supporter le court circuit sous pleine tension pour des durées pouvant atteindre jusqu'à plusieurs millisecondes. Les exigences de sécurité, notamment dans le domaine de l'aéronautique, imposent que l'équipement, tel qu'un onduleur ou un convertisseur par exemple, ne doit pas avoir de dysfonctionnement à la mise sous tension, à l'extinction, ou même pendant les transitoires des tensions réseaux des différentes alimentations électriques. On notera que le problème de dysfonctionnement à la mise sous tensions, à l'extinction ou pendant les transitoires s'applique également aux circuits électroniques comportant au moins un transistor de type MESFET selon l'acronyme anglo-saxon � Metal Epitaxial Semiconductor Field Effect Transistor �. Un composant MESFET est sensiblement similaire à un composant JFET. La principale différence est qu'en lieu et place d'une jonction p-n pour une porte, une jonction � Schottky �, c'est-à-dire une jonction métal-semiconducteur, est utilisée. L'un des buts de l'invention est donc de pouvoir bloquer les transistors JFET de manière indépendante quelque soit l'état des circuits de commande de grille 'drivers' de l'onduleur notamment. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Il existe donc un besoin important pour protéger un circuit électronique comportant au moins un transistor de type JFET ou MESFET alimenté par une source de tension. L'un des buts de l'invention est donc de proposer un dispositif de protection d'un 20 circuit électronique comportant un ou plusieurs transistors de type JFET ou MESFET de conception simple, peu onéreuse et fiable. A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé un dispositif de protection d'un circuit électronique comportant au moins un transistor de type JFET et/ou MESFET alimenté par une source de tension remarquable en ce qu'il comporte 25 au moins des moyens dits inverseurs pour inverser la tension du bus continu haute tension, lesdits moyens inverseurs étant connectés à la grille dudit transistor JFET et/ou MESFET pour bloquer ce dernier. Ainsi le dispositif assure une auto protection utilisant directement la tension du bus de puissance pour générer une tension bloquant le ou les transistors JFET et/ou 30 MESFET. Le dispositif suivant l'invention peut ainsi fonctionner en permanence ou en régime transitoire. Selon une première variante d'exécution du dispositif suivant l'invention, lesdits moyens inverseurs sont montés en série avec le circuit électronique. De préférence, lesdits moyens inverseurs sont constitués d'une diode, d'un limiteur et d'une diode Zener montés en série, les bornes desdits moyens inverseurs étant connectées aux bornes d'une self-inductance. Accessoirement, lesdits moyens comportent une capacité montée en parallèle avec la diode Zener. Selon une seconde variante d'exécution du dispositif de protection conforme à l'invention, lesdits moyens inverseurs sont montés en parallèle avec le circuit électronique. De préférence, le dispositif comporte des moyens dits abaisseurs pour abaisser la tension à appliquer à la grille du transistor JFET et/ou MESFET. Lesdits moyens d'abaisseurs de tension sont constitués d'une résistance et d'une capacité montés en série entre le drain et la grille du transistor JFET et/ou 15 MESFET. De manière alternative, les moyens abaisseurs de tension sont constitués d'une part d'un transistor bipolaire, d'une diode Zener, et d'une capacité montés en série entre l'émetteur et la base du transistor bipolaire, et d'autre part d'une résistance montée entre la base et le collecteur dudit transistor bipolaire. 20 Par ailleurs, les moyens inverseurs de tension consistent soit en un convertisseur DC/DC inverseur de tension, soit en un convertisseur à transformateur d'isolement, soit dans une pompe de charge et un condensateur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, du dispositif de protection d'un circuit électronique conforme à l'invention, en référence au dessin annexé sur lequel : 30 - la figure 1 est une vue schématique d'un circuit électronique comportant un dispositif de protection monté en série sur le circuit d'alimentation, - la figure 2 est une représentation schématique du dispositif de protection conforme à l'invention monté en série sur le circuit d'alimentation, - la figure 3 est un schéma électrique d'un mode de réalisation particulier de l'invention du dispositif de protection monté en série sur un circuit d'alimentation d'un circuit électronique comportant deux transistors JFET, - la figure 4 est une représentation graphique de la tension et de l'intensité du courant entre les drains des transistors JFET du circuit représenté sur la figure 3, au cours du temps, - la figure 5 est une représentation graphique de la tension et de l'intensité du courant entre les bornes des drains des transistors JFET du circuit électronique représenté sur la figure 3, au cours du temps, - la figure 6 est une représentation graphique de la tension et de l'intensité du courant entre les drains des transistors JFET du circuit électronique représenté sur la figure 3, au cours du temps, - la figure 7 est une représentation schématique d'un circuit électronique comportant au moins un transistor JFET et un dispositif de protection monté en parallèle sur le circuit d'alimentation dudit circuit électronique, - la figure 8 est un schéma électrique schématique du dispositif de protection monté en parallèle sur le circuit d'alimentation du circuit électronique représenté à la figure 7, - la figure 9 est une représentation schématique d'un circuit abaisseur de tension, - la figure 10 est une représentation schématique d'une variante d'exécution d'un circuit abaisseur de tension à transistor bipolaire, - la figure 11 est une représentation schématique d'un circuit électronique comportant des moyens abaisseurs de tension et des moyens inverseurs de tension pour bloquer le JFET haut d'un circuit à JFET de type onduleur.30 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, un circuit électronique 1 comportant un ou plusieurs transistors de type JFET, tel qu'un onduleur alimentant un moteur 2 par exemple, ledit circuit électronique 1 étant alimenté par un bus continu haute tension 3 comporte un dispositif de protection dudit circuit électronique 1. Ledit dispositif de protection est constitué de moyens dits inverseurs 4 pour inverser la tension du bus continu haute tension 3, lesdits moyens inverseurs 4 étant connectés à la grille du transistor JFET pour bloquer ce dernier comme il sera détaillé plus loin. Lesdits moyens inverseurs 4 sont montés en série avec le circuit électronique 1 afin d'assurer la protection dudit circuit électronique 1 dans les phases transitoires. On notera que les moyens inverseurs 4 assurant une autoprotection du circuit électronique sont indépendants des drivers 5 dudit circuit électronique 1. Par ailleurs, il est bien évident que le transistor JFET pourra être substitué par un transistor MESFET sans pour autant sortir du cadre de l'invention. En référence à la figure 2, les moyens inverseurs 4 sont montés en série avec la grille du transistor JFET 6 du circuit électronique 1, lesdits moyens inverseurs 4 récupérant la tension négative apparaissant aux bornes d'une self-inductance 7 série lors de la mise sous tension ou lors de transitoires. On notera que l'élément Z1 connecté aux bornes du bus d'alimentation 8 et à la source 9 du transistor JFET est une self-inductance qui peut, par exemple, être un élément du filtre d'entrée de compatibilité électromagnétique (CEM) du circuit électronique 1. Accessoirement, les moyens inverseurs 4 peuvent comporter une capacité C dont les bornes sont connectées respectivement à l'une des bornes de la self-inductance série 7 et à la grille du transistor JFET 6, c'est-à-dire en parallèle sur l'entrée de commande du JFET, afin de maintenir la tension négative obtenue par les moyens inverseurs. En référence à la figure 3, dans laquelle on a représenté schématiquement un bras d'un onduleur, ledit bras de l'onduleur comportant deux transistors JFET 6a et 6b, un transistor JFET haut 6a et un transistor JFET bas 6b, le dispositif de protection suivant l'invention comporte deux moyens inverseurs 4a et 4b de tension respectivement montés en série avec chaque transistor JFET 6a et 6b de l'onduleur. Chaque moyen inverseur 4a,4b est constitué d'une diode 9, d'un limiteur 10 et d'une diode Zener 11 montés en série, les bornes desdits moyens inverseurs 4a,4b étant connectées aux bornes d'une self-inductance 7. Il est bien évident que la diode Zener 11 pourra être remplacée par tout dispositif écrêteur ou limiteur de tension connu de l'homme du métier. De la même manière que précédemment, chaque moyen inverseur 4a,4b peut comporter un condensateur en parallèle sur la diode Zener 11 sans pour autant sortir du cadre de l'invention. En cas de disparition de l'alimentation des drivers 5 de l'onduleur (figure 1), non représentés sur la figure 3, les moyens inverseurs 4a,4b montés en série ne fournissent pas directement une tension négative. Toutefois, lors de la reprise de conduction des transistors JFET 6a,6b de l'onduleur, l'appel de courant, c'est-à-dire l'appel de court-circuit, est apte à permettre la génération d'une tension négative. De plus, si l'alimentation du driver 5 est accidentellement coupée alors que la tension +Vbus existe, les deux transistors JFET 6a,6b peuvent être mis en court-circuit protégeant ainsi l'onduleur. Il est bien évident que le dispositif de protection pourra ne comporter que des 20 moyens inverseurs 4 sur le JFET haut 6a ou que sur le transistor JFET bas 6b sans pour autant sortir du cadre de l'invention. On observera que, en référence à la figure 4, en l'absence de dispositif de protection conforme à l'invention, la valeur du courant de court circuit est limitée par le transistor JFET du circuit électronique. 25 Dans l'hypothèse où les moyens inverseurs ne sont positionnés que sur le transistor JFET haut 6a, en référence aux figures 3 et 5, on notera que le courant de court circuit est bien annulé, mis à part un pic à la mise sous tension réduit à 1A. Pour les valeurs de temps grandes, la tension grille du transistor JFET haut est modifiée par couplage avec la variation du bus d'alimentation et on voit apparaître à 30 nouveau un courant de court-circuit. La tension � com-voltage � du point milieu du bras reste à 0 car le transistor JFET bas est � normally-on �. De la même manière, en référence à la figure 6, dans l'hypothèse où les moyens inverseurs ne sont positionnés que sur le transistor JFET bas 6b, on notera que le courant du court-circuit est bien annulé mis à part le petit pic de 1A à la mise sous tension. Pour les valeurs de temps plus grandes, la tension grille du transistor JFET bas 6b est modifiée par couplage avec les variations du bus d'alimentation et on voit apparaître à nouveau un courant de court-circuit. La tension � com-voltage � du point milieu du bras prend des valeurs élevées, supérieures à la tension d'entrée � input-voltage � car le transistor JFET bas 6b est bloqué par le dispositif de protection et qu'il y a des phénomènes liés à la ligne d'alimentation et les capacités de l'onduleur. On observera qu'il sera éventuellement possible d'utiliser des transistors JFET en limiteur de tension pour ralentir l'action du dispositif de protection pour maitriser les gradients électriques. Selon une variante d'exécution du dispositif de protection d'un circuit électronique 1, en référence aux figures 7 et 8, ce dernier est constitué d'une part de moyens dit inverseurs 4 pour inverser la tension du bus continu haute tension et d'autre part de moyens dits abaisseurs 10 montés en série avec les moyens inverseurs 4 pour abaisser la tension à appliquer à la grille 11 du transistor JFET 6, lesdits moyens étant connectés à la grille 11 dudit transistor JFET 6 pour bloquer ledit transistor JFET en régime permanent. De la même manière que précédemment, le circuit électronique 1 comporte un ou plusieurs transistors de type JFET, tel qu'un onduleur alimentant un moteur 2 par exemple, ledit circuit électronique 1 étant alimenté par un bus continu haute tension 3. Lesdits moyens inverseurs 4 et abaisseurs 10 sont montés en parallèle avec le circuit électronique 1 et sont indépendants du driver 5. Ce montage en parallèle permet d'assurer la protection du circuit électronique 1 en régime permanent. On notera que les moyens inverseurs 4 assurant une autoprotection du circuit électronique sont indépendants des drivers 5 dudit circuit électronique 1. En référence à la figure 9, les moyens abaisseurs 10 de tension sont constitués d'une résistance 12 RG et d'une capacité 13 montée en série entre le drain 14 et la grille 15 du transistor JFET 6. On observera que les moyens abaisseurs 10 peuvent accessoirement comprendre une seconde résistance 16 Rc ; Toutefois, cette résistance Rc n'est pas indispensable. En effet, elle permet de régler le niveau de courant et donc la consommation du dispositif ou encore la puissance disponible sur la sortie (out). Par ailleurs, le noeud � plus � du circuit est connecté directement, ou indirectement s'il y a un filtre, au potentiel positif du bus d'alimentation, non représenté sur la figure 9. Le noeud de référence � ref � est connecté directement, ou indirectement s'il y a un filtre, au potentiel négatif dudit bus d'alimentation. Lorsqu'une tension positive est appliquée entre les noeuds � plus � et � ref �, le transistor JFET 6 est conducteur. En effet le transistor JFET 6 est conducteur car d'une part, c'est un composant normalement passant et d'autre part, sa grille est court-circuitée à la source à travers la résistance 12 Rg. Le condensateur 13 se charge donc progressivement et la tension grille 15-source 9 devient donc de plus en plus négative : Vis= VCTRL û VREF. Lorsque cette tension devient supérieure en valeur absolue à la tension de seuil VTo, le transistor JFET 6 se bloque. Dès lors, un mécanisme d'asservissement maintient le potentiel du noeud � out � proche de VTO, à savoir la tension de seuil. La présence de la seconde résistance 16 optionnelle Rc permet de réduire le courant. La résistance 12 Rg permet quant à elle de bloquer le transistor JFET 6 en appliquant une tension négative inférieure à la tension de seuil Vu sur le noeud de contrôle � ctrl � par exemple dès que l'alimentation du driver est opérationnelle, ledit driver n'étant pas représenté sur la figure 9. On notera qu'en utilisant un transistor JFET en carbure de silicium, ou tout autre matériau fonctionnant à haute température, ce circuit abaisseur de tension 10, et par conséquent le dispositif de protection suivant l'invention, fonctionne à haute température. En référence à la figure 10, selon une variante d'exécution des moyens abaisseurs 10 de tension du dispositif de protection suivant l'invention, ces derniers sont constitués d'une part d'un transistor bipolaire 17, d'une diode Zener 18 et d'une capacité 19 montés en série entre l'émetteur et la base du transistor bipolaire 17, et d'autre part d'une résistance 20 montée entre la base et le collecteur dudit transistor bipolaire 17. Lors de l'application d'une tension bus positive, le bus d'alimentation portant la référence 8 sur la figure 10, le transistor bipolaire 17 est initialement bloqué, le condensateur 19 est déchargé et le potentiel du noeud � out � est égale à celui du noeud de référence � ref �. Le courant traversant la résistance 20 polarise positivement le transistor bipolaire 17 et le courant collecteur augmente. La capacité 19 se charge et le potentiel du noeud � out � augmente. Le potentiel de la base suit ainsi le potentiel du noeud � out �, à Vbe près. On entend par Vbe la tension entre la base et l'émetteur du transistor bipolaire 17. En polarisation directe la tension Vbe d'un transistor bipolaire reste un peu inférieure à la bande interdite du matériau. Lorsque le potentiel de base atteint la tension Zener de la diode 18, il reste à cette valeur et le potentiel du noeud � out � reste juste en dessous. La diode Zener 18 est basse tension et peut avantageusement être obtenue en silicium. On notera que ces moyens abaisseurs 10 de tension peuvent fonctionner en haute température, le transistor bipolaire 17 pouvant être obtenu en SiC. Par ailleurs, les moyens inverseurs de tension 4 pourront consister soit en un convertisseur continu-continu dit convertisseur DC/DC ou � hacheur � inverseur de tension, soit en un convertisseur à transformateur d'isolement, soit en une pompe de charge et un condensateur, bien connus par l'homme du métier. On notera, en référence à la figure 11, qu'avec des moyens abaisseurs 10 de tension et des moyens inverseurs 4 de tension montés en série tels que décrits précédemment, il est possible de bloquer deux transistors JFET 6a et 6b d'un circuit électronique 1. En effet, avec des moyens abaisseurs 10 de tension et inverseurs 4 de tension, on dispose d'une tension de commande négative pouvant bloquer un transistor JFET dont la source est connectée à la borne � ref �. Dans cet exemple de réalisation, la tension de commande négative est capable de bloquer le transistor JFET 6b. Elle est également capable de bloquer le transistor JFET 6a dans tous les cas de polarisation du transistor JFET 6b. La résistance 21 doit pouvoir supporter la totalité de la tension d'alimentation Vous. 2937811 Io De plus, en ajoutant en série un composant normalement passant haute tension, tel qu'un autre transistor JFET ou MESFET par exemple, il est possible de déconnecter cette résistance 21 dès que l'alimentation normale du driver 5 est opérationnelle, ledit driver 5 n'étant pas représenté sur la figure 11. 5 Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières, en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention. REVENDICATIONS1- Dispositif de protection d'un circuit électronique (1) comportant au moins un transistor de type JFET et/ou MESFET (6,6a,6b) alimenté par une source de tension caractérisé en ce qu'il comporte au moins des moyens dits inverseurs (4,4a,4b) pour inverser la tension du bus continu haute tension (8), lesdits moyens inverseurs (4,4a,4b) étant connectés à la grille dudit transistor JFET et/ou MESFET (6,6a,6b) pour bloquer ledit transistor JFET et/ou MESFET (6,6a,6b). 2- Dispositif suivant la revendication précédente caractérisé en ce que lesdits moyens inverseurs (4,4a,4b) sont montés en série avec le circuit électronique (1). 15 3- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé ce que lesdits moyens inverseurs (4,4a,4b) sont montés en parallèle avec le circuit électronique (1). 4- Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que lesdits 20 moyens inverseurs (4,4a,4b) sont constitués d'une diode (9), d'un limiteur (10) et d'une diode Zener (11) montés en série, les bornes desdits moyens inverseurs (4,4a,4b) étant connectés aux bornes d'une self-inductance (7). 25 5- Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé à ce que lesdits moyens inverseurs (4,4a,4b) comportent une capacité (C) montée en parallèle avec la diode Zener (11). 6- Dispositif suivant les revendications 1 et 3 caractérisé en ce qu'il 30 comporte des moyens dits abaisseurs (10) pour abaisser la tension appliquée à la grille du transistor JFET et/ou MESFET (6,6a,6b). 10 5 15 20 7- Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens abaisseurs (10) de tension sont constitués au moins d'une résistance (12) et d'une capacité (13) montée en série entre le drain et la grille du transistor JFET et/ou MESFET (6,6a,6b). 8- Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens abaisseurs (10) de tension sont constitués d'une part d'un transistor bipolaire (17), d'une diode Zener (18) et d'une capacité (19) montés en série entre l'émetteur et la base du transistor bipolaire (17), et d'autre part d'une résistance (20) montée entre la base et le collecteur dudit transistor bipolaire (17). 9- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que les moyens inverseurs (4,4a,4b) de tension consistent en un convertisseur DC/DC inverseur de tension. 10- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que les moyens inverseurs (4,4a,4b) de tension consistent en un convertisseur à transformateur d'isolement. 11- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que les moyens inverseurs (4,4a,4b) de tension consistent en une pompe de charge et un condensateur. 25