Brevet FR2943474A1 — publié le 20100924

Convertisseur de puissance à base de transistors à effet de champ normalement fermés La présente invention se rapporte à un convertisseur de puissance comportant des transistors de commutation à effet de champ de type normalement fermé, ledit convertisseur de puissance étant destiné à être utilisé par exemple dans un variateur de vitesse, un système d'alimentation sécurisé, un filtre actif, un redresseur ou un convertisseur DC-DC. Il est connu qu'un convertisseur de puissance comporte un bus d'alimentation de puissance doté d'une ligne positive et d'une ligne négative et sur lequel est appliquée une tension continue. Le convertisseur de puissance comporte en outre un condensateur de bus connecté entre la ligne positive et la ligne négative du bus d'alimentation et destiné à maintenir constante la tension continue sur le bus. Le convertisseur de puissance comporte plusieurs bras de commutation, en règle générale trois bras de commutation, connectés en aval du condensateur de bus, sur le bus d'alimentation de puissance. Chaque bras de commutation est connecté entre la ligne positive et la ligne négative du bus d'alimentation et peut comporter par exemple deux transistors de commutation à effet de champ de type normalement fermé montés en série sur le bras de commutation. Sur chaque bras, un point milieu de connexion situé entre les deux transistors est connecté à une charge électrique. Chaque transistor est commandé à l'aide d'un dispositif de commande permettant de lui appliquer une tension de commande pouvant assurer son blocage. De manière connue, les dispositifs de commande des transistors sont alimentés par un système d'alimentation auxiliaire connecté entre la ligne positive et la ligne négative du bus d'alimentation. Etant donné que le convertisseur de puissance utilise des transistors à effet de champ de type normalement fermé, il faut s'assurer que les transistors des bras de commutation ne viennent pas court-circuiter le condensateur de bus, et ainsi empêcher la montée en tension du bus d'alimentation et le chargement du système d'alimentation auxiliaire lorsqu'aucune tension de commande n'est applicable sur les grilles des transistors du convertisseur de puissance, c'est-à-dire : lors du démarrage du convertisseur de puissance alors que la tension continue sur le bus d'alimentation n'a pas encore atteint un niveau suffisant ou, lors d'un dysfonctionnement dans le convertisseur de puissance, par exemple dans le système d'alimentation auxiliaire. Le but de l'invention est de proposer un convertisseur de puissance dans lequel les bras de commutation ne viennent pas court-circuiter le condensateur de bus lors du démarrage du convertisseur de puissance ou lors d'un dysfonctionnement dans le convertisseur de puissance, par exemple dans le système d'alimentation auxiliaire. Ce but est atteint par un convertisseur de puissance comportant : un bus d'alimentation de puissance doté d'une ligne positive et d'une ligne négative et sur lequel est appliquée une tension continue, un condensateur de bus, connecté entre la ligne positive et la ligne négative du bus d'alimentation, plusieurs bras de commutation connectés entre la ligne positive (10) et la ligne négative du bus d'alimentation, chaque bras de commutation comportant un transistor haut et un transistor bas en série et un point milieu de connexion situé entre le transistor haut et le transistor bas et relié à une charge électrique, les transistors hauts et bas étant de type à effet de champ normalement fermés et commandés chacun par un dispositif de commande de grille afin d'alimenter une charge électrique, les dispositifs de commande de grille des transistors bas étant connectés à la ligne négative du bus d'alimentation, un interrupteur auxiliaire de type normalement ouvert positionné en série avec les bras de commutation et connecté sur la ligne négative du bus d'alimentation, un dispositif de commande de l'interrupteur auxiliaire. Avantageusement, le convertisseur comporte une résistance montée en série avec les bras de commutation et en parallèle de l'interrupteur auxiliaire. Dans une variante équivalente de l'invention, le convertisseur de puissance peut comporter : plusieurs interrupteurs auxiliaires de type normalement ouvert positionnés chacun en série avec un bras de commutation et connectés sur la ligne négative du bus d'alimentation, un dispositif de commande des interrupteurs auxiliaires. Avantageusement, dans cette variante de réalisation, une résistance peut être montée en parallèle de chaque interrupteur auxiliaire. Selon une particularité de l'invention, les dispositifs de commande de grille des transistors sont alimentés par un système d'alimentation auxiliaire connecté entre la ligne positive et la ligne négative du bus d'alimentation. Selon une autre particularité, le dispositif de commande de chaque interrupteur auxiliaire utilisé est alimenté par le système d'alimentation auxiliaire. Selon une autre particularité, le convertisseur comporte des moyens de détection d'un dysfonctionnement aptes à coopérer avec le dispositif de commande de chaque interrupteur auxiliaire. De cette manière, il est possible de commander l'interrupteur auxiliaire à l'ouverture si un dysfonctionnement apparaît. L'ouverture de l'interrupteur auxiliaire peut alors entraîner le blocage des transistors bas du convertisseur. Selon l'invention, chaque interrupteur auxiliaire utilisé est par exemple un relais électromécanique ou un interrupteur électronique de type MOSFET, BJT ou IGBT. Etant donné les tensions qu'il doit subir, l'interrupteur auxiliaire pourra être un composant basse tension à coût réduit. Préférentiellement, les transistors haut et bas des bras de commutation sont de type JFET. Ces transistors JFET sont par exemple fabriqués en carbure de silicium ou nitrure de gallium. Le convertisseur décrit ci-dessus pourra notamment être utilisé en sortie dans un variateur de vitesse qui comporte en entrée, en amont du condensateur de bus un module redresseur. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit, se référant aux dessins annexés suivants : la figure 1 représente un schéma électronique et fonctionnel du convertisseur de puissance de l'invention, la figure 2 représente plus particulièrement un bras de commutation du convertisseur de puissance de l'invention et permet d'illustrer le fonctionnement de l'invention, la figure 3 représente le bras de commutation de la figure 2 présentant en plus un perfectionnement, la figure 4 représente un dispositif de commande d'un transistor JFET. Le convertisseur de puissance de l'invention tel que représenté sur la figure 1 est utilisable par exemple dans un variateur de vitesse, un système d'alimentation sécurisé (UPS pour "Uninterruptible Power Supply"), un filtre actif, un redresseur ou un convertisseur DC-DC. Il est destiné à recevoir une tension d'entrée d'une source 1 et à appliquer une tension de sortie par exemple à une charge électrique 2. En référence à la figure 1, un convertisseur de puissance comporte typiquement un bus d'alimentation de puissance doté d'une ligne positive 10 et d'une ligne négative 11 et sur lequel est appliquée une tension continue Vbus. Le convertisseur de puissance comporte en outre un condensateur de bus Cbus connecté 1 o entre la ligne positive 10 et la ligne négative 11 du bus d'alimentation et destiné à maintenir constante la tension continue Vbus du bus d'alimentation. Le convertisseur de puissance comporte en outre, en aval du condensateur de bus Cbus, un module de commutation à n phases ayant sur chaque phase 2n transistors de commutation. Le module de commutation tel que représenté sur la figure 1 est à trois phases U, V, W et 15 comporte donc trois bras de commutation connectés chacun entre la ligne positive 10 et la ligne négative 11 du bus d'alimentation. Chaque bras de commutation comporte un transistor haut T2, T4, T6 et un transistor bas Ti, T3, T5 séparés par un point milieu de connexion M1, M2, M3 relié à la charge électrique 2. Chaque transistor T1-T6 du module de commutation est du type à effet de 20 champ (FET pour "Field Effect Transistor") normalement fermé. Un transistor à effet de champ tel que par exemple un JFET ou un MOSFET 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 25 la tension VGS entre la Grille et la Source est proche de zéro. Cela signifie que le chemin Drain-Source est passant ou conducteur en l'absence de tension de commande VGS. En présence d'une tension de commande VGS entre sa grille et sa source qui est négative, le transistor à effet de champ normalement fermé est commandé à l'ouverture. Un transistor de type JFET est commandé à l'ouverture en 30 appliquant une tension grille-source VGS par exemple au moins égale à -15 Volts et un transistor MOSFET avec une tension VGS par exemple au moins égale à -5 Volts. Les transistors à effet de champ employés dans le convertisseur de puissance de l'invention seront par exemple fabriqués dans un matériau à grande énergie de bande interdite (appelé également "matériau à grand gap" ou "wide-band 35 gap material") tel que par exemple le carbure de silicium ou le nitrure de gallium. De manière connue, un transistor JFET réalisé dans un matériau à grande énergie de bande interdite et de type normalement fermé présente 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. Dans la suite de la description et sur les figures 1 et 2, les transistors T1-T6 utilisés sont par exemple de type JFET. Chaque transistor à effet de champ T1-T6 des bras de commutation est commandé à l'ouverture grâce à un dispositif spécifique de commande CT1-CT6 de grille. Chaque dispositif de commande CT1-CT6 de grille est alimenté (A) grâce à un système d'alimentation auxiliaire AUX connecté entre la ligne positive 10 et la ligne négative 11 du bus d'alimentation de puissance et permet d'appliquer au transistor une tension de grille VG pour commander le transistor à la fermeture ou à l'ouverture. En plus de l'alimentation (A), Chaque dispositif de commande CT1-CT6 reçoit d'un système central de commande 3 des signaux de commande S1 à S6 à modulation de largeur d'impulsion (PWM en anglais pour "Pulse Width Modulation") respectant une loi de commande exécutée par le système central de commande 3. Chaque dispositif de commande CT2, CT4, CT6 des transistors hauts T2, T4, T6 est connecté au point milieu de connexion M1, M2, M3 du bras de commutation de son transistor tandis que chaque dispositif de commande CT1, CT3, CT5 des transistors bas Ti, T3, T5 est connecté à la ligne négative 11 du bus d'alimentation de puissance. En référence à la figure 4, un dispositif de commande CT1 du transistor bas Ti du module de commutation comporte notamment deux transistors Q1, Q2 reliés en série par l'intermédiaire d'un point milieu de connexion P1 connecté à la grille G du transistor Q1 et un ensemble de deux condensateurs Cl, C2 montés également en série. Un point milieu de connexion P2 situé entre les deux condensateurs Cl, C2 est connecté à la ligne négative 11 du bus d'alimentation. Le transistor Q1 du dispositif de commande est du type normalement ouvert tandis que le transistor Q2 du dispositif de commande est du type normalement fermé. Le système d'alimentation auxiliaire AUX alimente le dispositif de commande CT1 à travers une diode D1 et une inductance L1 qui constitue le secondaire du transformateur du système d'alimentation auxiliaire AUX en générant les tensions VGS ON et VGS OFF nécessaires respectivement à la fermeture et à l'ouverture du transistor Ti. A partir des tensions VGS ON et VGS OFF, les transistors Q1, Q2 appliquent la tension de grille VG au transistor JFET pour le commander à l'ouverture ou à la fermeture. A leur démarrage, les dispositifs de commande CT1, CT3, CT5 des transistors bas Ti, T3, T5 sont agencés pour délivrer une tension de grille VG définie par rapport à la ligne négative 11 du bus d'alimentation qui est approximativement nulle étant donné que le système d'alimentation auxiliaire AUX n'est pas encore activé. Selon l'invention, un interrupteur auxiliaire SW de type normalement ouvert est connecté en série avec les bras de commutation et relie les bras de commutation à la ligne négative 11 du bus d'alimentation. Autrement dit, cet interrupteur auxiliaire SW est connecté entre les transistors bas Ti, T3, T5 du module de commutation et la ligne négative 11 du bus d'alimentation. Sur la figure 1, l'interrupteur auxiliaire SW est connecté en un point X sur une ligne conductrice 5 joignant les sources des trois interrupteurs bas Ti, T3, T5 des trois bras de commutation. L'interrupteur auxiliaire SW peut être par exemple un relais électromécanique, par exemple un MEMS (pour "Micro Electromechanical System") ou un interrupteur électronique de type MOSFET ("Metal Oxide Semiconductor FET"), IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor") ou BJT ("Bipolar Junction Transistor"). Sur les figures 2 et 3, l'interrupteur auxiliaire est représenté sous la forme d'un MOSFET en silicium. L'interrupteur auxiliaire SW est commandé à la fermeture par un dispositif de commande CSW approprié connu (non détaillé dans la présente demande) commandé par un signal de commande S délivré par un module 4 lorsque différentes conditions sont réunies en même temps, c'est-à-dire lorsque aucun verrouillage pour sous- tension n'est apparu sur le système d'alimentation auxiliaire (UVLO pour "Undervoltage Lockout), lorsque la protection contre les surintensités (OP) n'a pas été activée et lors de la présence d'un signal Y provenant du système central de commande 3. Bien entendu, pour un fonctionnement équivalent, il est tout à fait possible de remplacer l'interrupteur auxiliaire SW commun aux trois bras de commutation par un interrupteur auxiliaire SW connecté en série sur chaque bras de commutation, ces interrupteurs auxiliaires étant tous commandés simultanément. Ce mode de réalisation n'est pas représenté sur les figures annexées mais il rentre parfaitement dans le cadre de l'invention. Le fonctionnement du convertisseur de puissance de l'invention muni de l'interrupteur auxiliaire SW est explicité ci-dessous en se focalisant sur un seul bras de commutation tel que représenté sur les figures 2 et 3. Il faut comprendre que le fonctionnement est similaire pour les autres bras de commutation. En référence à la figure 2, à l'état initial, aucune tension d'entrée n'est appliquée sur le bus d'alimentation. La tension du bus d'alimentation Vbus est donc nulle et le système d'alimentation auxiliaire n'est pas activé. Les transistors T1-T6 du module de commutation sont à l'état fermé et l'interrupteur auxiliaire SW est à l'état ouvert. Au démarrage, la source 1 applique une tension continue sur le bus d'alimentation de puissance. La tension du bus Vbus augmente. Les tensions VDS1 et VDS2 entre drain et source des deux transistors Ti, T2 du bras de commutation sont nulles étant donné que ces transistors sont en conduction. Le système d'alimentation auxiliaire AUX n'est pas encore activé et ne peut donc fournir une tension suffisante en vue du blocage de ces transistors Ti, T2. Comme l'interrupteur auxiliaire SW est ouvert, toute la tension du bus Vbus s'applique à ses bornes. Comme précisé ci-dessus, le dispositif de commande CT1 du transistor bas Ti est agencé pour générer en sortie une tension de grille VG approximativement nulle lorsque le système d'alimentation auxiliaire AUX n'est pas encore activé. De plus, comme la grille G du transistor bas Ti est connectée à la ligne négative 11 du bus d'alimentation à travers son dispositif de commande de grille CT1, la tension entre grille et source VGS du transistor bas Ti est négative. Or comme nous avons la relation suivante : VGS = VG ùVs dans laquelle VGS correspond à la tension grille-source de commande du transistor bas, VG la tension de grille de sortie du dispositif de commande définie par rapport à la ligne négative 11 du bus d'alimentation et, Vs la tension aux bornes de l'interrupteur auxiliaire entre le point de connexion X commun aux trois bras de commutation et la ligne négative 11 du bus d'alimentation. Avec VG = 0 On obtient alors VGS - -VS Par conséquent, lors de la montée en tension du bus d'alimentation, dés lors 30 que la tension Vs atteint une valeur seuil (VGS(TH>) de blocage du transistor bas Ti, le transistor bas Ti se trouve bloqué. Si l'augmentation de tension du bus d'alimentation Vbus se poursuit, toute la tension du bus Vbus s'appliquera donc sur le transistor bas 25 du module de commutation. Ceci n'est pas un problème car les transistors bas sont dimensionnés pour supporter toute la tension du bus d'alimentation. En considérant par exemple que la valeur seuil VGS(TH) est inférieure à -25 Volts on remarque que la tension VS que doit supporter l'interrupteur auxiliaire SW jusqu'au blocage des transistors bas du module de commutation est particulièrement faible ce qui autorise l'emploi comme interrupteur auxiliaire d'un composant basse tension à faible coût. Après un certain délai, le système d'alimentation auxiliaire AUX a terminé son démarrage et permet d'alimenter les dispositifs de commandes CT1-CT6 des transistors T1-T6 du module de commutation. Les transistors T1-T6 peuvent donc être commandés directement à l'ouverture par leur dispositif de commande CT1-CT6. L'interrupteur auxiliaire SW est commandé à la fermeture par son dispositif de commande CSW et le convertisseur de puissance peut alors fonctionner normalement. Lors du fonctionnement normal du convertisseur de puissance, un dysfonctionnement peut se produire, par exemple au niveau du système d'alimentation auxiliaire AUX. Dans cette situation, les transistors T1-T6 du module de commutation ne peuvent plus être commandés à l'ouverture. Comme représenté sur la figure 1, lors de la détection d'un dysfonctionnement, le signal de commande S ne peut plus être généré à destination du dispositif de commande CSW de l'interrupteur auxiliaire SW. L'interrupteur auxiliaire SW est donc commandé à l'ouverture. De cette manière, comme précédemment, la tension VS aux bornes de l'interrupteur auxiliaire SW augmente jusqu'à atteindre la valeur seuil (VGS(TH>) définie précédemment. Lorsque la valeur seuil est atteinte, les transistors bas Ti, T3, T5 du module de commutation sont bloqués. En référence à la figure 3, lorsque le transistor bas Ti du bras de commutation est bloqué par le maintien à l'état ouvert de l'interrupteur auxiliaire SW, il peut exister un courant de fuite IL qui traverse la transistor Ti du drain (D) vers la source (S). L'amplitude de ce courant IL dépend de la qualité du transistor, de sa température et de la tension à ses bornes. En considérant que la résistance de l'interrupteur auxiliaire SW est infinie lorsque celui-ci est ouvert, la présence du courant de fuite fait apparaître une tension VS aux bornes de l'interrupteur auxiliaire SW et donc une tension grille-source VGS. Cette tension grille-source VGS augmente jusqu'à dépasser la valeur seuil de blocage VGS(TH). Cela peut alors entraîner une dégradation de la jonction grille-source des transistors bas Ti, T3, T5 du module de commutation ou une dégradation de l'interrupteur auxiliaire SW. Pour résoudre ce problème, un perfectionnement de l'invention consiste à ajouter une résistance RS en parallèle de l'interrupteur auxiliaire SW. Cette résistance RS doit avoir une valeur délimitée de la manière suivante : UGS(BR) > R S > UGS(TH) L L Dans laquelle VGS(BR) correspond à la tension de dégradation de la jonction grille-source d'un transistor bas Ti, T3, T5 du module de commutation. Comme dans la variante de réalisation comportant un interrupteur auxiliaire par bras de commutation, il est possible de prévoir une résistance montée en parallèle de chacun de ces interrupteurs auxiliaires. REVENDICATIONS1. Convertisseur de puissance comportant : un bus d'alimentation de puissance doté d'une ligne positive (10) et d'une ligne négative (11) et sur lequel est appliquée une tension continue (Vbus), un condensateur de bus (Cb), connecté entre la ligne positive (10) et la ligne négative (11) du bus d'alimentation, plusieurs bras de commutation connectés entre la ligne positive (10) et la ligne négative (11) du bus d'alimentation, chaque bras de commutation comportant un transistor haut (T2, T4, T6) et un transistor bas (Ti, T3, T5) en série et un point milieu de connexion (Ml, M2, M3) situé entre le transistor haut et le transistor bas et relié à une charge électrique (2), les transistors hauts et bas étant de type à effet de champ normalement fermés et commandés chacun par un dispositif de commande de grille (CT1-CT6) afin d'alimenter une charge électrique (2), les dispositifs de commande de grille des transistors bas (Ti, T3, T5) étant connectés à la ligne négative (11) du bus d'alimentation, caractérisé en ce que le convertisseur de puissance comporte : un interrupteur auxiliaire (SW) de type normalement ouvert positionné en série avec les bras de commutation et connecté sur la ligne négative (11) du bus d'alimentation, un dispositif de commande (CSW) de l'interrupteur auxiliaire (SW). 2. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance (RS) montée en série avec les bras de commutation et en parallèle de l'interrupteur auxiliaire (SW). 3. Convertisseur de puissance comportant : un bus d'alimentation de puissance doté d'une ligne positive (10) et d'une ligne négative (11) et sur lequel est appliquée une tension continue (Vbus), un condensateur de bus (Cb), connecté entre la ligne positive (10) et la ligne négative (11) du bus d'alimentation, plusieurs bras de commutation connectés entre la ligne positive (10) et la ligne négative (11) du bus d'alimentation, chaque bras de commutation comportant un transistor haut (T2, T4, T6) et un transistor bas (Ti, T3, 35 T5) en série et un point milieu de connexion (Ml, M2, M3) situé entre le transistor haut et le transistor bas et relié à une charge électrique (2), les transistors hauts et bas étant de type à effet de champ normalement fermés et commandés chacun par un dispositif de commande de grille (CT1-CT6) afin d'alimenter une charge électrique (2), les dispositifs de commande de grille des transistors bas (Ti, T3, T5) étant connectés à la ligne négative (11) du bus d'alimentation, caractérisé en ce que le convertisseur de puissance comporte : plusieurs interrupteurs auxiliaires de type normalement ouvert positionnés chacun en série avec un bras de commutation et connectés sur la ligne négative (11) du bus d'alimentation, un dispositif de commande des interrupteurs auxiliaires. 4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en série avec les bras de commutation, une résistance montée en parallèle de 15 chaque interrupteur auxiliaire. 5. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les dispositifs de commande (CT1-CT6) de grille des transistors sont alimentés par un système d'alimentation auxiliaire (AUX) connecté entre la ligne positive (10) et la ligne négative (11) du bus d'alimentation. 20 6. Convertisseur de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de commande (CSW) de chaque interrupteur auxiliaire (SW) est alimenté par le système d'alimentation auxiliaire (AUX). 7. Convertisseur de puissance selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection d'un dysfonctionnement aptes à 25 coopérer avec le dispositif de commande (CSW) de chaque interrupteur auxiliaire (SW). 8. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque interrupteur auxiliaire (SW) est un relais électromécanique ou un interrupteur électronique de type MOSFET, BJT ou IGBT. 30 9. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les transistors haut et bas des bras de commutation sont de type JFET. 10. Convertisseur de puissance selon la revendication 9, caractérisé en ce que les transistors JFET sont fabriqués en carbure de silicium ou nitrure de 35 gallium. 10 11. Variateur de vitesse comportant un module redresseur, caractérisé en ce qu'il comporte également un convertisseur de puissance tel que défini dans l'une des revendications précédentes, monté en aval dudit module redresseur.5