Brevet FR2954997A1 — publié le 20110708

B07-4013FR MSA Société par actions simplifiée dite : ECE Dispositif électronique de régulation d'un transistor lors de la commutation Invention de : ABDESSELAM Francis Dispositif électronique de régulation d'un transistor lors de la commutation L'invention se rapporte au domaine de l'électronique de puissance et plus particulièrement au domaine de la régulation des variations de courant et de tension lors de la commutation de transistors. Les transistors peuvent commander des charges résistives et inductives. Suivant les courants ou tensions concernées, des variations plus ou moins importantes peuvent apparaître. On rappelle que la tension appliquée sur la grille d'un transistor permet de moduler le courant circulant entre les bornes de collecteur et d'émetteur dudit transistor, permettant de changer l'état de conduction du transistor. Les états extrêmes possibles sont un état passant et un état bloqué. En particulier, une fluctuation de la tension appliquée sur la grille du transistor engendre une fluctuation amplifiée du courant traversant le transistor. Il est nécessaire de contrôler les différents paramètres de fonctionnement d'un transistor afin de disposer d'un comportement fiable et reproductible. Les solutions actuelles sont complexes et nécessitent un grand nombre de composants, intégrables ou non. Le coût associé à la régulation de tension et de courant est ainsi non négligeable. Par ailleurs, l'invention est applicable aux transistors bipolaires à grille isolée. Ces transistors sont généralement employés en électronique de puissance de par leur fiabilité et leur faible coût. Cependant, les transistors bipolaires à grille isolée présentent généralement une faible vitesse de commutation. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de régulation des courants et tensions lors de la commutation d'un transistor impliquant un faible nombre de composants passifs. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif permettant de compenser la faible vitesse de commutation d'un transistor. L'invention a ainsi pour objet, selon un premier aspect, un dispositif électronique de régulation de courant et de tension lors du changement d'état d'un transistor. Le dispositif comprend : un premier circuit connecté entre le collecteur et la grille et comprenant un premier condensateur; un deuxième circuit connecté entre l'émetteur et la grille et comprenant un deuxième condensateur connecté en parallèle avec une deuxième résistance. Le transistor peut être un transistor bipolaire à grille isolée ou un transistor métal oxyde semi-conducteur. Le premier condensateur et la deuxième résistance peuvent former un moyen de variation quasi linéaire du courant de collecteur du transistor. Le deuxième condensateur peut former un moyen de modification de la tension entre la grille et l'émetteur du transistor, apte à supprimer le retard entre la commande et le changement d'état du transistor. Le premier circuit peut comprendre en outre une première résistance connectée en parallèle avec une première diode, l'ensemble étant connecté en série au premier condensateur. Le deuxième circuit peut comprendre une deuxième diode en parallèle avec la deuxième résistance. Pour la régulation du transistor, d'un état passant à un état non passant, la première diode peut être reliée par son anode au collecteur du transistor, la deuxième diode étant reliée par sa cathode à la grille du transistor. Pour la régulation du transistor, d'un état non passant à un état passant, la première diode peut être reliée par sa cathode au collecteur du transistor, la deuxième diode étant reliée par son anode à la grille du transistor. La première résistance et la première diode peuvent également être comprises dans le moyen de variation quasi linéaire du courant de collecteur du transistor. La deuxième diode peut être comprise dans le moyen de modification de la tension entre la grille et l'émetteur du transistor. Le deuxième circuit peut comprendre une deuxième diode reliée en série à une troisième résistance, l'ensemble pouvant être relié en parallèle avec la deuxième résistance. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de régulation de courant et de tension, dans lequel, lors du changement d'état d'un transistor, on commande un transfert de charge incluant la capacité interne du transistor afin de limiter le délai de changement d'état, on commande la tension entre la grille et l'émetteur, de façon que le courant de collecteur varie quasi linéairement. Lors de la commutation du transistor d'un état non passant à un état passant, on peut modifier la charge emmagasinée dans la capacité interne du transistor afin que le potentiel de grille soit inférieur de 2V à la tension de commutation du transistor, de préférence inférieur de 1v à la tension de commutation du transistor. Lors de la commutation du transistor d'un état passant à un état non passant, on peut modifier la charge emmagasinée dans la capacité interne du transistor afin que le potentiel de grille soit supérieur de 2V à la tension de commutation du transistor, de préférence supérieur de 1v à la tension de commutation du transistor. On peut commander la tension entre la grille et l'émetteur, de façon que le courant de collecteur croisse quasi linéairement selon un premier facteur de décroissance lors de la commutation du transistor d'un état non passant à un état passant, On peut commander la tension entre la grille et l'émetteur, de façon que le courant de collecteur décroisse quasi linéairement selon un deuxième facteur de décroissance lors de la commutation du transistor d'un état passant à un état non passant. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les principaux éléments d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif électronique de régulation servant à la régulation d'un transistor à l'ouverture et à la fermeture, - la figure 2 illustre les principaux éléments d'un premier mode de réalisation d'un dispositif électronique de régulation servant à la régulation à l'ouverture d'un transistor, - la figure 3 illustre les principaux éléments d'une variante de ce premier mode de réalisation d'un dispositif électronique de régulation servant à la régulation à la fermeture d'un transistor, et - la figure 4 illustre les principaux éléments d'une variante de ce deuxième mode de réalisation d'un dispositif électronique de régulation servant à la régulation d'un transistor avec des pentes différentes à l'ouverture et à la fermeture. Les exemples suivants sont donnés en référence à un transistor bipolaire à grille isolée, également appelé transistor IGBT. Les mêmes montages peuvent être considérés pour un transistor métal oxyde semi-conducteur également appelé transistor MOS. Pour la suite du présent document, on pourra remplacer les termes collecteur, émetteur, Vice, Vge, le concernant un transistor IGBT par, respectivement, les termes drain, source, Vds, Vgs, Id concernant un transistor MOS. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif de régulation à la fermeture et à l'ouverture d'un transistor Tl. Le dispositif de régulation comprend un premier circuit 1 connecté entre le collecteur C et la grille G du transistor Tl et un deuxième circuit 2 connecté entre la grille G et une borne de commande Cdel du moyen de commande MCE. Le premier circuit 1 comprend un premier condensateur Cl. Le deuxième circuit 2 comprend une deuxième résistance R2 connectée en parallèle un deuxième condensateur C2. L'émetteur E du transistor T l est relié à la borne de commande Cde2. Le moyen de commande MCE comprend essentiellement un moyen de commutation apte à fermer ou ouvrir le circuit entre les bornes de commande Cdel et Cde2. Le moyen de commande MCE peut être commandé par un dispositif ou un moyen séparé, à distance ou par une liaison physique. L'ouverture du transistor T l est commandée en court-circuitant les bornes Cdel et Cde2. En d'autres termes, la borne Cdel est portée au potentiel de l'émetteur E du transistor Tl. Par ouverture du transistor Tl, on entend le passage d'un état passant à un état non passant du transistor Tl. Pour éviter des fluctuations à l'ouverture du transistor Tl, le dispositif de régulation assure une décroissance sensiblement linéaire du courant de collecteur le traversant le transistor Tl. Par ailleurs, le dispositif de régulation assure la décharge de la tension entre la grille G et l'émetteur E afin de limiter le retard entre la commande et la commutation. Le transistor Tl est commandé par un dispositif de commande qui n'est pas représenté sur la figure 1. Lorsqu'un état passant du transistor Tl est requis, le dispositif de commande applique une tension de commande, généralement égale à 15V, aux bornes de commandes du transistor Tl. Lorsqu'un état non passant du transistor Tl est requis, le dispositif de commande applique une tension de commande, généralement égale à 0V, aux bornes de commandes du transistor T 1. Le changement de la tension de commande a pour but de faire varier la polarisation du transistor par rapport à sa tension de seuil. La tension de seuil d'un transistor caractérise la tension à partir de laquelle intervient un changement d'état. Selon les technologies, elle est comprise entre 1V et 10V. On la considérera ici, à titre d'exemple, comme égale à 7V. Lors de l'ouverture du transistor, le dispositif de commande du transistor modifie la tension de commande appliquée sur la grille du transistor. La tension de commande passe d'une valeur égale à 15V à une valeur égale à 0V. Un retard apparaît du fait du temps nécessaire pour que la tension initialement à 15V décroisse en dessous de la tension de seuil jusqu'à la nouvelle tension de commande de 0V. Lors de la fermeture du circuit entre les bornes de commande Cdel et Cde2, le deuxième condensateur C2 forme un circuit avec la capacité interne du transistor Tl. La capacité interne du transistor Tl est initialement polarisée par une tension égale au potentiel du dispositif de commande, supérieure à la tension de seuil. Le circuit formé avec le deuxième condensateur C2 permet de décharger la grille de façon à rapprocher son potentiel de la tension de seuil. La diminution de polarisation nécessaire pour franchir le seuil est donc plus petite, le délai de commutation entre la commande de fermeture au niveau du moyen MCE et l'ouverture effective du transistor Tl est réduit. Ainsi le deuxième condensateur C2 forme un moyen de modification de la tension de grille apte à supprimer le retard de commutation. En outre, le dispositif de régulation assure une décroissance sensiblement linéaire du courant de collecteur le traversant le transistor Tl. Lorsque les bornes de commande Cdel et Cde2 sont reliées, un courant peut circuler dans la branche de circuit comprenant le premier condensateur Cl. On rappellera que, par construction, aucun courant notable ne peut traverser la grille d'un transistor IGBT ou MOS. Le premier condensateur Cl se décharge, donnant naissance à un courant I selon la relation suivante : I=Cl. dU dt dans laquelle U représente la tension aux bornes du condensateur Cl. La circulation du courant I dans la première résistance R2 donne également naissance à une tension qui modifie la tension Vge. Ce phénomène permet d'obtenir une décroissance quasi linéaire de la tension entre le collecteur et l'émetteur du transistor, et donc une décroissance quasi linéaire du courant Ic. Ainsi, la résistance R2 et le condensateur C l forment un moyen de variation quasi linéaire du courant de collecteur. La fermeture du transistor Tl est commandée par l'ouverture du circuit entre les bornes de commande Cdel et Cde2. Par fermeture du transistor Tl, on entend le passage d'un état non passant à un état passant. Lors de la fermeture du transistor, le dispositif de commande du transistor modifie la tension de commande appliquée sur la grille du transistor. La tension de commande passe d'une valeur de OV à une valeur de 15V. En comparaison, la tension de seuil du transistor Tl est choisie à titre d'exemple égale à 7V. Un retard apparaît du fait du temps nécessaire pour que la tension initialement à OV croisse en dessus de la tension de seuil jusqu'à la nouvelle tension de commande de 15V. Le circuit formé avec le deuxième condensateur C2 permet de charger la grille de façon à rapprocher son potentiel de la tension de seuil. L'augmentation de polarisation nécessaire pour franchir le seuil est donc plus petite, le délai de commutation est réduit. Lors de l'ouverture du circuit entre les bornes de commande Cdel et Cde2, un circuit comprenant la borne de commande Cdel, la deuxième résistance R2 et la borne de grille Vg se forme. Cdel est porté à un potentiel non nul, généralement 15V. Cde2 est à un potentiel nul. Le potentiel de grille Vg augmente via la deuxième résistance R2. Lorsque le potentiel de collecteur Vc décroît, le courant I apparaît dans le premier circuit 1 comprenant le condensateur C l et s'oppose au courant I2 injecté via la deuxième résistance R2. L'expression du courant I est la même que celle définie précédemment. Lorsque le courant I issu du premier circuit et le courant I2 issu du deuxième circuit s'équilibrent, le potentiel de la grille G est à une valeur permettant d'assurer une décroissance quasi linéaire du courant de collecteur Ic. Sur la figure 2, on a représenté un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de régulation à l'ouverture d'un transistor Tl. Le dispositif de régulation selon le deuxième mode de réalisation ne diffère du dispositif de régulation selon le premier mode de réalisation que par la présence d'une première diode Dl, d'une deuxième diode D2 et d'une première résistance R1. Selon le deuxième mode de réalisation, le premier circuit 1 comprend une première diode Dl reliée au collecteur C dudit transistor Tl par l'anode, la cathode de la première diode Dl étant reliée à une armature du premier condensateur Cl. Par ailleurs, une première résistance R1 est connectée en parallèle avec la première diode Dl. L'autre armature du premier condensateur C l est reliée à la grille G du transistor Tl. Le deuxième circuit 2 comprend une deuxième diode D2 reliée par la cathode à la grille G du transistor Tl. L'anode de la deuxième diode D2 est reliée à la borne de commande Cdel. Une deuxième résistance R2 est connectée en parallèle avec la deuxième diode D2. Un deuxième condensateur C2 est également connecté en parallèle avec la deuxième diode D2. L'ouverture du transistor T l est commandée en court-circuitant les bornes Cdel et Cde2. Le fonctionnement est le même que celui décrit dans la phase d'ouverture du transistor Tl du premier mode de réalisation. I1 est à noter que lors de l'ouverture du transistor Tl, la diode D2 ne court-circuite pas la résistance R2. Le moyen de variation comprenant notamment la deuxième résistance R2 et le premier condensateur Cl assure la décroissance quasi linéaire du courant de collecteur. La diode D2 assure la décharge du deuxième condensateur C2 lorsque le transistor Tl passe en conduction. Lors de la fermeture du transistor Tl, La première diode D l court-circuite la résistance R2. Le moyen de variation comprenant notamment la deuxième résistance R2 et le premier condensateur C l n'assure donc pas de croissance quasi linéaire du courant de collecteur. La première résistance R1, la deuxième résistance R2, la première diode Dl et la deuxième diode D2, le premier condensateur Cl et le deuxième condensateur C2 permettent de modifier les temps de réponse du circuit. Sur la figure 3, on a représenté un troisième mode de réalisation servant à la régulation à la fermeture d'un transistor Tl. Le dispositif de régulation selon le troisième mode de réalisation ne diffère du dispositif de régulation selon le premier mode de réalisation que par la présence d'une première diode Dl, d'une deuxième diode D2 et d'une première résistance R1. Selon le troisième mode de réalisation, le premier circuit 1 comprend une première diode Dl reliée au collecteur C dudit transistor Tl par la cathode, l'anode de la première diode D2 étant reliée à une armature du premier condensateur Cl. Par ailleurs, une première résistance R1 est connectée en parallèle avec la première diode Dl. L'autre armature du premier condensateur Cl est reliée à la grille G du transistor T 1. Le deuxième circuit 2 comprend une deuxième diode D2 reliée par l'anode à la grille G du transistor Tl. La cathode de la deuxième diode D2 est reliée à la borne de commande Cdel. Une deuxième résistance R2 est connectée en parallèle avec la deuxième diode D2. Un deuxième condensateur C2 est également connecté en parallèle avec la deuxième diode D2. La fermeture du transistor Tl est commandée par l'ouverture du circuit entre les bornes de commande Cdel et Cde2. Le fonctionnement est le même que celui décrit dans la phase de fermeture du transistor Tl du premier mode de réalisation. I1 est à noter que lors de la fermeture du transistor Tl, la diode D l ne court- circuite pas la deuxième résistance R2. Le moyen de variation comprenant notamment la deuxième résistance R2 et le premier condensateur Cl assure la décroissance quasi linéaire du courant de collecteur. Lors de l'ouverture du transistor Tl, la diode D2 court-circuite la résistance R2. Le moyen de variation comprenant notamment la deuxième résistance R2 et le premier condensateur Cl n'assure donc pas la décroissance quasi linéaire du courant de collecteur. Le premier condensateur Cl, la deuxième résistance R2, la première diode Dl et la deuxième diode D2 permettent de modifier les temps de réponse du circuit. Sur la figure 4, on a représenté un mode de réalisation alternatif du dispositif de régulation selon le premier mode de réalisation, servant à réguler indépendamment à la fermeture et à l'ouverture un transistor Tl. Le dispositif de régulation selon le mode de réalisation alternatif ne diffère du dispositif de régulation selon le premier mode de réalisation que par la présence d'une deuxième diode D2 et d'une troisième résistance R3 dans le deuxième circuit 2. Le deuxième circuit 2 comprend une troisième résistance R3 connectée d'une part à la grille G du transistor Tl et d'autre part à l'anode de la deuxième diode D2. La cathode de la deuxième diode D2 est reliée à une borne de commande Cdel d'un moyen de commande MCE. En parallèle de la troisième résistance R3 et de la deuxième diode D2 se trouve connectée la deuxième résistance R2, elle-même connectée en parallèle avec le deuxième condensateur C2. Lors de l'ouverture du transistor Tl, le fonctionnement est le même que celui décrit dans la phase d'ouverture du transistor Tl du premier mode de réalisation. I1 est à noter que lors de l'ouverture du transistor Tl, la diode D2 est passante. La décroissance quasi linéaire du courant de collecteur est régie par le premier condensateur Cl, la deuxième résistance R2 et la troisième résistance R3, selon un premier facteur linéaire dépendant notamment de R2 et de R3. Lors de la fermeture du transistor T2, le fonctionnement est le même que celui décrit dans la phase de fermeture du transistor T 1 du premier mode de réalisation. I1 est à noter que lors de la fermeture du transistor Tl, la diode D2 est non passante. La décroissance quasi linéaire du courant de collecteur est régie par le premier condensateur Cl, et la deuxième résistance R2, selon un deuxième facteur linéaire dépendant de R2 et indépendant de R3. Comme décrit ci-dessus, la régulation du courant et de la tension sont indépendantes l'une de l'autre dans la mesure où la régulation du courant de collecteur est différente dans la phase d'ouverture de la régulation dans la phase de fermeture. Ces deux régulations peuvent être ajustées en modifiant la valeur de la deuxième résistance R2 et de la troisième résistance R3. La deuxième résistance R2, la troisième résistance R3, la deuxième diode D2 et le premier condensateur C l permettent de modifier les temps de réponse du circuit. Le dispositif de régulation de transistor permet de réguler la tension et le courant aux bornes d'un transistor de puissance de façon simple et fiable, à l'ouverture comme à la fermeture. De plus, un tel dispositif permet de s'affranchir du retard entre la commande d'ouverture et l'ouverture effective du transistor. Enfin, le dispositif de régulation est applicable aussi bien aux transistors à grille isolée qu'aux transistors MOS et offre l'avantage de ne pas comprendre de courant de fuite additionnel.15 REVENDICATIONS1. Dispositif électronique de régulation de courant et de tension lors du changement d'état d'un transistor (Tl), caractérisé par le fait qu'il comprend : un premier circuit (1) connecté entre le collecteur (C) et la grille (G) et comprenant un premier condensateur (Cl); un deuxième circuit (2) connecté entre l'émetteur (E) et la grille (G) et comprenant un deuxième condensateur (C2) connecté en parallèle avec une deuxième résistance (R2). 2. Dispositif de régulation selon la revendication 1, dans lequel le transistor (Tl) est un transistor bipolaire à grille isolée ou un transistor métal oxyde semi-conducteur. 3. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le premier condensateur (Cl), la deuxième résistance (R2) forment un moyen de variation quasi linéaire du courant de collecteur du transistor (Tl). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième condensateur (C2) forme un moyen de modification de la tension entre la grille (G) et l'émetteur (E) du transistor (Tl), apte à supprimer le retard entre la commande et le changement d'état du transistor (Tl). 5. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier circuit (1) comprend en outre une première résistance (Rl) connectée en parallèle avec une première diode (Dl), l'ensemble étant connecté en série au premier condensateur (Cl). 6. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième circuit (2) comprend une deuxième diode (D2) en parallèle avec la deuxième résistance (R2). 7. Dispositif de régulation selon la revendication 6, dans lequel, pour la régulation du transistor, d'un état passant à un état non passant, la première diode (Dl) est reliée par son anode au collecteur(C) du transistor (Tl), la deuxième diode (D2) étant reliée par sa cathode à la grille (G) du transistor (Tl). 8. Dispositif de régulation selon la revendication 6, dans lequel, pour la régulation du transistor, d'un état non passant à un état passant, la première diode (Dl) est reliée par sa cathode au collecteur (C) du transistor (Tl), la deuxième diode (D2) étant reliée par son anode à la grille (G) du transistor (Tl). 9. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel le premier condensateur (Cl) et la première diode (Dl) sont également compris dans le moyen de variation quasi linéaire du courant de collecteur du transistor (Tl). 10. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel la deuxième diode (D2) est comprise dans le moyen de modification de la tension entre la grille (G) et l'émetteur (E) du transistor (Tl). 11. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième circuit (2) comprend une deuxième diode (D2) reliée en série à une troisième résistance (R3), l'ensemble étant relié en parallèle avec la deuxième résistance (R2). 12. Procédé de régulation de courant et de tension, caractérisé en ce que, lors du changement d'état d'un transistor (Tl), on commande un transfert de charge incluant la capacité interne du transistor afin de limiter le délai de changement d'état, on commande la tension entre la grille (G) et l'émetteur (E), de façon que le courant de collecteur varie quasi linéairement. 13. Procédé de régulation selon la revendication 12, dans lequel, lors de la commutation du transistor (Tl) d'un état non passant à un état passant, on modifie la charge emmagasinée dans la capacité interne du transistor (Tl) afin que le potentiel de grille (G) soit inférieur à la tension de commutation du transistor (Tl). 14. Procédé de régulation selon la revendication 12 ou 13, dans lequel, lors de la commutation du transistor (Tl) d'un état passant à un état non passant, on modifie la charge emmagasinée dans la capacitéinterne du transistor (Tl) afin que le potentiel de grille (G) soit supérieur à la tension de commutation du transistor (Tl). 15. Procédé de régulation selon l'une des revendications 12 à 14, dans lequel on commande la tension entre la grille (G) et l'émetteur (E), de façon que le courant de collecteur croisse quasi linéairement selon un premier facteur de décroissance lors de la commutation du transistor (Tl) d'un état non passant à un état passant, 16. Procédé de régulation selon l'une des revendications 12 à 14, dans lequel on commande la tension entre la grille (G) et l'émetteur (E), de façon que le courant de collecteur décroisse quasi linéairement selon un deuxième facteur de décroissance lors de la commutation du transistor (Tl) d'un état passant à un état non passant.