Brevet FR3013467A1 — publié le 20150522

B12825 - 12-T0-1012 1 SYSTÈME D'ÉQUILIBRAGE DE TENSION D'ÉLÉMENTS SEMI-CONDUCTEURS EN SÉRIE Domaine La présente description concerne, de façon générale, les circuits électroniques et, plus particulièrement, un système d'équilibrage de tension destiné à des dispositifs semi- conducteurs connectés en série. La présente description vise plus particulièrement les applications de puissance. Exposé de l'art antérieur Il est fréquent de devoir connecter en série plusieurs composants semi-conducteurs qui se voient appliquer ensemble une tension relativement élevée par rapport aux tensions individuelles que sont susceptibles de supporter les différents composants. C'est en particulier le cas de diodes de redressement connectées en série entre deux bornes d'application d'une haute tension (typiquement plusieurs centaines de volts). Chaque diode voit alors une tension inférieure à cette tension totale. Idéalement, la tension vue par chaque diode, ou plus généralement par chaque élément semi-conducteur, correspond à la tension totale divisée par le nombre de composants. En pratique, en raison des dispersions technologiques dans la réalisation des dispositifs semi-conducteurs, des tolérances de fabrication et des dispersions liées à une différence de température entre B12825 - 12-T0-1012 2 chaque élément dans l'application, il est fréquent un déséquilibre des tensions entre les différentes peut conduire à une situation dans laquelle une des à ses bornes, une tension qui excède la tension 5 supporter. On en parallèle réaliser un d'assister à diodes. Cela diodes voit, qu'elle peut a déjà proposé des systèmes consistant à connecter avec chaque diode une résistance de protection pour équilibre statique et un condensateur pour une protection dynamique. Toutefois, les dispositifs basés sur des 10 résistances en parallèle sur les diodes présentent l'inconvénient notable d'engendrer des pertes permanentes à travers ces résistances. Résumé Un mode de réalisation de la présente description vise 15 à pallier tout ou partie des inconvénients des systèmes d'équilibrage usuels. Un autre mode de réalisation vise à proposer une solution réduisant les pertes par rapport à un système dans lequel on utilise des résistances d'équilibrage en parallèle 20 avec chaque élément. Un autre mode de réalisation vise une solution auto-adaptative. Un autre mode de réalisation vise une solution ne requérant aucun signal de commande provenant de l'extérieur. 25 Ainsi, un mode de réalisation prévoit un circuit d'équilibrage d'une tension aux bornes d'un élément semiconducteur connecté en série avec d'autres éléments semiconducteurs du même type, comportant : un comparateur d'une information représentative de la 30 tension aux bornes dudit élément semiconducteur par rapport à une tension de référence (VREF); et un élément résistif de valeur réglable commandé par ledit comparateur. Selon un mode de réalisation, ladite tension de 35 référence est représentative de la tension, appliquée à B12825 - 12-T0-1012 3 l'association en série des éléments semiconducteurs, divisée par le nombre d'éléments. Selon un mode de réalisation, ledit élément résistif est un transistor MOS. Selon un mode de réalisation, ledit comparateur est un premier amplificateur opérationnel dont une première entrée reçoit ladite information représentative de la tension aux bornes de l'élément semiconducteur et dont une seconde entrée reçoit ladite tension de référence. Selon un mode de réalisation, ladite tension de référence est fournie par un deuxième amplificateur opérationnel monté en soustracteur. Selon un mode de réalisation, ladite information représentative de la tension aux bornes de l'élément semi- conducteur est prélevée au point milieu d'un premier pont diviseur résistif connecté aux bornes dudit élément semiconducteur. Selon un mode de réalisation, le circuit comporte : deux premières bornes destinées à être raccordées aux 20 bornes dudit élément semiconducteur ; et deux deuxièmes bornes, destinées à être respectivement raccordées à un circuit précédent et à un circuit suivant dans l'association en série desdits éléments semiconducteurs. Selon un mode de réalisation, un deuxième pont 25 diviseur résistif relie lesdites deux deuxièmes bornes, le point milieu du deuxième pont diviseur étant relié à une première entrée dudit deuxième amplificateur opérationnel dont une deuxième entrée est reliée, par un deuxième élément résistif, à l'autre deuxième borne et par un troisième élément résistif à 30 l'une des premières bornes. On prévoit également un système d'auto-équilibrage d'éléments semiconducteurs associés en série, comportant un circuit tel que ci-dessus, connecté en parallèle sur chaque élément semiconducteur. B12825 - 12-T0-1012 4 Selon un mode de réalisation, lesdits éléments semiconducteurs sont des diodes. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 5 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique d'une association en série d'éléments semi-conducteurs du type 10 auxquels s'appliquent les modes de réalisation qui vont être décrits ; la figure 2 représente, schématiquement et sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un système d'équilibrage des tensions aux bornes d'éléments semi-conducteurs connectés en 15 série ; la figure 3 est un schéma électrique détaillé d'un circuit d'équilibrage du système de la figure 2 ; et la figure 4 illustre un exemple d'interconnexion de circuits de la figure 3. 20 Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. 25 En particulier, la destination d'une association en série d'éléments semi-conducteurs n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles utilisant plusieurs dispositifs semi-conducteurs connectés en série. 30 La figure 1 est une représentation schématique d'un exemple d'association en série d'éléments ou composants D1, D2, Dn_i, Dn aux bornes 12, 14 de l'association en série desquels est appliquée une tension VT. Chaque dispositif voit, à ses bornes, une tension Vpi (i étant compris entre 1 et n, et n 35 représentant le nombre de composants associés en série). B12825 - 12-T0-1012 Les applications les plus courantes de ces associations en série de composants semi-conducteurs concernent des dispositifs de protection, des dispositifs de conversion de tensions alternative/continue ou continue/continue comme des 5 alimentations à découpage haute tension pouvant se trouver dans des domaines comme la traction, les onduleurs solaires, la commande de lasers, etc. Ainsi, les dispositifs D1 à Dn sont, par exemple, des diodes semi-conductrices mais peuvent, plus généralement, être tout composant semi-conducteur par exemple des transistors MOS, des transistors IGBT, des commutateurs, des diodes Schottky, des diodes Zener, etc. Dans un montage du type de celui de la figure 1, les dispersions technologiques entre les différents composants peut 15 conduire à ce que l'un ou plusieurs d'entre eux voient à ses bornes une tension qui excède la tension qu'il peut supporter. En prenant l'exemple de diodes semi-conductrices, celles-ci sont données pour une tenue en tension inverse de pointe répétitive (VRRm - Repetitive Reverse Maximum Voltage) et 20 un courant inverse maximal (IR - Maximum Reverse Current) correspondant à la valeur instantanée maximale qui, pour la tension VÉRm, correspond à la température maximale de jonction. On définit alors une tension maximale inverse de service (VRm - Maximum Reverse Voltage) qui correspond à la valeur VÉRm 25 affectée d'un coefficient de sécurité k. Dans les circuits connus, on connecte une résistance (non représentée en figure 1) en parallèle avec chaque diode dans un souci d'équilibrage statique de la tension, et généralement des capacités, également montées individuellement 30 en parallèle sur chaque diode, à des fins d'équilibrage dynamique. Les résistances et capacités sont dimensionnées pour que la tension aux bornes de chaque diode de l'association en série n'excède pas la valeur VRm. Toutefois, on se trouve 35 confronté à un problème de pertes résistives permanentes lors du B12825 - 12-T0-1012 6 fonctionnement du circuit. Par ailleurs, on est généralement contraint de dimensionner les résistances pour tenir compte du pire cas. Cela conduit à accroitre les pertes en fonctionnement normal. La figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système dans lequel un circuit actif Ci (i compris entre 1 et n) est connecté en parallèle avec chaque composant, dans cet exemple des diodes Di (D1 à Dn). Chaque circuit Ci est connecté aux bornes Ki et Ai de la diode 10 concernée. Comme les diodes sont en série, l'anode Ai d'une diode de rang i est commune (ou connectée) à la cathode Kiil de la diode de rang i+1. Dans l'exemple d'orientation pris aux figures, la cathode de la diode D1 définit la borne 12 d'application du potentiel haut de la tension VT et l'anode An 15 de la diode Dn définit la borne 14 d'application du potentiel bas de la tension VT. Chaque circuit Ci est connecté aux circuits Ci_i et Ciil qui lui sont adjacents par sa connexion aux anode et cathode de la diode à laquelle il est associé (à l'exception des 20 premier C1 et dernier Cn circuits qui ne sont connectés respectivement qu'au circuit suivant C2 et qu'au circuit précédent Cn_i). De plus, chaque circuit Ci est également directement connecté à ces circuits adjacents Ci_i et Ciil (avec la même exception pour les premier et dernier circuits), 25 indépendamment de la connexion par l'intermédiaire de sa diode. Cela ressortira mieux de la description de la figure 3 qui suit. La figure 3 représente le schéma électrique détaillé d'un mode de réalisation d'un circuit Ci. La figure 4 illustre la connexion (ou montage) de n 30 circuits dans une association en série de n diodes. Chaque circuit Ci comporte deux bornes 21 et 23 destinées à être connectées aux électrodes respectives Ki et Ai de la diode concernée et deux bornes 25 et 27 destinées à être connectées respectivement aux circuits Ci_i et Ci+1. Pour le 35 circuit Cl, sa borne 25 est connectée à sa borne 21 (donc à la B12825 - 12-T0-1012 7 borne 12). Pour le circuit Cn, sa borne 27 est connectée à sa borne 23 (donc à la borne 14). Dans la description qui suit du circuit Ci, on prendra pour exemple le cas d'éléments résistifs réalisés sous la fo= de résistances, mais ces "résistances" pourront être réalisées sous différentes formes (par exemple, sous la forme de transistors MOS). En effet, les valeurs des éléments résistifs du circuit Ci sont compatibles avec une réalisation sous forme de circuit intégré. Un pont diviseur résistif, constitué de deux résistance R1 et R2 en série entre les bornes 21 et 23, fournit une information VFBi relative à la tension aux bornes de la diode Di (non visible en figure 3). Cette information VÉBi, prélevée au point milieu 22 de cette association en série, est envoyée sur une borne non inverseuse (+) d'un amplificateur opérationnel 31 monté en comparateur analogique par rapport à un niveau de référence VREF. La sortie de l'amplificateur 31 est reliée à une électrode de commande d'un transistor, par exemple un transistor MOS M (par exemple de type N). Le transistor M fonctionne en mode linéaire, c'est-à-dire que le signal de commande de sa grille fait varier sa résistance série à l'état passant (RdsON). Le transistor M relie les bornes 21 et 23. Le comparateur 31 est monté en inverseur, sa sortie étant reliée à sa borne d'entrée inverseuse (-) par une résistance R3, et le niveau de référence VREF étant appliqué par l'intermédiaire d'une résistance R4, de préférence de même valeur que la résistance R3. Les valeurs des résistances R1 et R2 sont choisies en fonction de la tension d'alimentation du comparateur 31 et de la tension maximale entre les bornes 21 et 23 (tension Vbi maximale susceptible d'être vue par la diode Di). En supposant que les diodes ont des caractéristiques identiques (même tension VRRm), les résistances R1 de tous les circuits Ci sont, de préférence, de même valeur et les résistances R2 de tous les circuits sont, de préférence, de même B12825 - 12-T0-1012 8 valeur. Il en est de même, d'une part, pour les résistances R3, et d'autre part, pour les résistances R4. Le niveau de référence VREF est généré par un amplificateur opérationnel 33, monté en soustracteur, dont le rôle est de diviser, par le nombre n de diodes Di de l'association en série, la tension VT présente entre les bornes 12 et 14, et, pour chaque diode Di, de référencer cette valeur par rapport à son anode (borne 23 du circuit Ci). L'entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur 33 est reliée à sa sortie 24 par une résistance R5 ainsi que par une résistance R6 au point milieu 26 d'une association en série de résistances R7 et R8, connectées entre les bornes 25 et 27 du circuit Ci. L'entrée inverseuse (-) de l'amplificateur 33 est reliée, par une résistance R9, à la borne 27 et, par une résistance R10, à la borne 23, pour référencer la tension VREF à l'anode Ai de la diode Di. Chaque circuit Ci est connecté aux circuits qui lui sont adjacents par ses bornes 25 et 27, la borne 25 du circuit Ci étant connectée à la borne 27 du circuit Ci_i de rang inférieur et la borne 27 du circuit Ci étant connectée à la borne 25 du circuit Ciil de rang supérieur. La borne 25 du circuit C1 est reliée à la borne 12 et la borne 27 du circuit Cn est reliée à la borne 14. En supposant que les diodes ont des caractéristiques identiques (même tension VRRm), les résistances R7 de tous les circuits sont, de préférence, de même valeur et les résistances R8 de tous les circuits sont, de préférence, de même valeur. Ces valeurs sont choisies en fonction de la tension d'alimentation des amplificateurs 33 et des valeurs maximales susceptibles d'être prises par les tensions VRRm des diodes et VT. Les résistances R1 et R7 sont de même valeur et les résistances R2 et R8 sont de même valeur. Par ailleurs, les résistances R5 sont, de préférence, de même valeur, les résistances R6 sont, de préférence, de même 35 valeur, les résistances R9 sont, de préférence, de même valeur, B12825 - 12-T0-1012 9 et les résistances R10 sont, de préférence, de même valeur. Selon un exemple particulier de réalisation, les valeurs des résistances R5, R6, R9 et R10 sont toutes identiques. La résistance R3 est, de préférence, très supérieure à la résistance R4 (par exemple avec un facteur compris entre 10 et 100) de manière à avoir un fort gain du système en boucle fermée. Le rôle du circuit Ci est de mesurer la tension aux bornes de la diode Di et de comparer cette tension à la tension totale VT divisée par le nombre de diodes, afin de dévier, le cas échéant, une partie du courant à travers le transistor M et équilibrer ainsi les différentes tensions Vpi de l'association en série. L'asservissement du système conduit à ce que la 15 tension VFBi tend, pour un système équilibré, vers la tension VREF- En cas de déséquilibre, la tension VE-Bi vaut un certain ratio de la tension Vpi tandis que la tension VREF vaut un certain ratio de la tension VT avec, par exemple, ce ratio 20 égal à R/(R+R'), où R représente la valeur des résistances R1 et R7, et où R' représente la valeur des résistances R2 et R8. Le courant Irevi dans chaque diode Di, ajouté au courant Iouti dans le transistor M du circuit Ci qui lui est associé, est identique pour chaque association diode Di / circuit d'équilibrage Cl. 25 Le gain de l'amplificateur 31 et le rapport entre le courant Iouti (donc la résistance RdsoN) et la tension grille-source Vgs du transistor M est choisi en fonction de la valeur de la tension totale VT et du nombre n de diodes. Un avantage des modes de réalisation qui ont été 30 décrits est que la consommation dans le transistor M du circuit d'équilibrage n'intervient qu'en présence d'un déséquilibre. En effet, la consommation liée aux éléments résistifs R1 à R10 et aux amplificateurs 31 et 32 est négligeable car les courants sont faibles (typiquement moins d'au moins 100 fois le besoin de 35 dissipation dans le transistor M). B12825 - 12-T0-1012 10 Les modes de réalisation décrits requièrent une source d'alimentation des amplificateurs 31 et 33. Cette alimentation peut être extraite de la tension aux bornes des diodes concernées ou être prélevée d'une source de tension autre du système. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, en cas de diodes présentant des caractéristiques nominales différentes les unes des autres, les valeurs des différentes résistances devront être adaptées. De plus, bien que l'on ait fait référence à un transistor MOS M pour dévier le courant, il pourra s'agir plus généralement de tout élément résistif commandable, c'est-à-dire, dont la valeur de résistance est réglable, par exemple un transistor bipolaire. Par ailleurs, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits, en particulier le dimensionnement des composants des circuits Ci, est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et de l'application. REVENDICATIONS1. Circuit (Ci) d'équilibrage d'une tension aux bornes d'un élément semiconducteur (Di) connecté en série avec d'autres éléments semiconducteurs (D1, D2, ..., Dn_i, Dn) du même type, comportant : un comparateur (31) d'une information (VFBi) représentative de la tension (Vpi) aux bornes (Ki, Ai) dudit élément semiconducteur par rapport à une tension de référence (VREF) ; et un élément résistif de valeur réglable (M) commandé 10 par ledit comparateur. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel ladite tension de référence (VREF) est représentative de la tension (VT), appliquée à l'association en série des éléments semiconducteurs (Di), divisée par le nombre (n) d'éléments. 15 3. Circuit selon la revendication 1, dans lequel ledit élément résistif est un transistor MOS (M). 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit comparateur est un premier amplificateur opérationnel dont une première entrée reçoit ladite information 20 représentative (VFBi) de la tension (Vpi) aux bornes de l'élément semiconducteur (Di) et dont une seconde entrée reçoit ladite tension de référence (VREF). 5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel ladite tension de référence (-VREF) est fournie par un deuxième 25 amplificateur opérationnel (33) monté en soustracteur. 6. Circuit selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ladite information représentative (iEmi) de la tension (Vpi) aux bornes de l'élément semiconducteur (Di) est prélevée au point milieu (22) d'un premier pont diviseur résistif (R1, R2) 30 connecté aux bornes dudit élément semiconducteur. 7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant :B12825 - 12-T0-1012 12 deux premières bornes (21, 23) destinées à être raccordées aux bornes (Ki, Ad) dudit élément semiconducteur (Di) ; et deux deuxièmes bornes (25, 27), destinées à être 5 respectivement raccordées à un circuit précédent (Ci_i) et à un circuit suivant (Ci+1) dans l'association en série desdits éléments semiconducteurs (D1, D2, ..., Dn_i, Dn) 8. Circuit selon la revendication 7 dans son rattachement aux revendications 5 et 6, dans lequel un deuxième 10 pont diviseur résistif (R7, R8) relie lesdites deux deuxièmes bornes (25, 27), le point milieu (26) du deuxième pont diviseur étant relié à une première entrée dudit deuxième amplificateur opérationnel (33) dont une deuxième entrée est reliée, par un deuxième élément résistif (R9), à l'autre deuxième borne et par 15 un troisième élément résistif (R10) à l'une des premières bornes. 9. Système d'auto-équilibrage d'éléments semiconducteurs (D1, D2, ..., Dn_i, Dn) associés en série, comportant un circuit conforme à l'une quelconque des revendications précé- 20 dentes, connecté en parallèle sur chaque élément semiconducteur (Di). 10. Système selon la revendication 9, dans lequel lesdits éléments semiconducteurs sont des diodes (D1, D2, ..., Dn_i, Dn).