Brevet FR3035280A1 — publié le 20161021

B13758 - C03375-GR2X 1 CIRCUIT DE COMMANDE D'UN CONVERTISSEUR DC-DC Domaine La présente description concerne de façon générale les dispositifs électroniques et, plus particulièrement, les convertisseurs de puissance continu-continu et un circuit de 5 commande d'un convertisseur de puissance continu-continu. Exposé de l'art antérieur Dans la plupart des circuits électroniques de conversion de puissance, on utilise un circuit ou étage, dit "de puissance", destiné à fournir un courant relativement important (de l'ordre 10 de l'ampère à quelques ampères) à une charge. Il s'agit, par exemple, de circuits d'alimentation, de circuits de commande d'éléments de puissance à partir d'un circuit électronique, etc. Les circuits auxquels s'applique la présente description sont des circuits dits de conversion de puissance continu-continu (dc-dc) 15 car ils convertissent un signal de consigne continu en un signal de puissance également continu. Un convertisseur continu-continu opère sur le principe d'un découpage d'une tension d'alimentation continue, associé à un filtrage passe-bas. Dans les applications visées par la 20 présente description, la conversion ne s'accompagne pas nécessairement d'une modification de la valeur de la tension par rapport à la tension du circuit de commande, mais de la génération 3035280 B13758 - C03375-GR2X 2 d'un courant supérieur à celui qu'est capable de fournir ce circuit de commande. En pratique, deux transistors MOS, typiquement respectivement à canal P et à canal N sont connectés en série entre deux bornes de fourniture d'une tension continue. Ces deux transistors sont dits, de puissance, car ils sont dimensionnés pour supporter un courant relativement élevé par rapport au courant que peuvent supporter les transistors du circuit de commande. Résumé Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des circuits usuels de commande d'un convertisseur continu-continu. Un mode de réalisation vise à proposer un circuit de 15 commande d'un convertisseur continu-continu à faibles pertes de commutation. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un circuit de commande d'un convertisseur continu-continu comportant : au moins deux transistors d'un premier type connectés 20 en série entre une première borne d'application d'une tension continue et une grille du transistor principal ; au moins deux transistors d'un deuxième type connectés en série entre ladite grille et une deuxième borne d'application de la tension continue ; et 25 au moins un élément capacitif connectant les points milieux respectifs entre les transistors du premier type et du deuxième type. Selon un mode de réalisation, les transistors des premier et deuxième types sont commandés individuellement afin de 30 provoquer une charge et une décharge progressive de la grille du transistor principal. Selon un mode de réalisation, la capacité de l'élément capacitif est au moins 5 fois, de préférence au moins 10 fois supérieure, à la capacité grille-source du transistor principal. 3035280 B13758 - C03375-GR2X 3 Un mode de réalisation prévoit également un convertisseur continu-continu, comportant : au moins un transistor principal ; et au moins un circuit tel que ci-dessus. 5 Selon un mode de réalisation, le convertisseur comporte : deux transistors principaux en série entre deux bornes d'application d'une tension continue ; et deux circuits de commande tels que ci-dessus. 10 Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 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 représente, de façon schématique, un exemple d'architecture de convertisseur continu-continu ; la figure 2 représente un exemple d'étage de sortie d'un circuit de commande usuel pour convertisseur continu-continu abaisseur ; la figure 3 représente, de façon schématique, un mode de réalisation d'un circuit de commande pour convertisseur continu-continu ; la figure 4 illustre le fonctionnement du circuit de commande de la figure 3 ; et la figure 5 représente, de façon schématique, un autre mode de réalisation d'un circuit de commande pour convertisseur continu-continu. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont 3035280 B13758 - C03375-GR2X 4 été représentés et seront détaillés. En particulier, les circuits alimentés par le convertisseur continu-continu n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles. Dans la description, le terme 5 "connecté" désigne une connexion directe entre deux éléments, alors que les termes "couplé" et "relié" désignent une connexion entre deux éléments qui peut être directe ou par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. Lorsque l'on fait référence aux termes "environ", "approximativement" ou "de l'ordre de", cela 10 signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près. Dans la description qui suit, on prend pour exemple un convertisseur de puissance abaisseur de tension (buck). Toutefois, tout ce qui va être décrit s'applique plus généralement à tout type de convertisseur de puissance fonctionnant en commutation, 15 par exemple de type élévateur, abaisseur-élévateur, etc., également connus sous les dénominations boost, buck-boost, flyback, etc. La figure 1 représente, de façon schématique, un exemple de schéma électrique d'un convertisseur continu-continu. 20 Deux transistors MOS, par exemple respectivement MP à canal P et MN à canal N sont connectés en série entre deux bornes 12 et 14 d'application d'une tension continue Vdd, la borne 14 représentant un potentiel de référence, typiquement la masse. Dans les applications visées par la présente description, la tension 25 Vdd est, par exemple, comprise entre 2 et 10 volts. Le point milieu 16 entre les transistors MP et MN est relié à un filtre passe-bas 2 de fourniture d'une tension de sortie à une charge Q. Le filtre 2 est généralement constitué d'un élément inductif 22 reliant le noeud 16 à une borne 24 de sortie à laquelle est 30 connectée la charge Q et d'un élément capacitif 26 reliant la borne 24 à la borne 14. Les transistors MP et MN sont commandés alternativement par des circuits de commande 3 et 4 (driver) pour respectivement fournir un courant à l'inductance depuis la borne 12 et charger 35 le condensateur 26 et prélever le courant de l'inductance 22. 3035280 B13758 - C03375-GR2X 5 Chaque circuit 3, 4 est généralement commandé par un train d'impulsions ctrl haute fréquence (de plusieurs centaines de kHz à quelques dizaines de MHz) et a pour rôle de commander, à cette fréquence, le transistor MP ou MN qui lui est associé. 5 La figure 2 représente, partiellement, un exemple de circuit de commande 4' usuel associé au transistor MN. Le circuit 4' comporte deux transistors MOS 4P et 4N en série entre les bornes 12 et 14. Les deux transistors 4P et 4N forment, soit le circuit 4', soit un étage de sortie de celui-ci. 10 Les grilles respectives de ces transistors sont interconnectées et reçoivent des impulsions de commande. Le point milieu 42 entre les transistors 4P et 4N définit une borne de sortie du circuit de commande, connectée à la grille du transistor MN. L'étage 4' constitue une mise en série d'inverseurs CMOS. En figure 2, on a 15 représenté en pointillés la capacité parasite grille-source Cgs du transistor de puissance MN. Cette capacité grille-source Cgs qui relie, dans le cas d'un convertisseur abaisseur, la sortie 42 du circuit 4' à la masse 14, conditionne les pertes en commutation du convertisseur. 20 En effet, lorsque le transistor 4N est rendu passant pour éteindre le transistor MN, l'énergie contenue dans la capacité grille-source du transistor MN est évacuée vers la masse et dissipée dans la résistance à l'état passant du transistor 4N. De même, lorsque le transistor 4P est rendu passant pour rendre 25 conducteur le transistor MN en chargeant sa grille, une énergie est dissipée dans la résistance drain-source du transistor 4P à l'état passant et est perdue. En raison de la taille du transistor MN, ces pertes en commutation ne sont pas négligeables. En outre, plus la fréquence de commutation est élevée, plus ces pertes sont 30 élevées. Le même phénomène se produit côté transistor MP et son circuit de commande 3. Dans d'autres montages de conversion de puissance, le transistor de puissance commandé par le circuit 4' n'est pas 3035280 B13758 - C03375-GR2X 6 connecté à la masse. Toutefois, on assiste quand même à un phénomène de pertes en communication. La figure 3 représente un mode de réalisation d'un circuit de commande 4 d'un transistor MOS de puissance. Dans 5 l'exemple de la figure 3, on suppose qu'il s'agit du circuit 4 de commande du transistor MM de la figure 1. Selon ce mode de réalisation, l'étage de sortie du circuit 4 comporte au moins deux transistors MOS Pl, P2, à canal P, et au moins deux transistors MOS N2, N1, à canal N, en série 10 entre les bornes 12 et 14. Le point milieu entre les transistors à canal P, P2, et à canal N, N2, définit la borne de sortie 42 du circuit 4. Le point milieu 44 entre les deux transistors Pl et P2 est relié, par un élément capacitif CT, au point milieu 46 entre les deux transistors N2 et Nl. Les transistors Pl, P2, N1 et N2 15 sont commandés individuellement par des signaux numériques respectifs ctr1P1, ctrlP2, ctr1N1 et ctrlN2, différents les uns des autres. Ces signaux sont générés, à partir de consignes de commande du type du signal ctrl (figure 2) par exemple par un circuit logique 6 (LC) ou, pour des versions plus évoluées, par 20 un microcontrôleur. La figure 4 illustre le fonctionnement du circuit 4 pour la commande du transistor MN. Cette figure est un chronogramme de la tension grille-source Vgs du transistor MN et illustre les différentes phases de mise en conduction et d'extinction du 25 transistor MN. Dans la description qui suit, on néglige les chutes de tension à l'état passant dans les différents composants. On suppose le condensateur CT initialement chargé, c'est-à-dire que le circuit a déjà fonctionné. La tension aux bornes du condensateur CT est alors d'environ Vdd/2. 30 On suppose un état initial où les transistors N1 et N2 sont passants (signaux ctr1N1 et signaux ctrlN2 à l'état haut, par exemple au niveau Vdd) tandis que les transistors Pl et P2 sont bloqués (signaux ctr1P1, ctrlP2, ctr1N1 et ctrlN2 à l'état haut, par exemple au niveau Vdd). Le noeud 42 (donc la grille du 35 transistor MN) est alors à 0 volt et le transistor MN est bloqué. 3035280 B13758 - C03375-GR2X 7 A un instant tl, le transistor N2 est bloqué tandis que le transistor P2 est rendu passant (signaux ctrlN2 et ctrlP2 à 0 volt). Il en découle une décharge du condensateur CT dans la capacité grille-source du transistor MN et le potentiel du noeud 5 42 atteint la valeur Vdd/2. On suppose que la capacité du condensateur CT est suffisante pour que la tension à ses bornes ne chute pas sensiblement. A un instant t2, le transistor Pl est rendu passant tandis que le transistor N1 est bloqué (signaux ctr1P1 et ctr1N1 10 à 0 volt). La tension Vdd de la borne 12 se retrouve alors appliquée au noeud 42 et la tension grille-source du transistor MN prend la valeur Vdd. Lors de l'extinction du transistor MN, on applique une technique de commutation étagée similaire permettant de recharger 15 le condensateur CT pour le cycle suivant. Ainsi, à un instant t3, le transistor P2 est bloqué tandis que le transistor N2 est rendu passant (signaux ctrlP2 et ctrlN2 portés au niveau Vdd). Il en découle une décharge du noeud 42 dans le condensateur CT de sorte que la tension grille-source 20 Vgs décroît jusqu'à prendre la valeur Vdd/2. A un instant t4, le transistor Pl est bloqué tandis que le transistor N1 est rendu passant (signaux ctr1P1 et ctr1N1 au niveau Vdd). La capacité Cgs se décharge alors à travers les transistors N2 et N1 tandis que le condensateur CT maintient sa charge à Vdd/2. Le circuit est 25 alors prêt pour un nouveau cycle. La précharge du noeud 42 à la valeur Vdd/2 avant de le porter au niveau Vdd par la fermeture du transistor Pl, et sa décharge à la valeur Vdd/2 avant de le connecter à la masse par le transistor N1, réduisent les pertes en commutation du 30 convertisseur, car une partie de l'énergie nécessaire à la commutation du transistor de puissance est recyclée dans la capacité CT au lieu d'être fournie par l'alimentation du circuit. La période de conduction du transistor MN n'est pas modifiée par rapport à un fonctionnement usuel (fréquence de 35 commutation de quelques centaines de kHz à quelques dizaines de 3035280 B13758 - C03375-GR2X 8 MHz) si ce n'est que la commutation à la fermeture et à l'ouverture est progressive. La capacité du condensateur CT doit être suffisante afin que la tension à ses bornes ne chute pas trop quand il transfère 5 une partie de sa charge à la grille du transistor MN. De préférence, on choisira un condensateur CT ayant une capacité représentant au moins 5 fois, de préférence au moins 10 fois, la capacité grille-source du transistor MN. La présence des transistors P2 et N2 ainsi que du 10 condensateur CT permet d'étager la commande du transistor 1\11\T et limite ainsi les pertes en commutation. Un circuit similaire est utilisé côté transistor MP (circuit 3) de façon à, là aussi, procurer une commande adiabatique du transistor MP. 15 La figure 5 est un schéma électrique d'un autre mode de réalisation dans lequel on prévoit trois transistors Pl à P3 à canal P et trois transistors N1 à N3 à canal N. Outre le condensateur CT reliant les noeuds 44 (entre les transistors Pl et P2) et 46 (entre les transistors N1 et N2), un condensateur 20 CT' relie des noeuds 48 (entre les transistors P2 et P3) et 50 (entre les transistors N3 et N2), le noeud 42 correspondant au point milieu entre les transistors P3 et N3. En supposant des condensateurs CT et CT' de même capacité, les tensions à leurs bornes prennent des valeurs Vdd/3 et 2Vdd/3 alternativement. 25 Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrit est qu'ils réduisent les pertes en commutation, une partie de l'énergie stockée dans la grille des transistors de puissance étant réutilisée. Un autre avantage est que la commande des transistors 30 du circuit de commande est compatible avec une commande numérique (0-Vdd) et ne nécessite pas la génération de potentiels intermédiaires. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En 35 particulier, le nombre de transistors du circuit de commande 3035280 B13758 - C03375-GR2X 9 multiniveau dépend de l'application et d'un compromis entre le niveau acceptable pour les pertes en commutation et la surface du circuit. Plus le nombre de niveaux est élevé, moins le sont les pertes en commutation. Un nombre de transistors compris entre 4 5 et 10 constitue, dans la plupart des cas, une solution acceptable. De plus, bien que les modes de réalisation décrits prennent pour exemple un convertisseur abaisseur, le principe s'applique plus généralement à toute commutation d'un transistor de puissance. Par ailleurs, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation 10 qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, la programmation du microcontrôleur de génération des signaux de commande des transistors du circuit de commande multiniveau est à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Circuit de commande d'un transistor principal (MP, MN) d'un convertisseur continu-continu comportant : au moins deux transistors d'un premier type (Pl, P2 ; Pl, P2, P3) connectés en série entre une première borne (12) 5 d'application d'une tension continue (Vdd) et une grille du transistor principal ; au moins deux transistors d'un deuxième type (N1, N2 ; N1, N2, N3) connectés en série entre ladite grille et une deuxième borne (14) d'application de la tension continue ; et 10 au moins un élément capacitif (CT) connectant les points milieux respectifs (44, 46) entre les transistors du premier type et du deuxième type. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel les transistors des premier et deuxième types sont commandés 15 individuellement afin de provoquer une charge et une décharge progressive de la grille du transistor principal. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la capacité de l'élément capacitif (CT) est au moins 5 fois, de préférence au moins 10 fois supérieure, à la capacité grille-20 source du transistor principal. 4. Convertisseur continu-continu, comportant : au moins un transistor principal (MP, MN) ; et au moins un circuit conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3. 25 5. Convertisseur continu-continu, comportant : deux transistors principaux (MP, MN) en série entre deux bornes d'application d'une tension continue ; et deux circuits conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 3.