Brevet FR3030944A1 — publié le 20160624

B13715 - 13-T0-0855 1 SYSTÈME D'ÉQUILIBRAGE DE COURANTS D'ÉLÉMENTS SEMICONDUCTEURS EN PARALLÈLE Domaine La présente demande concerne les circuits électroniques de façon générale, et vise plus particulièrement un circuit d'équilibrage de courants destiné à des composants semiconducteurs reliés en parallèle. La présente demande concerne plus particulièrement les applications de puissance. Exposé de l'art antérieur Il existe de nombreuses applications dans lesquelles plusieurs composants semiconducteurs de même type assemblés en parallèle se voient appliquer ensemble un courant relativement élevé par rapport aux courants individuels que sont susceptibles de supporter les différents composants. C'est en particulier le cas d'un assemblage de diodes de puissance connectées en parallèle entre deux bornes d'application d'une haute tension (typiquement plusieurs dizaines à plusieurs centaines de volts). A l'état passant, chaque diode voit un courant inférieur au courant total circulant dans l'assemblage. Idéalement, le courant vu par chaque diode, ou, plus généralement, par chaque élément semiconducteur, correspond au courant total divisé par le nombre de composants. En pratique, pour des raisons de dispersions technologiques dans la réalisation des composants semiconducteurs, de tolérances de B13715 - 13-T0-0855 2 fabrication, et/ou de dispersions liées à une différence de température entre chaque composant dans l'application, il existe souvent un déséquilibre des courants entre les différents composants. Ceci peut conduire à une situation dans laquelle l'un des composants est traversé par un courant qui excède le courant maximal qu'il peut supporter. Pour répondre à cette problématique, on peut prévoir de faire un tri parmi les composants, après leur fabrication, pour n'assembler en parallèle que des composants ayant des dispersions de caractéristiques plus restreintes que les dispersions de fabrication. Une autre solution est de sur-dimensionner l'assemblage, c'est-à-dire d'assembler en parallèle au moins un composant de plus que le nombre n de composants qu'il conviendrait de prévoir pour supporter le courant maximal de l'application considérée si tous les composants avaient des caractéristiques identiques. Ces deux solutions ont toutefois un coût non négligeable, qu'il serait souhaitable de pouvoir réduire. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un circuit d'équilibrage de courants circulant dans un assemblage parallèle de composants semiconducteurs du même type, ce circuit comportant, pour chaque composant, un circuit de régulation comprenant : un comparateur d'un premier signal représentatif du courant circulant dans le composant par rapport à un signal de référence ; et un élément résistif de résistance réglable, commandé par ledit comparateur. Selon un mode de réalisation, le signal de référence est représentatif du courant total circulant dans l'assemblage, divisé 30 par le nombre de composants. Selon un mode de réalisation, dans chaque circuit de régulation, l'élément résistif de résistance réglable est un transistor MOS. Selon un mode de réalisation, dans chaque circuit de 35 régulation, l'élément résistif de résistance réglable est destiné B13715 - 13-T0-0855 3 à être relié en série avec le composant auquel est associé le circuit de régulation. Selon un mode de réalisation, chaque circuit de régulation comprend une résistance de mesure de courant, destinée à être reliée en série avec le composant auquel est associé le circuit de régulation, et, dans chaque circuit de régulation, le premier signal est la tension aux bornes de la résistance de mesure de courant. Selon un mode de réalisation, dans chaque circuit de 10 régulation, le comparateur comprend un amplificateur opérationnel dont une première entrée reçoit le premier signal et dont une deuxième entrée reçoit le signal de référence. Selon un mode de réalisation, le circuit comporte un circuit de fourniture dudit signal de référence, ce circuit 15 comportant un circuit de sommation des premiers signaux fournis par les différents circuits de régulation, et un circuit de division d'un signal de sortie du circuit de sommation par le nombre de composants. Selon un mode de réalisation, le circuit de sommation 20 comprend au moins un amplificateur opérationnel. Selon un mode de réalisation, le circuit de division est un pont diviseur de tension résistif. Selon un mode de réalisation, les circuits de régulation sont identiques les uns aux autres. 25 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 : 30 la figure 1 est une représentation schématique d'une association en parallèle de composants semiconducteurs du type auquel s'appliquent les modes de réalisation qui vont être décrits ; la figure 2 représente schématiquement, sous forme de 35 blocs, un mode de réalisation d'un système d'équilibrage des B13715 - 13-T0-0855 4 courants circulant dans des composants semiconducteurs assemblés en parallèle ; et la figure 3 est un schéma électrique du système de la figure 2, illustrant de façon détaillée un exemple de réalisation 5 d'un circuit d'équilibrage de ce système. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. De plus, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation 10 décrits ont été détaillés. En particulier, les utilisations qui peuvent être faites d'un assemblage parallèle de composants semiconducteurs n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles utilisant plusieurs composants semiconducteurs de même type reliés en 15 parallèle. La figure 1 est une représentation schématique d'un assemblage de n composants semiconducteurs D1, D2, ... Dn_i, Dn, connectés en parallèle entre des bornes A et K. Les composants Di (avec i entier allant de 1 à n) sont par exemple identiques aux 20 dispersions de fabrication près. En fonctionnement, pendant une phase de mise en conduction de l'assemblage, un courant IT peut circuler entre les bornes A et K. Chaque composant Di est alors traversé par un courant 'Di inférieur au courant IT. Les applications les plus courantes de tels assemblages 25 en parallèle de composants semiconducteurs concernent des dispositifs de protection, des dispositifs de conversion de tension alternative/continue ou continue/continue comme des alimentations à découpage haute tension et/ou à fort courant (applications de type moteur de traction, onduleur solaire, poste 30 à souder, chargeur embarqué pour véhicule électrique ou hybride,... ), etc. Les composants D1 à Dn sont par exemple des diodes semiconductrices, mais peuvent, plus généralement, être des composants semiconducteurs d'un autre type, par exemple des B13715 - 13-T0-0855 transistors MOS, des transistors IGBT, des commutateurs, des diodes Schottky, des diodes Zener, etc. Dans un assemblage du type de celui de la figure 1, les dispersions entre les différents composants peuvent conduire à ce 5 qu'un ou plusieurs composants soient traversés par un courant supérieur au courant maximal que peut supporter le composant. La figure 2 représente schématiquement, sous forme de blocs, un exemple d'un mode de réalisation d'un système comportant un assemblage parallèle de n composants semiconducteurs D1 à Dn, et un circuit 200 d'équilibrage des courants circulant dans les composants D1 à Dn. Chaque composant Di comprend deux bornes de conduction principales ai et ki. Dans l'exemple représenté, chaque composant Di est une diode, les bornes ai et ki correspondant respectivement à l'anode et à la cathode de la diode. Les composants Di sont reliés en parallèle entre des bornes A et K de l'assemblage, via leurs bornes de conduction ai et ki. Dans l'exemple représenté, chaque composant Di a sa borne ai connectée à la borne A, et sa borne ki reliée à la borne K par l'intermédiaire du circuit d'équilibrage 200. Le circuit d'équilibrage 200 comprend n bornes de connexion bl à bn reliées respectivement aux n bornes kl à kn des composants D1 à Dn. Dans l'exemple représenté, les bornes bl à bn sont directement connectées aux bornes kl à kn respectivement. Le circuit d'équilibrage 200 comprend en outre une borne de connexion supplémentaire c, reliée à la borne K. Dans l'exemple représenté, la borne c est directement connectée à la borne K. Le circuit 200 comprend n circuits Ci de régulation de courant, par exemple identiques ou similaires. Chaque circuit Ci est associé au composant Di de même rang i. Plus particulièrement, chaque circuit de régulation Ci est connecté entre la borne bi de même rang i et la borne c du circuit d'équilibrage 200. En fonctionnement, lors d'une phase de conduction du système, un courant IT peut circuler entre les bornes A et K. 35 Chaque composant Di est alors traversé par un courant 'Di B13715 - 13-T0-0855 6 inférieur au courant IT. Chaque circuit de régulation Ci est traversé, entre ses noeuds de connexion aux bornes bi et c, par le même courant 'Di que le composant Di auquel il est associé. Chaque circuit de régulation Ci comprend un noeud di de 5 fourniture d'un signal VFBi, représentatif du courant 'Di circulant entre les bornes bi et c. Chaque circuit de régulation Ci comprend en outre un noeud ei d'application d'un signal de référence VREF, par exemple de même nature que le signal VFBi. Tous les circuits de régulation Ci reçoivent le même signal de 10 référence VREF sur leurs noeuds ei respectifs. Chaque circuit de régulation Ci est adapté à faire varier sa résistance entre les bornes bi et c, pour modifier le courant 'Di de façon à minimiser l'écart entre les signaux VFBi et VREF. Le circuit d'équilibrage 200 comprend en outre un 15 circuit 202 de fourniture du signal de référence VREF. Le circuit 202 comprend n noeuds d'entrée respectivement connectés aux noeuds d1 à dn des circuits C1 à Cn. Le circuit 202 comprend en outre un noeud de fourniture du signal VREF, connecté aux n noeuds el à en des circuits C1 à Cn. Le circuit 202 est adapté à fournir un 20 signal VREF égal à la somme des n signaux VFBi appliqués sur ses noeuds d'entrée, divisée par le nombre n de composants Di de l'assemblage. Ainsi, le circuit 200 est adapté à mesurer, dans chaque branche de l'assemblage parallèle des composants D1 à Dn, une 25 grandeur représentative du courant Ipi circulant dans la branche, à comparer cette grandeur à une grandeur représentative du courant total IT divisé par le nombre n de composants, et à modifier en conséquence la résistance de la branche de façon à équilibrer les différents courants Ipi de l'assemblage. L'asservissement du 30 système conduit à ce que, dans chaque branche de l'assemblage, le courant Ipi de la branche tende, pour un système équilibré, vers la valeur IT/n. La figure 3 est un schéma électrique du système de la figure 2, illustrant de façon plus détaillée un exemple de 35 réalisation du circuit d'équilibrage 200. B13715 - 13-T0-0855 7 Dans cet exemple, chaque circuit Ci comprend, en série entre la borne bi et la borne c, un élément à résistance réglable 301 et un élément résistif R sense de mesure du courant 'Di. Dans l'exemple représenté, l'élément 301 est un transistor MOS, dont 5 la résistance peut être réglée par application d'une tension de réglage sur sa grille de commande. A titre de variante, l'élément 301 peut être un transistor bipolaire, ou tout autre élément à résistance réglable. Dans la présente description, on prendra pour exemple d'éléments résistifs R sense des résistances, mais ces 10 résistances peuvent être réalisées sous différentes formes, y compris sous la forme de transistors MOS. Dans l'exemple représenté, l'élément 301 est connecté entre les noeuds bi et di du circuit Ci, et l'élément R sense est connecté entre le noeud di du circuit Ci et la borne c. Ainsi, 15 dans cet exemple, l'information VFBi fournie sur le noeud di du circuit Ci est la tension sur le noeud di, ou tension aux bornes de la résistance R sense , qui est proportionnelle au courant 'Di circulant dans la branche comportant, en série entre les bornes A et K, le composant Di, l'élément à résistance réglable 301, et 20 l'élément résistif de mesure R sense- Dans l'exemple de la figure 3, chaque circuit Ci comprend un amplificateur opérationnel 303 monté en comparateur analogique de tensions. L'amplificateur 303 comprend une entrée inverseuse (-) reliée au noeud ei d'application du signal VREF 25 par l'intermédiaire d'une résistance 305, et une entrée non inverseuse (+) reliée au noeud di de fourniture du signal VFBi par l'intermédiaire d'une résistance 307. Une résistance 309 est en outre connectée entre l'entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur 303 et un noeud GND d'application d'un potentiel 30 de référence, par exemple connecté à la borne K. Par ailleurs, une résistance 311 est connectée entre l'entrée inverseuse (-) de l'amplificateur 303 et la sortie de l'amplificateur. Les résistances 305 et 307 d'une part, et 309 et 311 d'autre part, sont de préférence de mêmes valeurs. Ainsi, l'amplificateur 303 35 fournit un signal de sortie proportionnel à la différence entre B13715 - 13-T0-0855 8 les tensions VFBi et VREF. La sortie de l'amplificateur 303 est connectée à un noeud de commande du transistor 301. Dans cet exemple, le transistor MOS 301 fonctionne en mode linéaire, c'est-à-dire que le signal de commande appliqué 5 sur la grille du transistor 301 fait varier la résistance série à l'état passant du transistor 301. Le rôle de l'amplificateur 303 monté en comparateur est d'appliquer sur la grille de commande du transistor 301 un signal tendant à accroître la résistance du transistor 301 (et donc diminuer le courant 'Di) si le signal VFBi 10 est supérieur au signal de référence VREF, et à diminuer la résistance du transistor 301 (et donc augmenter le courant 'Di) si le signal VFBi est inférieur au signal VREF. Dans l'exemple de la figure 3, le circuit 202 de génération du signal VREF comprend un circuit 321 de sommation 15 des tensions VFBi prélevées sur les noeuds di des circuits Ci. Le circuit 321 fournit, sur un noeud g, une tension égale à la somme des tensions VFBi. Le circuit 321 peut comprendre un ou plusieurs amplificateurs opérationnels, non représentés. Le circuit 202 comprend en outre, entre le noeud g et 20 le noeud c, une résistance 323 en série avec une résistance 325. Le point milieu de l'association en série des résistances 323 et 325 est connecté au noeud f de fourniture du signal VREF. Les résistances 323 et 325 du circuit 202 forment un pont diviseur de tension. Ainsi, la tension VREF fournie sur le 25 noeud f du circuit 202 est égale à la tension appliquée sur le noeud g (c'est-à-dire la somme des tensions VFBi), divisée par le coefficient (R323+R325)/R325, où R323 et R325 désignent respectivement la valeur de la résistance 323 et la valeur de la résistance 325. Dans cet exemple, les résistances 323 et 325 sont 30 choisies telles que n - (R323+R325)/R325, n étant le nombre de composants Di connectés au circuit d'équilibrage 200. A titre d'exemple non limitatif, le circuit 200 peut être réalisé sous la forme d'un circuit intégré, sur une puce semiconductrice comportant n+1 bornes de connexion à l'assemblage 35 parallèle des composants Di (les bornes bl à bn et la borne c). A B13715 - 13-T0-0855 9 titre de variante, les éléments du circuit 200 peuvent être intégrés sur une même puce semiconductrice, à l'exception de la résistance 325 qui peut être une résistance discrète externe au circuit intégré. Dans ce cas, la puce semiconductrice peut comprendre n+2 bornes de connexion (les bornes bl à bn, la borne c et la borne f). Ceci donne une possibilité d'ajuster la valeur de la résistance 325 en fonction de l'application considérée, notamment si l'on souhaite modifier le nombre de branches de l'assemblage parallèle des composants Di. Un avantage du mode de réalisation de la figure 3 est que le coût, l'encombrement, et la consommation du circuit d'équilibrage 200 sont relativement faibles. En particulier, les transistors MOS 301 peuvent être des transistors basse tension. En effet, à l'état bloqué de l'assemblage, c'est-à-dire lorsqu'une tension négative est appliquée entre les bornes A et K de l'assemblage, chaque transistor 301 est passant, du fait de la diode parasite ou diode body de ce transistor. La tenue en tension n'est donc pas assurée par les transistors 301, mais est assurée par les composants Di. En outre, la consommation des transistors 301 du circuit d'équilibrage n'intervient qu'en présence d'un déséquilibre des courants 'Di. De plus, les résistances R sense peuvent être de petite valeur, par exemple de valeur comprise entre 10 et 100 mn, et n'entrainer qu'une faible dissipation d'énergie. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à l'exemple particulier de circuit d'équilibrage de la figure 3. A titre de variante, dans chaque circuit de régulation Ci, l'information VFBI représentative du courant 'Di circulant dans le composant Di peut être un courant, par exemple obtenu au moyen d'un miroir de courant. Dans ce cas, la sommation effectuée dans le circuit 202 peut être une sommation de courants, et le signal VREF peut également être un courant. B13715 - 13-T0-0855 10 De plus, l'homme de l'art saura adapter les modes de réalisation décrits au cas où les composants semiconducteurs Di présentent des caractéristiques nominales différentes les unes des autres. Dans ce cas, les valeurs des différentes résistances pourront être adaptées. En particulier, dans l'exemple de la figure 3, les différents circuits Ci pourront comporter des résistances R sense et/ou des résistances 305 et/ou des résistances 307 et/ou des résistances 309 et/ou des résistances 311 de valeurs différentes. REVENDICATIONS1. Circuit (200) d'équilibrage de courants ('Di) circulant dans un assemblage parallèle de composants semiconducteurs (Di) du même type, ce circuit (200) comportant, pour chaque composant (Di), un circuit de régulation (Ci) comprenant : un comparateur (303) d'un premier signal (VFBi) représentatif du courant ('Di) circulant dans le composant (Di) par rapport à un signal de référence (VREF) ; et un élément résistif (301) de résistance réglable, commandé par ledit comparateur (303). 2. Circuit (200) selon la revendication 1, dans lequel le signal de référence (VREF) est représentatif du courant total (IT) circulant dans l'assemblage, divisé par le nombre de composants (Di). 3. Circuit (200) selon la revendication 1 ou 2, dans 15 lequel, dans chaque circuit de régulation (Ci), l'élément résistif (301) de résistance réglable est un transistor MOS. 4. Circuit (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, dans chaque circuit de régulation (Ci), l'élément résistif (301) de résistance réglable 20 est destiné à être relié en série avec le composant (Di) auquel est associé le circuit de régulation (Ci). 5. Circuit (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque circuit de régulation (Ci) comprend une résistance (R sense) de mesure de courant, 25 destinée à être reliée en série avec le composant (Di) auquel est associé le circuit de régulation (Ci), et dans lequel, dans chaque circuit de régulation (Ci), le premier signal (VFBi) est la tension aux bornes de la résistance (R sense) de mesure de courant. 6. Circuit (200) selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 5, dans lequel, dans chaque circuit de régulation (Ci), le comparateur (303) comprend un amplificateur opérationnel dont une première entrée reçoit ledit premier signal (VFBi) et dont une deuxième entrée reçoit ledit signal de référence (VREF).B13715 - 13-T0-0855 12 7. Circuit (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant un circuit (202) de fourniture dudit signal de référence (VREF), ce circuit comportant un circuit (321) de sommation des premiers signaux (VFBi) fournis par les différents circuits de régulation (Ci), et un circuit (323, 325) de division d'un signal de sortie du circuit de sommation (321) par le nombre de composants (Di). 8. Circuit (200) selon la revendication 7, dans lequel le circuit de sommation (321) comprend au moins un amplificateur 10 opérationnel. 9. Circuit (200) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le circuit de division (323, 325) est un pont diviseur de tension résistif. 10. Circuit (200) selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 9, dans lequel lesdits circuits de régulation (Ci) sont identiques les uns aux autres.