Brevet FR3051299A1 — publié le 20171117

TITRE SYSTÈME D'INTERRUPTEUR ET CONVERTISSEUR ÉLECTRIQUE COMPORTANT UN TEL SYSTÈME D'INTERRUPTEUR DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des interrupteurs commandés, en particulier dans des applications où ces interrupteurs sont destinés à être parcourus par des courants supérieurs à 100 A. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE La demande de brevet européen publiée sous le numéro EP 2 549 649 Al décrit un système d'interrupteur comportant : un interrupteur comportant : - une première borne, - une deuxième borne, et - une borne de commande, la première borne et la deuxième borne présentant entre elles une première tension, la borne de commande et la deuxième borne présentant entre elles une deuxième tension contrôlant la première tension, un circuit de limitation de tension comportant une première borne, une connexion de rétroaction entre la première borne du circuit de limitation de tension et la borne de commande de l'interrupteur, le circuit de limitation de tension étant conçu pour, dans un mode actif, réaliser une rétroaction de la première tension sur la deuxième tension de manière à limiter la première tension, le circuit de limitation de tension étant en outre conçu pour, dans son mode actif, fournir un courant par sa première borne. 3051299 2 Dans la publication précédente, le circuit de limitation de tension est destiné à limiter la première tension lors de l'ouverture de l'interrupteur. Cependant, lorsque l'interrupteur est à l'état ouvert et qu'une tension élevée est appliquée entre la première borne et la deuxième borne, les inventeurs ont 5 remarqué qu'une reconduction non souhaitée de l'interrupteur pouvait se produire, c'est-à-dire une circulation de courant entre la première borne et la deuxième borne de l'interrupteur. L'invention a pour but de proposer un système d'interrupteur permettant de remédier, au moins en partie, aux reconductions non souhaitées 10 de l'interrupteur. RÉSUMÉ DE L'INVENTION À cet effet, il est proposé un système d'interrupteur comportant : un interrupteur comportant : - une première borne, 15 - une deuxième borne, et - une borne de commande, la première borne et la deuxième borne présentant entre elles une première tension, la borne de commande et la deuxième borne présentant entre elles 20 une deuxième tension contrôlant la première tension, un circuit de limitation de tension comportant une première borne, une connexion de rétroaction entre la première borne du circuit de limitation de tension et la borne de commande de l'interrupteur, le circuit de limitation de tension étant conçu pour, dans un mode 25 actif, réaliser une rétroaction de la première tension sur la deuxième tension de manière à limiter la première tension, le circuit de limitation de tension étant en outre conçu pour, dans son mode actif, fournir un courant par sa première borne, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : 3051299 3 - un dispositif de blocage de courant conçu pour empêcher le courant fourni par le circuit de limitation de tension de s'écouler dans la connexion de rétroaction jusqu'à la borne de commande de l'interrupteur. 5 En effet, les inventeurs ont remarqué que la reconduction non souhaitée provenait d'une charge de la borne de commande de l'interrupteur par le courant fourni par le circuit de limitation de tension en mode actif. Grâce à l'invention, ce courant ne peut plus circuler dans la connexion de rétroaction jusqu'à la borne de commande et ne peut donc plus charger cette dernière. 10 De façon optionnelle, la connexion de rétroaction comporte le dispositif de blocage de courant. De façon optionnelle également, le système d'interrupteur comporte en outre une interface comportant une première connexion de commande connectée, à une extrémité, à la borne de commande de l'interrupteur et conçue 15 pour recevoir, à une autre extrémité, une tension de commande, la première connexion de commande ayant une partie commune avec la connexion de rétroaction et comportant une première résistance, ainsi que, sur cette partie commune, le dispositif de blocage de courant. De façon optionnelle également, l'interface comporte en outre une 20 deuxième connexion de commande connectée, à une extrémité, à la borne de commande de l'interrupteur et conçue pour recevoir, à une autre extrémité, la tension de commande, la deuxième connexion de commande comportant une deuxième résistance. De façon optionnelle également, la deuxième connexion de commande 25 comporte en outre une diode agencée pour empêcher du courant de s'écouler dans la deuxième connexion de commande depuis la borne de commande de l'interrupteur. De façon optionnelle également, le dispositif de blocage de courant comporte une diode. De façon optionnelle également, le circuit de limitation de courant comporte une deuxième borne connectée à la première borne de l'interrupteur 3051299 4 et une diode Zener agencée, avant claquage, pour empêcher du courant d'entrer dans le circuit de limitation de courant par sa deuxième borne. De façon optionnelle également, le circuit de limitation de courant comporte une diode agencée pour empêcher du courant d'entrer dans le circuit 5 de limitation de tension par sa première borne. De façon optionnelle également, l'interrupteur comporte un MOSFET. Il est également proposé un convertisseur électrique comportant au moins deux bras de commutation ayant chacun deux interrupteurs connectés l'un à l'autre en un point milieu, et dans lequel chacun d'au moins un des 10 interrupteurs, de préférence tous, fait partie d'un système d'interrupteur selon l'invention. DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 est un schéma électrique d'un convertisseur électrique mettant en oeuvre l'invention. 15 La figure 2 est une série de chronogrammes illustrant l'évolution au cours du temps de différentes grandeurs électriques du convertisseur électrique de la figure 1. DESCRIPTION DÉTAILLÉE En référence à la figure 1, un convertisseur électrique 100 mettant en 20 oeuvre l'invention va à présent être décrit. Le convertisseur électrique 100 comporte plusieurs bras de commutation. Dans l'exemple décrit, le convertisseur électrique 100 comporte deux bras de commutation, désignés respectivement par les références 1021 et 1022. Dans la suite de la description, l'indice « 1 » sera utilisé pour les éléments 25 se rapportant au premier bras de commutation 1021, tandis que l'indice « 2 » sera utilisé pour les éléments se rapportant au deuxième bras de commutation 1022. 3051299 5 Chaque bras de commutation 1021, 1022 comporte un interrupteur de côté haut 1041, 1042 et un interrupteur de côté bas 1041', 1042'. Dans la suite de la description, le signe prime «' » sera utilisé pour désigner les éléments se rapportant au côté bas. 5 Chaque interrupteur 1041, 1041', 1042, 1042' présente une première borne D1, D1', Dz, Dz' une deuxième borne Si, S1', Sz, Sz' et une borne de commande G1, G1', Gz, Gz' et est conçu pour prendre sélectivement un état ouvert et un état fermé en fonction de la tension entre sa deuxième borne Si, Si', Sz, Sz' et sa borne de commande G1, G1', Gz, G2'. 10 Dans l'exemple décrit, les interrupteurs 1041, 1041', 1042, 1042' sont des MOSFET (de l'anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » soit : transistor à effet de champ à grille isolée) présentant un drain, une source et une grille, formant respectivement la première borne, la deuxième borne et la borne de commande. Par soucis de clarté, les termes « drain », « source » et 15 « grille » seront ainsi utilisés dans la suite de la description à la place des termes « première borne », « deuxième borne » et « borne de commande ». Pour chaque interrupteur 1041, 1041', 1042, 1042', Le drain Di, Di', D2, D2' et la source Si, Si', Sz, Sz' présentent entre eux une tension drain-source Vdsi, Vdsi', Vdsz, Vds2'. La grille Gi, Gi', Gz, Gz' et la source Si, Si', Sz, Sz' présentent 20 entre elles une tension grille-source Vgsi, Vgsi', Vgsz, Vgsz' contrôlant en particulier la tension drain-source Vdsi, Vdsi', Vdsz, Vds2'. Pour chaque bras de commutation 1021, 1022, la source de l'interrupteur de côté haut 1041, 1042 et le drain de l'interrupteur de côté bas 1041', 1042' sont connectés l'un à l'autre en un point milieu (représenté par des pointillés sur la 25 figure 1) destiné à être connecté à une bobine d'une machine électrique telle qu'un moteur électrique. Les bras de commutation 1021, 1022 sont connectés à une source de tension continue 108, telle qu'une batterie ou un condensateur chargé, fournissant une tension Vb. Plus précisément, pour chaque bras de 30 commutation 1021, 1022, le drain Di, D2 de l'interrupteur de côté haut 1041, 1042 est connecté à une borne positive de la source de tension continue 108, 3051299 6 tandis que la source S1', Sz' de l'interrupteur de côté bas 1041', 1042' est connecté à une borne négative (connectée généralement à une masse électrique) de la source de tension continue 108. Ces connexions à la source de tension continue 108 ne sont pas parfaites et impliquent la présence d'une 5 inductance parasite 110 entre les bras de commutation 1021, 1022 et la source de tension continue 108. Le convertisseur électrique 100 comporte en outre, pour chaque interrupteur 1041, 1041', 1042, 1042', un circuit de commande 1121, 1121', 1122, 1122' respectif. 10 Sur la figure 1 et dans la description qui va suivre, seul le circuit de commande 1121 de l'interrupteur de côté haut 1041 est détaillé, sachant que les autres circuits de commande 1121', 1122, 1122' sont identiques. Le circuit de commande 1121 comporte tout d'abord un pilote 1161 conçu pour fournir une tension de commande Vci prenant sélectivement une 15 première valeur de fermeture de l'interrupteur de côté haut 1041 (10V dans l'exemple décrit) et une deuxième valeur d'ouverture de l'interrupteur de côté haut 1041 (nulle dans l'exemple décrit). Le circuit de commande 1121 comporte en outre une interface 1181 conçue pour définir des vitesses différentes de fermeture et d'ouverture de 20 l'interrupteur de côté haut 1041. Plus précisément, l'interface 1181 comporte une première connexion de commande CA1 connectant le pilote 1161 à la grille G1. La connexion de commande CA1 est destinée à être parcourue, lors de l'ouverture de l'interrupteur 1041, par un courant de décharge de la grille G1. Dans l'exemple 25 décrit, la première connexion de commande CA1 comporte une première résistance 1201 définissant une vitesse d'ouverture de l'interrupteur 1041 et une première diode 1221 agencée pour empêcher du courant de s'écouler dans la première connexion de commande CA1 jusqu'à la grille G1. L'interface 1181 comporte en outre une deuxième connexion de 30 commande CB1 connectant le pilote 1161 à la grille G1. La connexion de commande CB1 est destinée à être parcourue, lors de la fermeture de 3051299 7 l'interrupteur 1041, par un courant de charge de la grille G1. Dans l'exemple décrit, la deuxième connexion de commande CB1 comporte une deuxième résistance 1241 définissant une vitesse de fermeture de l'interrupteur 1041 et une deuxième diode 1261 agencée pour empêcher du courant de s'écouler dans 5 la deuxième connexion de commande CB1 jusqu'au pilote 1161. Ainsi, les diodes 1221, 1261 permettent de s'assurer que la résistance souhaitée 1201, 1241 est utilisée pour respectivement l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur de côté haut 1041. En outre, la deuxième résistance 1241 et la première résistance 1201 ont 10 de préférence des valeurs différentes de manière à définir des vitesses différentes d'ouverture et de fermeture. Le circuit de commande 1121 comporte en outre un circuit de limitation de tension 1281 (de l'anglais « active clamping ») conçu pour limiter la tension drain-source Vds1. 15 Dans l'exemple décrit, le circuit de limitation de tension 1281 comporte une diode Zener 1301, une résistance 1321 et une diode 1341 montés en série entre une première borne 1361 et une deuxième borne 1381, une tension d'entrée V1 étant destinée à être présentée sur la deuxième borne 1381 par rapport à la première borne 1361. 20 Ainsi, en négligeant la tension de seuil de la diode 1341, lorsque la tension V1 est inférieure à une tension de claquage Vz de la diode Zener 1301, cette dernière est dans sa zone bloquante et empêche l'entrée de courant par la deuxième borne 1381. De son côté, la diode 1341 empêche l'entrée de courant par la première borne 1361. Ainsi, le circuit de limitation de tension 1281 est 25 dans un mode passif dans lequel il est conçu pour se comporter comme un circuit ouvert (résistance très élevée entre les deux bornes 1361, 1381, par exemple d'au moins 100 kfl, de préférence d'au moins 1 M.(2). En particulier, dans ce mode passif, le circuit de limitation de courant 1281 est conçu pour ne pas contraindre la tension V1. 30 Lorsque la tension V1 atteint la tension de claquage Vz, la diode Zener 1301 entre dans sa zone de claquage et laisse entrer du courant par la deuxième 3051299 8 borne 1381 qui sort par la première borne 1361. En outre, la tension V1 est maintenue par la diode Zener 1301 relativement constante, égale à sa tension de claquage Vz. Ainsi, le circuit de limitation de tension 1281 est dans un mode actif dans lequel il est conçu pour présenter une résistance très faible (par exemple 5 inférieure à 100 .O., de préférence inférieure à 10 SI) et donc pour contraindre la tension V1 à une valeur proche de la tension de claquage Vz. La deuxième borne 1381 est connectée au drain D1 et la première borne 1361 est connectée à la grille G1 par une connexion de rétroaction CR1 (représentée en trait épais sur la figure 1). Plus précisément, la première borne 10 1361 est connectée à la première connexion de commande CA1 de l'interface 1181, du côté bloquant de la diode 1221. Ainsi, la première connexion de commande CA1 et la connexion de rétroaction CR1 présentent une partie commune comportant la diode 1221. Ainsi, la diode 1221 empêche le courant il fourni par le circuit de limitation de tension 1281 de s'écouler dans la connexion 15 de rétroaction CR1 jusqu'à la grille G1. En référence à la figure 2, le fonctionnement du système électrique 100 lors de l'ouverture de l'interrupteur 1042, alors que l'interrupteur 1041 est à l'état fermé, va à présent être décrit. Par la suite, les tensions de seuil des diodes sont négligées. 20 Initialement, avant un instant tO, dans le premier bras de commutation 1021, l'interrupteur de côté haut 1041 est à l'état ouvert (courant de drain idi nul et tension grille-source Vgsi nulle) et l'interrupteur de côté bas 1041' est à l'état fermé (tension drain-source Vds1' nulle). Dans le deuxième bras de commutation 1022, l'interrupteur de côté haut 1042 est à l'état fermé (courant 25 de drain id2 constant du fait de l'inductance importante des bobines de la machine électrique, tension grille-source Vgs2 constante et tension drain-source Vds2 nulle) et l'interrupteur de côté bas 1042' est à l'état ouvert (tension drain-source Vds2' égale à la tension Vb). En outre, l'inductance 110 est parcouru par un courant d'inductance iL égal à au courant de drain id2 et donc constant. 30 L'inductance 110 présente de ce fait une tension d'inductance VL nulle. 3051299 9 À un instant tO, le pilote 1162 commande la fermeture de l'interrupteur de côté haut 1042 et applique à l'interface 1182 une tension de commande Vc2 nulle. À un instant t1, après un temps de retard (t140), la tension grille-source 5 Vgs2 commence à diminuer. À un instant t2, la tension grille-source Vgs2 atteint un seuil et provoque de ce fait l'augmentation de la tension drain-source Vds2. Parallèlement, comme les deux interrupteurs 1042, 1042' sont soumis à la tension Vb, la tension drain-source Vds2' de l'interrupteur de côté bas 1042' diminue. 10 À un instant t3, la tension drain-source Vds2 devient supérieure à la tension Vb. La tension drain-source Vds2' est alors nulle et la tension d'inductance VL devient de plus en plus négative. De ce fait, le courant d'inductance iL commence à diminuer. Comme le courant de drain id2 est égal au courant d'inductance iL, le courant de drain id2 commence également à 15 diminuer. En outre, la tension d'inductance VL négative entraîne une surtension IVLI s'ajoutant à la tension Vb entre le drain D1 et la source S1 de l'interrupteur de côté haut 1041, de sorte que la tension drain-source Vds1 commence à augmenter. À un instant t4, la tension drain-source Vds1 atteint la tension de 20 claquage Vz de la diode Zener 1301. Comme la tension grille-source Vgsi est nulle, la tension V1 est égale à la tension drain-source Vdsi et atteint donc également la tension de claquage Vz, de sorte que le circuit de limitation de tension 1281 devient actif. Un courant il sort donc de sa première borne 1361. Grâce à la présence de la diode 1221, ce courant il ne s'écoule pas vers la grille 25 G1 et ne vient donc pas charger cette dernière. Au contraire, le courant il traverse la résistance 1201 pour s'écouler vers la source S1. Généralement, le pilote 1161 présente une résistance interne non nulle, mais faible devant la résistance 1201 et la résistance 1241 (au moins 10 fois inférieure). De ce fait, une petite partie du courant il rejoint la grille G1 au travers de la diode 1261 et 30 de la résistance 1241, entraînant une légère augmentation de la tension grille- source Vgsi. Cependant, cette augmentation de la tension grille-source Vgsi 3051299 10 n'est pas suffisante pour provoquer une reconduction notable de l'interrupteur de côté haut 1041. Ainsi, le courant de drain id1 reste nul. À un instant t5, la tension drain-source Vds2 atteint la somme de la tension de claquage Vz et de la tension grille-source Vgs2 et le circuit de 5 limitation de tension 1282 devient actif et réalise la rétroaction suivante. Lorsque la tension drain-source Vds2 augmente, la tension grille-source Vgs2 augmente également car la tension drain-grille Vdg2 est maintenue relativement constante par le circuit de limitation de tension 1282 Or, cette augmentation de la tension grille-source Vgs2 tend à faire baisser la tension drain-source Vds2. 10 Ainsi, la tension drain-source Vds2 est limitée. À un instant t6, le courant d'inductance iL s'annule et reste nulle. Ainsi, la tension d'inductance VL devient elle aussi nulle. La tension grille-source Vgs2 diminue jusqu'à zéro et la tension drain-source Vds2 diminue jusqu'à la tension Vb. 15 La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment, mais est au contraire définie par les revendications qui suivent. Il sera en effet apparent à l'homme du métier que des modifications peuvent y être apportées. Par exemple, la résistance 1201 pourrait être placée entre la diode 1221 20 et la grille G1. Par ailleurs, les termes utilisés dans les revendications ne doivent pas être compris comme limités aux éléments des modes de réalisation décrits précédemment, mais doivent au contraire être compris comme couvrant tous les éléments équivalents que l'homme du métier peut déduire à partir de ses 25 connaissances générales. REVENDICATIONS1. Système d'interrupteur comportant : un interrupteur (1041) comportant : une première borne (Di), une deuxième borne (Si), et une borne de commande (Gi), la première borne (Di) et la deuxième borne (Si) présentant entre elles une première tension (Vdsi), la borne de commande (Gi) et la deuxième borne (Si) présentant entre elles une deuxième tension (Vgsi) contrôlant la première tension (Vdsi), - un circuit de limitation de tension (1281) comportant une première borne (1361), - une connexion de rétroaction (CRi) entre la première borne (1361) du circuit de limitation de tension (1281) et la borne de commande (Gi) de l'interrupteur (1041), le circuit de limitation de tension (1281) étant conçu pour, dans un mode actif, réaliser une rétroaction de la première tension (Vdsi) sur la deuxième tension (Vgsi) de manière à limiter la première tension (Vdsi), le circuit de limitation de tension (1281) étant en outre conçu pour, dans son mode actif, fournir un courant (ii) par sa première borne (1361), caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - un dispositif de blocage de courant (1221) conçu pour empêcher le courant (ii) fourni par le circuit de limitation de tension (1281) de s'écouler dans la connexion de rétroaction (CRi) jusqu'à la borne de commande (Gi) de l'interrupteur (1041). 3051299 12 2. Système d'interrupteur selon la revendication 1, dans lequel la connexion de rétroaction (CRi) comporte le dispositif de blocage de courant (1221). 3. Système d'interrupteur selon la revendication 2, comportant en outre une interface (1181) comportant une première connexion de commande (CA1) 5 connectée, à une extrémité, à la borne de commande (Gi) de l'interrupteur (1041) et conçue pour recevoir, à une autre extrémité, une tension de commande (Vci), la première connexion de commande (CA1) ayant une partie commune avec la connexion de rétroaction (CRi) et comportant une première résistance (1201), ainsi que, sur cette partie commune, le dispositif de blocage 10 de courant (1221). 4. Système d'interrupteur selon la revendication 3, dans lequel l'interface (1181) comporte en outre une deuxième connexion de commande (CB1) connectée, à une extrémité, à la borne de commande (Gi) de l'interrupteur (1041) et conçue pour recevoir, à une autre extrémité, la tension de commande 15 (Vci), la deuxième connexion de commande (CB1) comportant une deuxième résistance (1241). 5. Système d'interrupteur selon la revendication 4, dans lequel la deuxième connexion de commande (CB1) comporte en outre une diode (1261) agencée pour empêcher du courant de s'écouler dans la deuxième connexion de 20 commande (CB1) depuis la borne de commande (Gi) de l'interrupteur (1041). 6. Système d'interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif de blocage de courant (1221) comporte une diode (1221). 7. Système d'interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 25 dans lequel le circuit de limitation de courant (1281) comporte une deuxième borne (1381) connectée à la première borne (Di) de l'interrupteur (1041) et une 3051299 13 diode Zener (130i) agencée, avant claquage, pour empêcher du courant d'entrer dans le circuit de limitation de courant (1281) par sa deuxième borne (1381). 8. Système d'interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit de limitation de courant (1281) comporte une diode (1341) 5 agencée pour empêcher du courant d'entrer dans le circuit de limitation de tension (1281) par sa première borne (1361). 9. Système d'interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'interrupteur (1041) comporte un MOSFET. 10. Convertisseur électrique (100) comportant au moins deux bras de 10 commutation (1021, 1022) ayant chacun deux interrupteurs (1041, 1041' ; 1042, 1042') connectés l'un à l'autre en un point milieu, et dans lequel chacun d'au moins un des interrupteurs (1041, 1041' ; 1042, 1042'), de préférence tous, fait partie d'un système d'interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.