EP1330865A1 - Procede et circuit de commande par impulsions d'un composant de puissance - Google Patents

Procede et circuit de commande par impulsions d'un composant de puissance

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Publication number
EP1330865A1
EP1330865A1 EP01983661A EP01983661A EP1330865A1 EP 1330865 A1 EP1330865 A1 EP 1330865A1 EP 01983661 A EP01983661 A EP 01983661A EP 01983661 A EP01983661 A EP 01983661A EP 1330865 A1 EP1330865 A1 EP 1330865A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
power
current
regeneration
windings
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01983661A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Jalade
Jean-Pierre Laur
Jean-Louis Sanchez
Patrick Austin
Marie Breil
Eric Bernier
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STMicroelectronics SA
Original Assignee
STMicroelectronics SA
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Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics SA filed Critical STMicroelectronics SA
Publication of EP1330865A1 publication Critical patent/EP1330865A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/081—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters wherein the phase of the control voltage is adjustable with reference to the AC source
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC
    • H02M5/04—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/22—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/25—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/257—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M5/2573—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with control circuit

Definitions

  • the present invention relates to the control of power semiconductor components.
  • the present invention relates more particularly to the pulse control of semiconductor power components used as switches and switching a load supplied by an alternating network.
  • the most common static power switches are thyristors and triacs. Structures derived from these devices are also used which can combine several thyristors and use MOS transistors or else bipolar transistors in the gate circuit.
  • Thyristor type devices are initialized in the open position at each alternation of the network. In the hypothesis where the power switch must be kept in the closed position, it is necessary, at each alternation of the network, to apply adequate control signals to it.
  • An object of the present invention is to provide a circuit or a method making it possible, from a single control pulse, to ensure the switching on or blocking of the switch during several alternations until a contrary order be provided.
  • Another object of the present invention is to provide such a circuit or method having the following characteristics: storage of the control signal without limitation of duration; -memory very faithful and in particular insensitive to external electrical disturbances as well as temperature and mechanical conditions;
  • the present invention provides for the storage of the control pulse or writing pulse in the form of magnetic induction in a toroid made of ferromagnetic material.
  • the present invention provides a control circuit for a power semiconductor component, comprising a ferromagnetic material core having at least one input winding, at least one interrogation winding, at least one read winding intended for be connected to the control terminals of the power component, and at least one regeneration winding.
  • the power component is inserted in a power circuit supplied with alternating current, in which at least one of the interrogation windings receives a pulse of polarity given at the start of each alternation of the voltage applied to the power circuit that the component is likely to pass; and the regeneration windings are in series with the power component.
  • the power component is a unidirectional component that can be controlled by pulse and defuses when the current flowing through it is canceled.
  • the power component is bidirectional and is inserted in a power circuit supplied with alternating current, two windings are used to regenerate the magnetic state; and each regeneration winding is traversed by the current corresponding to one of the two half-waves.
  • the power component consists of two thyristors mounted in parallel and in opposition, the read winding controls a bipolar transistor connected to supply the triggers of the thyristors; and a regeneration winding is placed in series with each thyristor.
  • the power component is a triac
  • the read winding is connected to the trigger of the triac
  • two diodes mounted head to tail are placed in series with the two regeneration windings.
  • the power component consists of two thyristors controlled by an MOS transistor, the two thyristors are placed in series and in opposition; each thyristor is connected, separately, to a read winding and to a regeneration winding; and a diode is placed in parallel on each thyristor and its associated regeneration winding.
  • the present invention also provides a method for controlling a power semiconductor device, comprising the following steps: providing a toroid made of ferromagnetic material with at least four windings; applying to a first winding a positive or negative writing pulse; applying a second polarity interrogation pulse to a second winding; using as voltage control signal the voltage appearing on a third winding and resulting from the application of the interrogation pulse; and regenerate by action on a fourth winding the magnetic state prior to the interrogation.
  • FIG. 1 shows in a way schematically a control circuit according to the present invention
  • FIG. 2A represents a hysteresis cycle in a saturated ferromagnetic material
  • Figure 2B shows a torus with a winding
  • FIG. 2C represents the electrical diagram of a winding and indicates the conventions of the direction of the winding, the direction of the current and the direction of the voltage across the terminals of this winding
  • FIG. 3 represents a first embodiment of the invention
  • FIG. 4A represents the timing diagram of the writing current of the first embodiment
  • FIG. 4B represents the timing diagram of the magnetic induction in the torus of the first embodiment
  • FIG. 4C represents the timing diagram of the alternations of the load supply network
  • FIG. 4D represents the timing diagram of the interrogation current according to the first embodiment
  • FIG. 4E represents the timing diagram of the reading current according to the first embodiment
  • FIG. 4F represents the timing diagram of the current switched in the load according to the first embodiment
  • FIG. 5 represents an insulated control gate thyristor (IGTH) usable in the first embodiment
  • FIG. 6 represents a second embodiment of the invention where the power device is a device switching an alternating current
  • FIG. 7 represents a third embodiment of the invention where the power device is a triac
  • FIG. IGTH insulated control gate thyristor
  • FIG. 8A proposes a generic diagram for switching the two half-waves from unidirectional current power devices
  • FIG. 8B proposes a second generic diagram for switching the two half-waves of an alternating voltage source from unidirectional current devices
  • FIG. 9 represents a fourth embodiment of the invention where two IGTH devices are used to control the two half-waves of the network.
  • homologous elements are indicated by the same references.
  • FIG. 1 represents a control system for a semiconductor component Sw, according to the invention. This component is placed in series with a load Z, supplied by an alternative network Ns.
  • the control system comprises a torus T made of ferromagnetic material associated with at least four windings e, i, l, r.
  • the winding We is connected to the input El of the system.
  • the winding Wi named winding- interrogation ment, is connected to the alternative network.
  • the winding Wl called the read winding, is connected to the control of the power device Sw.
  • the current in the winding Wr called the regeneration winding, is linked to the current flowing through the load Z.
  • control circuit The operation of the control circuit is as follows.
  • a pulse applied in El creates a magnetic induction in the torus T, through the writing winding We.
  • the direction of this induction depends on the direction of the pulse: it is positive or negative depending on whether one wants to control the closing or opening of the switch Sw.
  • An interrogation phase takes place, in the general case, at the start of each alternation of the network.
  • the winding Wi is connected to the network so that a magnetic induction, for example positive, is imposed in the torus T.
  • the variation in the flux of the magnetic induction, generated in the torus during the interrogation phase is taken into account by the reading winding W1. If this variation is zero, there is no electrical read signal. If this variation is not zero an electromotive force appears at the terminals of Wl. This electromotive force creates a voltage or a current allowing the switching on of the switch Sw.
  • the pulse applied to the input El corresponds to a command to turn on the power switch Sw
  • this switch will be set to the on state at each alternation of the network without it being necessary to repeat the writing impulse and without time limitation.
  • a new pulse on the input El will not cause any change of state of the switch Sw if it is identical to the previous one and will reverse this state if it is of opposite sign to the previous one and of sufficient amplitude.
  • the magnetic induction When the magnetic field continues to decrease, the magnetic induction remains at its level (+ Bmax) as long as the applied magnetic field is not less than the coercive field -Hc. When the magnetic field becomes lower than this coercive field -Hc, the magnetic induction switches from + Bmax to -Bmax. This last value is maintained even if the magnetic field becomes zero again.
  • FIG. 2B is a perspective view of a torus T usable in the present invention.
  • the windings consist of a few turns of insulated electrical wire surrounding the ferromagnetic material of the torus.
  • Ie (+ Bmax) is defined as the minimum intensity of the writing current allowing an induction + Bmax to be obtained.
  • the (-Bmax) is the intensity of the write current generating an induction -Bmax.
  • FIG. 2C the torus and the winding We are shown diagrammatically by a representation of self.
  • the current is positive when it comes in through the pointed end of the choke.
  • the dot on the choke marks the direction of the winding.
  • the magnetic field is positive.
  • a possible electromotive force Ne is shown, as well as its positive direction in FIG. 2C.
  • FIG. 3 is an electrical diagram of a first embodiment of the invention.
  • the power semiconductor component used as a switch is a thyristor Th.
  • the control of this thyristor is constituted by a toroid comprising four windings We, Wi, Wl, Wr.
  • the winding We is connected to the input El. It is assumed that a pulse of the negative writing current flowing through We controls the conductive state of the thyristor. Consequently, a positive pulse must control the blocked state of the thyristor.
  • the interrogation winding Wi is connected between the anode and the thyristor cathode.
  • a device D is preferably provided in series with the winding Wi. Device D has two functions.
  • this device D allows the current to flow only at the start of each positive alternation of the network, on the other hand the device D limits the current in the winding Wi.
  • the state of magnetic induction will be queried at the start of each positive alternation of the network.
  • These positive half-waves correspond to the passing direction of the thyristor.
  • the direction of the windings in Figure 3 represents that this interrogation is done by imposing a positive magnetic induction.
  • the reading winding W1 is connected in parallel between the cathode and the trigger of the thyristor.
  • a resistor R limits the current in this branch of the circuit.
  • the winding W1 If the flux of the magnetic induction changes during the interrogation phase, the winding W1 generates a positive electromotive force and consequently a negative current in the trigger of the thyristor. This trigger current only exists if the write pulse has generated a negative magnetic induction. This current makes the thyristor conductive during the alternation positive.
  • the regeneration winding Wr is placed in series with the thyristor. It is traversed by the main current Is.
  • the timing diagram of FIG. 4A represents at instant ta a negative current pulse le, applied to the input
  • the timing diagram of FIG. 4B represents the magnetic induction B in the torus. This induction is negative just after time ta and positive after time tb.
  • the timing diagram of FIG. 4C represents the voltage Ns of the alternating network.
  • the instant t1 is the start of the first positive half-wave after the instant ta.
  • the instant t2 corresponds to the end of this first positive half-wave.
  • the instant t3 corresponds to the start of the second positive half-wave.
  • the timing diagram of FIG. 4D represents the current Ii in the interrogation winding Wi. At the instant t1 the thyristor is blocked because there is no voltage across its terminals and it is assumed that the main current Is is zero. As the network voltage increases, this voltage is found at the terminals of the device D current limiter and circuit breaker. This device D allows the current Ii to pass as long as it is less than Ii (+ Bmax). For Ii greater than Ii (+ Bmax) the device D cuts the current in the winding Wi. At the moment when Ii is equal to Ii (+ Bmax), the magnetic field in the torus switches from -Bmax to + Bmax as shown in the timing diagram 4B.
  • the current in the thyristor is, to the nearest sign, the current in the regeneration winding.
  • the chronogram of FIG. 4F represents this regeneration current which remains until the end t2 of the positive alternation. It imposes a negative magnetic induction -Bmax in the torus as 1 'illustrates the timing diagram of Figure 4B. During the negative alternation there is no interrogation because the device D does not allow the current to pass and thus the magnetic state of the torus remains unchanged.
  • the thyristor Th is replaced by a thyristor controlled by a MOS transistor.
  • the diagram of such a device constituting an insulated gate thyristor (IGTH) is represented in FIG. 5.
  • the operation is similar to that of the first embodiment.
  • the winding W1 must then generate a voltage greater than the threshold voltage of the MOS transistor to unblock the thyristor. This tension is proportional to the number of turns of the winding Wl and is therefore easy to adjust.
  • FIG. 6 represents a second embodiment of the present invention.
  • the power device operates with two alternations of the network.
  • the Swl device consists of two anode gate thyristors, Tl and T2, mounted in parallel and in opposition, each being capable of passing the current corresponding to one of the two alternations of the network.
  • the triggers of these two thyristors are connected and connected to the collector of a bipolar control transistor T3.
  • the cathode of thyristor T1 is connected to one anode of thyristor T2 and to the base of transistor T3.
  • the anode of thyristor T1 and the cathode of thyristor T2 are connected to each other through respectively Wrl and Wr2 windings.
  • the control of this bidirectional power device uses a toroid with We, Wi, Wl, Wrl and Wr2 windings.
  • the winding We is connected to the input and its operation has been described in relation to FIG. 3.
  • the interrogation of the magnetic state is done by the winding Wi.
  • the winding Wi is connected to the terminals of the power switch through a full-wave rectifier bridge Pr.
  • Another equivalent solution consists in using two windings Wi each supplied by the one of the two half-waves through a diode and connected in such a way that the magnetic induction produced is always positive.
  • FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention using a bidirectional device of the triac type.
  • the triac trigger is connected to the reading winding W1 and is triggered by the current induced in this winding during the reading phase.
  • the current corresponding to the positive alternation and that corresponding to the negative alternation of the supply network.
  • the present invention is adaptable to many unidirectional devices mounted in such a way that they use the two half-waves of the alternating network. Such arrangements are shown in Figures 8A and 8B.
  • FIG. 8A represents two thyristors IGTH1 and IGTH2 controlled by a MOS and connected in series and in opposition.
  • the IGTH1 thyristor anode is connected to the IGTH2 thyristor anode.
  • Two diodes D5 and D6 are placed in parallel on the thyristors IGTH1 and IGTH2 respectively.
  • diodes are mounted in opposition on the thyristors in such a way that when the thyristor IGTH1 conducts, the diode D5 is blocked.
  • the current can pass through the diode D6 and the thyristor IGTH1 or else the diode D5 and the thyristor IGTH2 according to its direction.
  • This type of assembly allows bidirectional use of the two thyristors controlled by a MOS transistor.
  • each thyristor must support a reverse voltage which can be significant.
  • FIG. 9 shows a fourth embodiment of the present invention.
  • Two thyristors IGTH1 and IGTH2 controlled by a MOS transistor are mounted as in FIG. 8A.
  • the control of these thyristors is carried out using a ferromagnetic material toroid which comprises the following windings: We, Wi, W15 and W16, Wr5 and Wr6.
  • the system shown in Figure 9 uses the two alternations of the network.
  • the connections and functions of the windings We and Wi have been described previously, in particular with the description of FIGS. 6 and 7.
  • Two windings W15 and W16 participate in the phase of reading. They are placed between the control gate and the cathode of the respective thyristors IGTH1 and IGTH2.
  • windings Wr5 and Wr6 develop voltages N15 and N16 higher than the threshold voltage of the MOS transistors controlling the activation of the thyristor.
  • the regeneration of the previous magnetic state is done through the windings Wr5 and Wr6.
  • the winding Wr6 is traversed by the main current Is of the load when the latter is positive; the current Is then crosses D5, IGTH2 and Wr6; there is no current in the branch made up of Wr5, IGTHl and D6.
  • Is When Is is negative, it crosses only Wr5, IGTHl and D6.
  • the direction of the windings Wr5 and Wr6 is such that a negative magnetic induction is regenerated.
  • the present invention is susceptible of various variants and modifications which will appear to those skilled in the art.
  • the type of semiconductor device switching the current is not limited as well as the control electronics specific to these devices.
  • the number of windings of type We, Wi, Wl and Wr is not limited.
  • the present invention can easily be adapted to many types of alternating networks characterized by the frequency, the waveform and the number of phases of the voltage.
  • the charge Z can be complex and not only resistive.
  • the torus T can be replaced by any device made of equivalent ferromagnetic material.

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Abstract

L'invention concerne la commande de composants semi-conducteurs (Sw) de puissance de type thyristor alimentés par un réseau alternatif (VS). Le signal de commande est une impulsion (Ie). Il est mémorisé sous forme d'induction magnétique (B), positive ou négative, dans un tore (T) en un matériau ferromagnétique. L'interrogation, à chaque alternance du réseau, de l'état magnétique du tore conduit à la présence, ou non, d'un signal de commande sur le dispositif de puissance (Sw).

Description

PROCEDE ET CIRCUIT DE COMMANDE PAR IMPULSIONS D'UN COMPOSANT DE PUISSANCE
La présente invention concerne la commande de composants semiconducteurs de puissance.
La présente invention concerne plus particulièrement la commande par des impulsions de composants semiconducteurs de puissance utilisés comme interrupteurs et commutant une charge alimentée par un réseau alternatif.
Les interrupteurs statiques de puissance les plus courants sont les thyristors et les triacs. On utilise également des structures dérivées de ces dispositifs qui peuvent combiner plusieurs thyristors et utiliser des transistors MOS ou bien des transistors bipolaires dans le circuit de gâchette.
Les dispositifs de type thyristor s ' initialisent en position ouverte à chaque alternance du réseau. Dans 1 'hypothèse où 1 ' interrupteur de puissance doit être maintenu en position fermée, il faut, à chaque alternance du réseau, lui appliquer des signaux de commande adéquats.
Un objet de la présente invention est de prévoir un circuit ou un procédé permettant, à partir d'une impulsion de commande unique, d'assurer la mise en conduction ou le blocage de l'interrupteur pendant plusieurs alternances jusqu'à ce qu'un ordre contraire soit fourni. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit ou procédé ayant les caractéristiques suivantes : -mémorisation du signal de commande sans limitation de durée ; -mémorisation très fidèle et notamment insensible aux perturbations électriques extérieures ainsi qu'à la température et aux conditions mécaniques ;
-énergie nécessaire au fonctionnement du système de commande prélevée sur le réseau extérieur ; -isolation galvanique entre le signal de commande et le réseau ;
-large choix du composant de puissance commandé. Pour atteindre ces objets la présente invention prévoit la mémorisation de 1 ' impulsion de commande ou impulsion d'écriture sous forme d'induction magnétique dans un tore en matériau ferromagnétique.
Plus particulièrement, la présente invention prévoit un circuit de commande d'un composant semiconducteur de puissance, comportant un tore en matériau ferromagnétique possédant au moins un enroulement d'entrée, au moins un enroulement d'interrogation, au moins un enroulement de lecture destiné à être connecté aux bornes de commande du composant de puissance, et au moins un enroulement de régénération.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant de puissance est inséré dans un circuit de puissance alimenté en alternatif, dans lequel l'un au moins des enroulements d'interrogation reçoit une impulsion de polarité donnée au début de chaque alternance de la tension appliquée au circuit de puissance que le composant est susceptible de laisser passer ; et les enroulements de régénération sont en série avec le composant de puissance.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant de puissance est un composant unidirectionnel pouvant être commandé par impulsion et se désamorçant quand le courant qui le traverse s'annule. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant de puissance est bidirectionnel et est inséré dans un circuit de puissance alimenté en alternatif, deux enroulements sont utilisés pour régénérer l'état magnétique ; et chaque enroulement de régénération est parcouru par le courant correspondant à 1 'une des deux alternances .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant de puissance est constitué de deux thyristors montés en parallèle et en opposition, l'enroulement de lecture commande un transistor bipolaire connecté pour alimenter les gâchettes des thyristors ; et un enroulement de régénération est placé en série avec chaque thyristor.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant de puissance est un triac, l'enroulement de lecture est connecté sur la gâchette du triac ; et deux diodes montées tête-bêche sont placées en série avec les deux enroulements de régénération.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant de puissance est constitué de deux thyristors commandés par un transistor MOS, les deux thyristors sont placés en série et en opposition ; chaque thyristor est connecté, séparément, à un enroulement de lecture et à un enroulement de régénération ; et une diode est placée en parallèle sur chaque thyristor et son enroulement de régénération associé. La présente invention prévoit aussi un procédé de commande d'un dispositif semiconducteur de puissance, comportant les étapes suivantes : prévoir un tore en matériau ferromagnétique avec au moins quatre enroulements ; appliquer à un premier enroulement une impulsion positive ou négative d'écriture ; appliquer à un deuxième enroulement une impulsion d'interrogation de polarité donnée ; utiliser comme signal de commande électrique la tension apparaissant sur un troisième enroulement et résultant de l'application de l'impulsion d'interrogation ; et régénérer par action sur un quatrième enroulement l'état magnétique antérieur à l'interrogation.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention 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 manière schématique un circuit de commande selon la présente invention ; la figure 2A représente un cycle d'hystérésis dans un matériau ferromagnétique saturé ; la figure 2B représente un tore avec un enroulement ; la figure 2C représente le schéma électrique d'un enroulement et indique les conventions du sens de l'enroulement, du sens du courant et du sens de la tension aux bornes de cet enroulement ; la figure 3 représente un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 4A représente le chronogramme du courant d'écriture du premier mode de réalisation ; la figure 4B représente le chronogramme de 1 ' induction magnétique dans le tore du premier mode de réalisation ; la figure 4C représente le chronogramme des alternances du réseau d'alimentation de la charge ; la figure 4D représente le chronogramme du courant d'interrogation suivant le premier mode de réalisation ; la figure 4E représente le chronogramme du courant de lecture suivant le premier mode de réalisation ; la figure 4F représente le chronogramme du courant commuté dans la charge suivant le premier mode de réalisation ; la figure 5 représente un thyristor à grille de commande isolée (IGTH) utilisable dans le premier mode de réalisation ; la figure 6 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention où le dispositif de puissance est un dispositif commutant un courant alternatif ; la figure 7 représente un troisième mode de réalisation de l'invention où le dispositif de puissance est un triac ; la figure 8A propose un schéma générique pour commuter les deux alternances à partir de dispositifs de puissance unidirectionnels en courant ; la figure 8B propose un deuxième schéma générique pour commuter les deux alternances d'une source de tension alternative à partir de dispositifs unidirectionnels en courant ; et la figure 9 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention où deux dispositifs IGTH sont utilisés pour contrôler les deux alternances du réseau. Dans les diverses figures des éléments homologues sont signalés par les mêmes références.
Pour simplifier le raisonnement, et à titre d'exemple, aucun déphasage entre le courant et la tension n'est pris en compte sur les chronogrammes. De plus il est supposé qu'un état d'équilibre quasi stationnaire est atteint à chaque instant pour le système complet, et qu'il n'y a pas de conflit entre les différents signaux électriques.
La figure 1 représente un système de commande d'un composant semiconducteur Sw, selon l'invention. Ce composant est placé en série avec une charge Z, alimentée par un réseau alternatif Ns . Le système de commande comprend un tore T réalisé en matériau ferromagnétique associé à au moins quatre enroulements e, i, l, r.
L'enroulement We, nommé enroulement d'écriture, est relié à l'entrée El du système. L'enroulement Wi, nommé enroule- ment d'interrogation, est relié au réseau alternatif. L'enroulement Wl, nommé enroulement de lecture, est relié à la commande du dispositif de puissance Sw. Le courant dans l'enroulement Wr, nommé enroulement de régénération, est lié au courant parcourant la charge Z.
Le fonctionnement du circuit de commande est le suivant .
Durant une phase d'écriture, une impulsion appliquée en El, crée une induction magnétique dans le tore T, à travers l'enroulement d'écriture We. Le sens de cette induction dépend du sens de 1 'impulsion : il est positif ou négatif selon que l'on veut commander la fermeture ou l'ouverture de l'interrupteur Sw.
Une phase d'interrogation prend place, dans le cas général, au début de chaque alternance du réseau. Durant cette phase d'interrogation, l'enroulement Wi est relié au réseau de telle façon qu'une induction magnétique, par exemple positive, soit imposée dans le tore T.
Durant une phase de lecture, la variation du flux de l'induction magnétique, générée dans le tore pendant la phase d' interrogation, est prise en compte par 1 ' enroulement de lecture Wl. Si cette variation est nulle, il n'y a pas de signal électrique de lecture. Si cette variation est non nulle une force électromotrice apparaît aux bornes de Wl. Cette force électromotrice crée une tension ou un courant permettant la mise en conduction de l'interrupteur Sw.
Si, après la phase de lecture, l'interrupteur Sw est passant, cela signifie qu'il y a eu un changement de l'induction magnétique pendant la phase d'interrogation. Il est donc néces- saire, pour retrouver dans le tore l'état de l'induction magnétique d'avant la phase d'interrogation, de régénérer cet état antérieur. Cela s'effectue grâce à l'enroulement Wr qui utilise le courant passant dans l'interrupteur Sw. Cette régénération constitue la quatrième phase du cycle de commande. L'état du système après la phase de régénération est identique à celui qui existait après la phase d'application de l'impulsion d'écriture. Aux prochaines alternances du réseau, les phases d'interrogation, de lecture et de régénération vont se reproduire tant qu'une autre impulsion d'écriture n'est pas appliquée. Ainsi, si l'impulsion appliquée sur l'entrée El correspond à un ordre de mise en conduction de 1 ' interrupteur de puissance Sw, cet interrupteur sera mis à l'état passant à chaque alternance du réseau sans qu'il faille répéter l'impulsion d'écriture et sans limitation dans le temps. Une nouvelle impulsion sur l'entrée El ne provoquera aucun changement d' état de 1 ' interrupteur Sw si elle est identique à la précédente et inversera cet état si elle est de signe opposé à la précédente et d'amplitude suffisante. Le contrôle de l'induction magnétique dans le tore, suivant la présente invention, va maintenant être détaillé.
La figure 2A représente le cycle d' ystérésis B=f (H) dans un matériau ferromagnétique dont le cycle d'hystérésis est rectangulaire. Lorsqu'un matériau ferromagnétique est soumis à un champ magnétique H, il en résulte une induction magnétique B dans ce matériau. Pour un champ magnétique positif suffisamment élevé, supérieur au champ coercitif Hc, l'induction magnétique se sature à un niveau +Bmax et n'augmente pratiquement plus même si le champ magnétique augmente. Lorsque le champ magnétique redevient nul, il subsiste une induction rémanente Br pratiquement égale à +Bmax pour les matériaux ferromagnétiques dont le cycle d'hystérésis est rectangulaire. Lorsque le champ magnétique continue de décroître, l'induction magnétique reste à son niveau (+Bmax) tant que le champ magnétique appliqué n'est pas inférieur au champ coercitif -Hc. Lorsque le champ magnétique devient inférieur à ce champ coercitif -Hc, l'induction magnétique bascule de +Bmax à -Bmax. Cette dernière valeur se maintient même si le champ magnétique redevient nul. En résumé les matériaux ferromagnétiques préférés pour la présente invention présentent un cycle d'hystérésis B=f (H) pratiquement rectangulaire avec une induction rémanente égale à l'induction maximale créée par le champ magnétique. En l'absence de champ magnétique appliqué, il y a deux états stables pour l'induction, +Bmax et -Bmax. Ces états correspondent à un état de saturation magnétique, ils ne dépendent que du matériau utilisé.
La figure 2B est une vue en perpective d'un tore T utilisable dans la présente invention. Les enroulements sont constitués de quelques spires en fil électrique isolé entourant le matériau ferromagnétique du tore. Lorsqu'un courant électrique parcourt un tel enroulement, un champ magnétique proportionnel au courant est généré dans le tore. Ainsi, dans la figure 2A, on peut substituer au champ magnétique 1 ' intensité du courant parcourant un enroulement. Ie(+Bmax) est défini comme l'intensité minimale du courant d'écriture permettant d'obtenir une induction +Bmax. De façon similaire, le (-Bmax) est l'intensité du courant d'écriture générant une induction -Bmax. Pour toute valeur du courant d'écriture respectivement supérieure à Ie(+Bmax) et inférieure à le (-Bmax) il y aura mémorisation de l'impulsion du courant d'écriture sous forme d'induction magnétique rémanente dans le tore.
Sur la figure 2C, le tore et l'enroulement We sont schématisés par une représentation de self. Par convention, le courant est positif lorsqu' il est entrant par 1 'extrémité pointée de la self. Le point sur la self repère le sens de l'enroulement. Par convention, pour un courant le positif le champ magnétique est positif. Une éventuelle force électromotrice Ne est représentée, ainsi que son sens positif sur la figure 2C.
La figure 3 est un schéma électrique d'un premier mode de réalisation de l'invention. Le composant semiconducteur de puissance utilisé comme interrupteur est un thyristor Th. La commande de ce thyristor est constituée par un tore comportant quatre enroulements We, Wi, Wl, Wr. L'enroulement We est relié à l'entrée El. On suppose qu'une impulsion du courant d'écriture le négative parcourant We commande l'état conducteur du thyristor. En conséquence une impulsion le positive doit commander l'état bloqué du thyristor. L'enroulement d'interrogation Wi est connecté entre l'anode et la cathode du thyristor. On prévoit de préférence un dispositif D en série avec l'enroulement Wi. Le dispositif D a deux fonctions. D'une part, ce dispositif D ne laisse passer le courant qu'au début de chaque alternance positive du réseau, d'autre part le dispositif D limite le courant dans 1 ' enroulement Wi . De nombreuses solutions existent pour réaliser cette fonction de limiteur et disjoncteur de courant, notamment celles décrites dans les brevets EP0780952 ou FR9609132. Ainsi l'état de l'induction magnétique sera interrogé au début de chaque alternance positive du réseau. Ces alternances positives correspondent au sens passant du thyristor. Le sens des enroulements de la figure 3 représente que cette interrogation se fait en imposant une induction magnétique positive.
L'enroulement de lecture Wl est branché en parallèle entre la cathode et la gâchette du thyristor. De préférence une résistance R limite le courant dans cette branche du circuit.
En cas de variation du flux de l'induction magnétique pendant la phase d'interrogation, l'enroulement Wl génère une force êlectromotrice positive et par suite un courant négatif dans la gâchette du thyristor. Ce courant de gâchette n'existe que si l'impulsion d'écriture a généré une induction magnétique négative. Ce courant rend le thyristor conducteur pendant l'alternance positive.
L'enroulement de régénération Wr est placé en série avec le thyristor. Il est parcouru par le courant principal Is.
Le sens de l'enroulement de Wr est tel que, dans le cas où le thyristor conduit, l'induction magnétique générée par le courant Is dans 1 'enroulement Wr est négative. L' état magnétique antérieur à l'interrogation est ainsi régénéré. Les figures 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, et 4F explicitent les tensions, induction magnétique, et courants en divers points du circuit de la figure 3.
Le chronogramme de la figure 4A représente à l'instant ta une impulsion le de courant négative, appliquée sur l'entrée
El, et destinée à rendre conducteur le thyristor. À l'instant tb une impulsion de courant positive est appliquée afin de bloquer le thyristor.
Le chronogramme de la figure 4B représente 1 ' induction magnétique B dans le tore. Cette induction est négative juste après l'instant ta et positive après l'instant tb.
Le chronogramme de la figure 4C représente la tension Ns du réseau alternatif . En particulier 1 ' instant tl est le début de la première alternance positive après 1 ' instant ta. L'instant t2 correspond à la fin de cette première alternance positive. L'instant t3 correspond au début de la seconde alternance positive.
Le chronogramme de la figure 4D représente le courant Ii dans l'enroulement d'interrogation Wi. A l'instant tl le thy- ristor est bloqué car il n'y a pas de tension à ses bornes et on suppose que le courant principal Is est nul. Au fur et à mesure que la tension du réseau augmente, cette tension se retrouve aux bornes du dispositif D limiteur et disjoncteur de courant. Ce dispositif D laisse passer le courant Ii tant que celui ci est inférieur à Ii(+Bmax). Pour Ii supérieur à Ii(+Bmax) le dispositif D coupe le courant dans 1 'enroulement Wi . A l' instant où Ii est égal à Ii (+Bmax) , le champ magnétique dans le tore bascule de -Bmax à +Bmax comme le représente le chronogramme 4B.
Il y a alors une forte variation du flux de 1 ' induction magnétique et 1 ' enroulement de lecture génère un courant II négatif comme le représente le chronogramme de la figure 4E. Ce courant injecté dans la gâchette du thyristor rend donc celui-ci conducteur au début de chaque alternance positive.
Le courant dans le thyristor est, au signe près, le courant dans l'enroulement de régénération. Le chronogramme de la figure 4F représente ce courant de régénération qui subsiste jusqu'à la fin t2 de l'alternance positive. Il impose une induction magnétique négative -Bmax dans le tore comme 1 ' illustre le chronogramme de la figure 4B. Pendant l'alternance négative il n'y a pas d'interrogation car le dispositif D ne laisse pas passer le courant et ainsi 1 ' état magnétique du tore reste inchangé.
Au début de l'alternance positive suivante, à 1 ' instant t3 , le cycle recommence. Après l'instant tb, l'interrogation ne crée pas de variation de flux de l'induction magnétique, il n'y a pas de courant dans la gâchette du thyristor et celui-ci reste bloqué.
Selon une variante de ce premier mode de réalisation, le thyristor Th est remplacé par un thyristor commandé par un transistor MOS. Le schéma d'un tel dispositif constituant un thyristor à grille isolée (IGTH) est représenté sur la figure 5. Le fonctionnement est similaire à celui du premier mode de réalisation. L'enroulement Wl doit alors générer une tension supérieure à la tension de seuil du transistor MOS pour débloquer le thyristor. Cette tension est proportionnelle au nombre de spires de l'enroulement Wl et est ainsi facile à ajuster.
La présente invention est susceptible de s'adapter à de nombreux dispositifs de puissance à semiconducteur. Ainsi la figure 6 représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Dans ce deuxième mode le dispositif de puissance fonctionne avec les deux alternances du réseau. Le dispositif Swl est constitué de deux thyristors à gâchette d'anode, Tl et T2, montés en parallèle et en opposition, chacun étant susceptible de faire passer le courant correspondant à l'une des deux alternances du réseau. Les gâchettes de ces deux thyristors sont reliées et connectées au collecteur d'un transistor bipolaire T3 de commande. La cathode du thyristor Tl est reliée à 1 'anode du thyristor T2 et à la base du transistor T3. L'anode du thyristor Tl et la cathode du thyristor T2 sont reliées entre elles à travers respectivement des enroulements Wrl et Wr2.
La commande de ce dispositif bidirectionnel de puissance utilise un tore avec des enroulements We, Wi, Wl, Wrl et Wr2. L'enroulement We est connecté à 1 ' entrée et son fonctionnement a été décrit en relation avec la figure 3. L' interrogation de 1 'état magnétique se fait grâce à l'enroulement Wi. Cependant le système devant fonctionner sur les deux alternances du réseau, l'enroulement Wi est connecté aux bornes de l'interrupteur de puissance à travers un pont redresseur double alternance Pr. Une autre solution équivalente consiste à utiliser deux enroulements Wi chacun alimenté par l'une des deux alternances à travers une diode et branchés de telle façon que l'induction magnétique produite soit toujours positive.
L'enroulement de lecture génère, le cas échéant, un courant entre la base et 1 'émetteur du transistor T3. Ce courant rend le transistor T3 conducteur et permet le passage du courant dans la gâchette de 1 'un des thyristors Tl et T2. Enfin les deux enroulements Wrl et Wr2, insérés respectivement dans l'anode et la cathode des thyristors Tl et T2 permettent, chacun pour une alternance, de régénérer 1 ' induction magnétique négative dans le tore en cas de mise en conduction du thyristor correspondant. La figure 7 présente un troisième mode de réalisation de la présente invention utilisant un dispositif bidirectionnel de type triac. La gâchette du triac est reliée à l'enroulement de lecture Wl et est déclenchée par le courant induit dans cet enroulement durant la phase de lecture. Pendant la phase de régénération de l'induction magnétique, on distingue le courant correspondant à 1 ' alternance positive de celui correspondant à l'alternance négative du réseau d'alimentation. Deux diodes D3 et D4 en opposition, respectivement en série avec un enroulement de régénération Wr3, Wr4, ne laissent passer un courant dans cet enroulement que pour une polarité donnée de l'alimentation. La présente invention est adaptable à de nombreux dispositifs unidirectionnels montés de telle manière qu'ils utilisent les deux alternances du réseau alternatif. De tels montages sont représentés dans les figures 8A et 8B. Les dispositifs choisis dans ces exemples sont des thyristors commandés par un transistor MOS à grille isolée. Ces dispositifs sont remarquables car ils permettent le contrôle de la variation du courant di/dt et ainsi ils ne polluent pas électriquement le réseau sur lequel ils sont connectés. La figure 8A représente deux thyristors IGTH1 et IGTH2 commandés par un MOS et montés en série et en opposition. L'anode du thyristor IGTH1 est connectée à l'anode du thyristor IGTH2. Deux diodes D5 et D6 sont placées en parallèle sur les thyristors IGTH1 et IGTH2 respectivement. Ces diodes sont montées en opposition sur les thyristors de telle façon que lorsque le thyristor IGTH1 conduit, la diode D5 est bloquée. Ainsi en se référant à la figure 8A, le courant peut traverser la diode D6 et le thyristor IGTH1 ou bien la diode D5 et le thyristor IGTH2 suivant son sens. Ce type de montage permet une utilisation bidirectionnelle des deux thyristors commandés par un transistor MOS.
Le même résultat peut être obtenu en montant en parallèle et en opposition les deux thyristors IGTH1 et IGTH2 comme sur la figure 8B. Dans ce cas chaque thyristor doit supporter une tension inverse qui peut être importante.
La figure 9 présente un quatrième mode de réalisation de la présente invention. Deux thyristors IGTH1 et IGTH2 commandés par un transistor MOS sont montés comme sur la figure 8A. La commande de ces thyristors est réalisée en utilisant un tore en matériau ferromagnétique qui comporte les enroulements suivants : We, Wi, W15 et W16, Wr5 et Wr6. Le système représenté en figure 9 utilise les deux alternances du réseau. Les branchements et les fonctions des enroulements We et Wi ont été décrits précédemment, notamment avec la description des figures 6 et 7. Deux enroulements W15 et W16 participent à la phase de lecture. Ils sont placés entre la grille de commande et la cathode des thyristors respectifs IGTHl et IGTH2. Ces enroulements développent des tensions N15 et N16 supérieures à la tension de seuil des transistors MOS commandant la mise en conduction du thyristor. La régénération de l'état magnétique antérieur se fait grâce aux enroulements Wr5 et Wr6. L'enroulement Wr6 est parcouru par le courant principal Is de la charge lorsque celui-ci est positif ; le courant Is traverse alors D5, IGTH2 et Wr6 ; il n'y a pas de courant dans la branche constituée de Wr5, IGTHl et D6. Lorsque Is est négatif, il traverse uniquement Wr5, IGTHl et D6. Le sens des enroulements Wr5 et Wr6 est tel qu'une induction magnétique négative est régénérée .
Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Le type de dispositif semiconducteur commutant le courant n'est pas limité ainsi que l'électronique de commande propre à ces dispositifs. Le nombre des enroulements de type We, Wi, Wl et Wr n'est pas limité. La présente invention peut aisément s'adapter à de nombreux types de réseaux alternatifs caractérisés par la fréquence, la forme d'onde et le nombre de phase de la tension. La charge Z peut être complexe et non uniquement résistive. Le tore T peut être remplacé par tout dispositif en matériau ferromagnétique équivalent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit de commande d'un composant semiconducteur de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte un tore (T) en matériau ferromagnétique possédant au moins un enroulement d'entrée (We) , au moins un enroulement d'interrogation (Wi) , au moins un enroulement de lecture (Wl) destiné à être connecté aux bornes de commande du composant de puissance, et au moins un enroulement de régénération (Wr) .
2. Circuit de commande selon la revendication 1, dans lequel le composant de puissance est inséré dans un circuit de puissance alimenté en alternatif, caractérisé en ce que : l'un au moins des enroulements d'interrogation (Wi) reçoit une impulsion de polarité donnée au début de chaque alternance de la tension appliquée au circuit de puissance que le composant est susceptible de laisser passer ; et les enroulements de régénération (Wr) sont en série avec le composant de puissance.
3. Circuit de commande selon la revendication 2 , dans lequel le composant de puissance est un composant unidirec- tionnel pouvant être commandé par impulsion et se désamorçant quand le courant qui le traverse s'annule.
4. Circuit de commande selon la revendication 2 , dans lequel le composant de puissance est bidirectionnel et est inséré dans un circuit de puissance alimenté en alternatif, caractérisé en ce que : deux enroulements (Wrl, Wr2) sont utilisés pour régénérer 1 ' état magnétique ; et chaque enroulement de régénération est parcouru par le courant correspondant à l'une des deux alternances.
5. Circuit de commande selon la revendication 4, dans lequel le composant de puissance (Swl) est constitué de deux thyristors (Tl, T2 ) montés en parallèle et en opposition, caractérisé en ce que : l'enroulement de lecture (Wl) commande un transistor bipolaire (T3) connecté pour alimenter les gâchettes des thyristors ; et un enroulement de régénération (Wrl, Wr2) est placé en série avec chaque thyristor.
6. Circuit de commande selon la revendication 4, dans lequel le composant de puissance est un triac (T4) , caractérisé en ce que : l'enroulement de lecture (Wl) est connecté sur la gâchette du triac ; et deux diodes (D3, D4) montées tête-bêche sont placées en série avec les deux enroulements de régénération (Wr3, Wr4) .
7. Circuit de commande selon la revendication 4, dans lequel le composant de puissance est constitué de deux thyristors commandés par un transistor MOS (IGTHl, IGTH2) , caractérisé en ce que : les deux thyristors (IGTHl, IGTH2) sont placés en série et en opposition ; chaque thyristor est connecté, séparément, à un enrou- lement de lecture (W15, W16) et à un enroulement de régénération
(Wr5, Wr6) ; et une diode (D5, D6) est placée en parallèle sur chaque thyristor et son enroulement de régénération associé.
8. Procédé de commande d'un dispositif semiconducteur de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : prévoir un tore (T) en matériau ferromagnétique avec au moins quatre enroulements ; appliquer à un premier enroulement (We) une impulsion positive ou négative d'écriture ; appliquer à un deuxième enroulement (Wi) une impulsion d'interrogation de polarité donnée ; utiliser comme signal de commande électrique la tension apparaissant sur un troisième enroulement (Wl) et résultant de l'application de l'impulsion d'interrogation ; et régénérer par action sur un quatrième enroulement (Wr) l'état magnétique du tore antérieur à l'interrogation.
9. Procédé de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif semiconducteur de puissance se met à 1 'état ouvert lorsque la tension à ses bornes est nulle.
10. Procédé de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tension du réseau dans lequel est inséré le dispositif de puissance s'annule périodiquement.
11. Procédé de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tension du réseau dans lequel est inséré le dispositif de puissance est alternative.
12. Procédé de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que plusieurs enroulements (We) sont utilisés pour prendre en compte des impulsions d'écriture, le sens de chaque enroulement (We) dépendant du signe de ces impulsions.
13. Procédé de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième enroulement (Wi) est alimenté à partir d'un réseau alternatif à travers un pont redresseur (Pr) .
14. Procédé de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième enroulement (Wi) est alimenté à travers un dispositif (D) dont la fonction est de limiter le courant .
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