FR2563669A1 - Circuit integrable destine a commander la vitesse de la variation de la tension de dispositifs de commutation commandes par tension, au moment du blocage - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES CIRCUITS DE COMMUTATION DE PUISSANCE. UN CIRCUIT INTEGRABLE DESTINE A COMMANDER LA VITESSE DE VARIATION DE LA TENSION, AU MOMENT DU BLOCAGE, D'UN DISPOSITIF DE COMMUTATION DE PUISSANCE 11 NE COMPORTANT PAS DE REACTION (TEL QU'UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP, UN TRANSISTOR A GRILLE ISOLEE, ETC.), UTILISE UN SEUL ELEMENT CAPACITIF 43 EN ASSOCIATION AVEC UNE PREMIERE SOURCE DE COURANT 44 POUR FORMER UN GENERATEUR DE TENSION EN RAMPE. LE CIRCUIT UTILISE UNE SECONDE SOURCE DE COURANT 32 ET UN DISPOSITIF A CONDUCTION COMMANDEE 34 POUR APPLIQUER UN SIGNAL D'ATTAQUE A L'ELECTRODE DE COMMANDE DU DISPOSITIF DE COMMUTATION QUI COMMANDE LA CIRCULATION DU COURANT DANS UNE CHARGE 14. UN CIRCUIT DE REACTION 38, 40 REGULE LA VITESSE DE VARIATION DE LA TENSION AUX BORNES DE LA CHARGE PENDANT LE BLOCAGE. APPLICATION A L'APPAREILLAGE ELECTRIQUE.

Description

La présente invention concerne des semiconducteurs

de commutation de puissance, et elle porte plus particuliè-

rement sur un nouveau circuit intégrable destiné au blocage

commandé de dispositifs semiconducteurs de puissance com-

mandés par tension et sans réaction, comme des transistors à effet de champ, des transistors à grille isolée, etc. Il est bien connu de minimiser la durée pendant laquelle un dispositif semiconducteur de commutation de puissance sans réaction se trouve dans une"région active", pour éviter une dissipation de puissance excessive dans ce dispositif. Lorsqu'on utilise des semiconducteurs sans réaction commandés par tension, comme des transistors à effet de champ (TEC), des transistors à grille isolée (TGI), etc, pour commander le courant qui circule dans une charge, on minimise la dissipation de puissance en commutant le dispositif d'un état de conduction totale vers un état de blocage total d'une manière aussi rapide que possible, compte tenu des limites du dispositif en ce qui concerne la

valeur maximale de dV/dt.

La demande de brevet des E.U.A. n 499 579 déposée

le 31 mai 1984 par Milton D. Bloomer décrit un circuit par-

ticulièrement utile pour débloquer rapidement un dispositif de commutation de puissance commandé par tension et pour bloquer le courant de charge qui traverse ce dispositif avec des caractéristiques temporelles qu'on peut commander. Cette demande décrit un circuit de déblocage rapide et de blocage

commandé similaire à celui de la figure 1. Bien que le lec-

teur soit invité à se reporter à la demande précitée pour avoir des détails complets, on peut dire brièvement que dans le circuit 10 de la figure 1, l'électrode de source/émetteur d'un dispositif TEC/TGI de puissance, 11, est connectée à un potentiel commun du circuit, au niveau d'une borne 10a du circuit de commande. L'électrode de commande du dispositif 511 est connectée à une borne 10b du circuit de commande et elle reçoit un signal de déblocage ou de blocage en fonction

de celle des deux conditions possibles d'une tension d'en-

trée Vin qui est présente sur une borne d'entrée 10c, par

rapport à la borne commune du circuit, 10a. Le signal d'en-

trée commande la circulation d'un courant de charge IL dans une résistance de charge 14, de valeur L, à partir d'une source de tension unipolaire 12, de valeur VS. Une tension de collecteur/anode d'un dispositif de commutation associé est appliquée sur une borne de circuit 10d, avec un niveau qui est fonction de la valeur du courant de la charge. Le circuit 10 est connecté par une cinquième borne 10e à une source de tension d'alimentation, de valeur +V0. Le circuit de la demande précitée utilise un élément logique inverseur

16 dont l'entrée est connectée à la borne de tension d'en-

trée de commande 10c et dont la sortie est connectée à l'électrode de commande 18a de moyens bidirectionnels à conduction commandée, 18. Le circuit à conduction commandée

des moyens 18 est connecté entre les bornes lo0b et 10e.

L'électrode d'émetteur d'un transistor PNP 20 est connectée à la borne 10b, tandis que son électrode de collecteur est connectée à la sortie de l'inverseur 16, et l'électrode de base est connectée à la fois à l'électrode de collecteur

d'un transistor NPN 22 et à une borne d'un condensateur in-

tégrateur 23. La borne restante du condensateur intégrateur

23, ayant une capacité 01, est connectée au potentiel com-

mun du circuit. L'électrode d'émetteur du transistor 22 est connectée, par l'intermédiaire d'une combinaison série d'un condensateur de couplage 24 et d'une résistance série 25, à la borne de tension de collecteur/anode 10d du dispositif

de commutation, et elle est également connectée par l'in-

termédiaire d'une résistance d'émetteur 26 au potentiel com-

mun du circuit. La borne d'entrée 10c du circuit est connec-

tée par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation sé-

rie 27 à l'électrode de base du transistor 22, et cette électrode de base est connectée au potentiel commun du cir-

cuit, par l'intermédiaire d'une seconde résistance de pola-

risation 28 et d'une diode de compensation de température

29, connectées en série. Le circuit 10 de la demande de bre-

vet précitée utilise le transistor 22 en tant que source de courant pour décharger le condensateur 23 afin de générer une tension en rampe, et il utilise le condensateur 24 en tant que condensateur différentiateur. En fonctionnement,

lorsque la tension d'entrée Vin est à un niveau bas, prati-

quement égal à zéro, le premier transistor 22 est bloqué et

le condensateur 23 n'est pas déchargé par le transistor 22.

La sortie de l'inverseur 16 est à un niveau logique I ou haut, ce qui débloque les moyens 18 pour amener l'électrode

de grille du dispositif de commutation 11 à un niveau pra-

tiquement égal au potentiel d'alimentation haut + V0. Si-

multanément, les électrodes d'émetteur et de collecteur du transistor 20 sont amenées à un niveau haut, ce qui permet la circulation d'un courant de base à partir de l'électrode

de base du transistor 20 et charge pratiquement le condensa-

teur 23 au niveau de la tension d'alimentation +V 0. Le dis-

positif de commutation 11 est ainsi débloqué et le courant de charge IL circule à partir de la source 12 en traversant la résistance de charge 14 et le dispositif 11. Lorsque la tension d'entrée Vin. sur la borne d'entrée 10c s'élève à un in niveau haut +V0, le cycle de blocage est déclenché par le

fait que le transistor 22 est polarisé à l'état de conduc-

tion, pour commencer à décharger le condensateur 23 par la

résistance 26. Simultanément, la sortie de l'élément in-

verseur 16 tombe à un niveau bas, ce qui bloque les moyens 88 et fait tomber simultanément à un niveau de tension bas (pratiquement égal à zéro) la tension sur l'électrode de

collecteur du transistor 20. La tension de commande du dis-

positif de commutation, sur la borne lob, commence à dimi-

nuer à une première vitesse, jusqu'à ce que la tension de seuil de saturation VG COND du dispositif de commutation soit atteinte, et à ce seuil la valeur du courant de la charge, IL, commence à diminuer. La diminution du courant de la charge produit une variation proportionnelle de la tension sur la borne 10d; la vitesse de variation de la tension sur la borne 10d donne lieu à la circulation d'un

courant proportionnel dans le condensateur 24 et la résis-

tance 25. Ce courant de réaction circule également dans la

résistance d'émetteur 26 et il réduit le courant qui cir-

cule dans le transistor 22, ce qui fait que toute augmenta-

tion de la vitesse de variation du courant de la charge ou

de la tension du dispositif ralentit la décharge du conden-

sateur 23 et diminue la vitesse de variation de la diminu-

tion de la tension du dispositif de commutation, sur la borne lob, tandis que toute diminution de la vitesse de

variation du courant de la charge ou de la tension du dis-

positif accélère la décharge du condensateur 23 et augmente la vitesse de variation correspondant à la diminution de la tension du dispositif de commutation, sur la borne 10b. De cette manière, la vitesse de variation de la tension de

blocage du dispositif, dV/dt, est maintenue approximative-

ment constante pendant le blocage réel du courant qui cir-

cule dans le circuit commandé du dispositif 11. A un ins-

tant ultérieur, lorsque la tension de seuil de conduction Vt du dispositif 11 est atteinte, le courant de la charge est tombé à une valeur pratiquement égale à zéro, et la vitesse de variation de ce courant ramène pratiquement à zéro le courant qui circule dans le condensateur 24 et la résistance 25, ce qui augmente le courant circulant dans le transistor 22, avec une augmentation de la vitesse de décharge du condensateur 23 et de la vitesse de diminution de la tension sur la borne lob. Ainsi, une fois que le seuil de conduction est atteint, la tension de commande sur la borne 10d diminue plus rapidement, jusqu'à ce que la tension en 10b soit pratiquement égale au potentiel commun

du circuit.

On notera qu'il faut non seulement que le rapport

des valeurs des condensateurs 23 et 24 soit maintenu prati-

quement constant, mais encore que la capacité absolue de chacun des condensateurs 23 et 24 soit maintenue dans des tolérances relativement serrées, pour obtenir une vitesse

de variation dV/dt désirée. On notera également que le con-

densateur 24 doit fonctionner jusqu'à la pleine valeur de la tension de la source, Vs. Bien qu'on puisse fabriquer le circuit 10 sous forme hybride ou partiellement intégrée, il

est souvent nécessaire de réaliser le condensateur de réac-

tion à tension élevée, 24, sous la forme d'un composant sé-

paré, ayant une valeur de capacité et une tension de service

choisies pour l'utilisation particulière. On notera égale-

ment qu'on ne peut pas réaliser aisément le circuit 10 avec la technologie économique des circuits intégrés CMOS, et qu'on ne peut pas intégrer en un seul composant l'ensemble du circuit (à l'exception du dispositif de commutation de puissance sans réaction 11, de la source 12 et de la charge 14). Il est extrêmement souhaitable de réaliser un

circuit de déblocage rapide/blocage commandé, pour comman-

der un ou plusieurs dispositifs de commutation de puissance

sans réaction, qui puisse utiliser la technologie économi-

que des circuits intégrés CMOS et qui ne comporte pas de

composants de circuit de commande qui ne soient pas inté-

grables.

Conformément à l'invention, un circuit intégrable destiné à commander la vitesse de variation de la tension

au blocage (dV/dt) d'un dispositif de commutation de puis-

sance sans réaction, tel qu'un TEC, un TGI, etc, utilise un seul élément capacitif, en compagnie d'une première source de courant, pour former des moyens destinés à générer une tension en rampe uniquement si une borne de générateur en rampe est déconnectée d'un potentiel commun du circuit, et utilise une seconde source de courant et un dispositif à conduction commandée pour appliquer un signal d'attaque d'électrode de commande au dispositif de commutation de

puissance. la tension entre le collecteur/anode et la sour-

ce/cathode du ou des dispositifs de commutation de puissance est appliquée sous une forme atténuée à une autre entrée des moyens générateurs de tension en rampe, pour commander la vitesse de variation de la tension de la charge pendant le

blocage du courant de la charge.

Dans des modes de réalisation actuellement préfé-

rés, le circuit de déblocage rapide/blocage commandé entiè-

rement intégrable commande au moins un dispositif de commu-

tation de puissance commandé par tension, dans des circuits

de eource/charge qui sont soit de type unipolaire (fonction-

nant en continu), soit de type bipolaire (fonctionnant en alternatif). L'invention a donc pour but de procurer un circuit

intégrable original destiné à commander la vitesse de va-

riation au blocage, dV/dt, de la tension aux bornes d'un dispositif de commutation de puissance sans réaction qui

commande la circulation dans une charge d'un courant prove-

nant d'une source associée.

La suite de la description se réfère aux dessins

annexés qui représentent respectivement: Figure 1: un schéma d'un circuit de déblocage rapide/blocage commandé de l'art antérieur;

Figure 2: un schéma du circuit entièrement inté-

grable conforme à l'invention, destiné à commander le blo-

cage d'un dispositif de commutation de puissance sans réac-

tion; Figures 2a - 2e: un ensemble de représentations graphiques ayant une échelle de temps commune, illustrant les formes des signaux en divers points du circuit de la figure 2; et

Figure 3: un schéma d'un circuit entièrement in-

tégrable destiné à commander le déblocage rapide et le blo-

cage commandé d'un ensemble de dispositifs de commutation de puissance sans réaction, dans le but de commander la

circulation d'un courant alternatif dans une charge.

En considérant maintenant la figure 2, on voit un premier mode de réalisation actuellement préféré du circuit de blocage commandé intégrable 30, conforme à l'invention, destiné à commander la vitesse de variation de la tension

entre le collecteur/anode et la source/cathode d'un dispo-

sitif de commutation de puissance sans réaction, 11, dans un circuit dans lequel une charge 14 est connectée en série avec une source de tension unipolaire 12. Le circuit 30

utilise un premier générateur à courant pratiquement cons-

tant, 32, pour faire circuler un courant de polarisation IB vers l'électrode de source d'un transistor à effet de champ (TEC) de type p, 34. L'électrode de source du TEC 34 est également connectée à la borne de sortie d'attaque de grille du circuit, 30b, tandis-que l'électrode de drain du TEC 34 est connectée au potentiel commun du circuit, sur la borne de circuit 30a. L'électrode de grille du TEC 34

est connectée à la sortie 36a d'un amplificateur opération-

nel. Une première entrée, ou entrée inverseuse (-), 36b, de l'amplificateur opérationnel est connectée à l'entrée de commande 30c du circuit. Une autre entrée, ou entrée non inverseuse (+), 36c, de l'amplificateur opérationnel est connectée par l'intermédiaire d'une première résistance 38, de valeur Rl, à la borne d'entrée de tension de collecteur/ anode 30d du dispositif de commutation. L'entrée 36c est

connectée au potentiel commun du circuit par l'intermédiai-

re d'une seconde résistance 40, de valeur R2. Un condensa-

teur d'intégration 43, ayant une capacité C, est connecté entre la sortie 36a de l'amplificateur opérationnel et l'entrée 36b. Une seconde source de courant 44 destinée à générer un courant en rampe IR pratiquement constant, est connectée à l'entrée 30c. Les deux sources de courant 32

et 44 sont connectées entre la borne de potentiel d'alimen-

tation 30e du circuit et des bornes respectives 30b et 30c du circuit, et elles peuvent utiliser des TEC polarisés à

zéro et d'autres moyens connus dans la technique des cir-

cuits intégrés pour former des sources de courant de valeur

pratiquement constante. Le potentiel d'alimentation du cir-

cuit, +V0, appliqué sur la borne d'entrée 30e, est égale-

ment appliqué à l'entrée de potentiel d'alimentation 36d de l'amplificateur opérationnel 36, qui comporte Une borne de potentiel commun 36e connectée au potentiel commun du circuit.

En fonctionnement, le circuit de déblocage rapi-

de/blocage commandé intégrable 30 conforme à l'invention est commandé par un élément de commutation 42 qui établit

la connexion entre la borne d'entrée 30c et la borne com-

mune 30a pour commuter le dispositif de commande 11 à l'état conducteur, et qui déconnecte la borne d'entrée de

commande 30c de la borne commune 30a du circuit, pour com-

muter le dispositif 11 à l'état bloqué. Bien que l'élément

de commutation 42 soit représenté sous la forme d'un commu-

tateur unipolaire à deux positions, ayant une première bor-

ne "conduction" 42a pouvant être sélectionnée, une seconde borne "blocage" 42b pouvant être sélectionnée, et une borne commune 42c, il faut noter qu'on peut utiliser n'importe quels moyens susceptibles d'être commandés pour établir respectivement des états à impédance relativement basse et relativement élevée entre les bornes 30a et O30c, pour les

états respectifs de "conduction" et de "blocage".

En supposant que l'élément de commutation 42 ait été dans l'état ouvert pendant un certain temps, ce qui

est par exemple analogue à la connexion de la borne commu-

ne 42c du commutateur à la borne "blocage" 42b pouvant être sélectionnée, un état à haute impédance ou "ouvert"

est présent sur la borne d'entrée 30c. La source de cou-

rant 44 a chargé le condensateur 43 au potentiel d'ali-

mentation +V0 présent sur la borne 30c, comme le montre la partie 44a de la figure 2a. La tension V36a sur la sortie 36a de l'amplificateur opérationnel est donc à un

niveau de tension pratiquement égal à zéro, comme le mon-

tre la partie 45a de la figure 2b. Cette tension attaque le TEC 34 et fait prendre à la tension sur la borne d'électrode de commande 30b du dispositif de commutation une valeur Vq égale à la chute de tension source/drain aux bornes du canal à conduction commandée du TEC 34, comme le

montre la partie 46a de la figure 2c. Du fait que la ten-

sion Vq a été sélectionnée de façon à être inférieure à la tension de seuil de conduction Vt à laquelle le dispositif

de commutation 11 commence à conduire un courant, le dis-

positif de commutation 11 est dans l'état bloqué. Par conséquent, la tension de collecteur/anode du dispositif

de commutation, sur la borne 30d, est au niveau de la ten-

sion de la source Vs, comme l'indique la partie 47a de la figure 2d, et la tension divisée V36c, sur l'entrée non inverseuse 36c de l'amplificateur opérationnel, est, comme

le montre la partie 48a de la figure 2e, égale à la ten-

sion de la source Vs multipliée par le facteur d'atténua-

tion k, avec k = R2/(RI+R2).

A l'instant tcond on ferme l'élément de commu-

tation 42 pour connecter la borne d'entrée de commande 30c à la borne commune 30a du circuit. La tension V30c sur la

borne d'entrée de commande tombe donc à un niveau prati-

quement égal à zéro, comme le montre la partie 44c, à la suite du front descendant 44b, sur la figure 2a; tout le courant IR de la source 44 est shunté vers le potentiel commun du circuit par l'intermédiaire de l'élément de

commutation 42 et aucun courant ne circule dans le con-

densateur 43. La tension de sortie V36a de l'amplificateur opérationnel s'élève, avec le front montant 45b, jusqu'à un niveau pratiquement égal au potentiel d'alimentation +Vo du circuit, comme le montre la partie 45c de la figure 2b. La tension sur la borne d'électrode de commande 30b du dispositif de commutation s'élève, dans la partie 46b, au fur et à mesure de la charge de la capacité d'entrée du dispositif de commutation, et peu de temps après l'instant tcond, elle atteint pratiquement le niveau du potentiel d'alimentation +VO du circuit, comme le montre la partie 46c de la figure 2ci et du fait que le niveau de tension

de la partie 46c est supérieur à la fois au niveau de ten-

sion de seuil de conduction Vt et au niveau de tension de seuil de saturation VG, ONDdu dispositif de commutation, le dispositif 11 est rapidement débloqué jusqu'à l'état de conduction complète, c'est-à-dire qu'il est rapidement

saturé. Le courant de la charge IL commence donc à augmen-

ter lorsque la tension V30b devient supérieure à la valeur du seuil de conduction Vt et ce courant atteint la pleine

valeur du courant de la charge (qui est fixée par la ten-

sion de la source Vs et par la résistance R de la charge)

lorsque la tension V30b atteint la tension de seuil de sa-

turation VG,COND. La tension de collecteur/anode V30b du dispositif de commutation diminue ainsi pendant la partie

47b, du niveau de la tension de la source +Vs vers la ten-

sion de conduction du dispositif, VCOND, par exemple vers une tension de saturation V d'environ 2 à 4 volts, et elle

reste au niveau VCOND, comme dans la partie 47c de la fi-

gure 2d, pendant que l'élément de commutation 42 est fermé.

En réponse, la tension de sortie du diviseur, V36c, diminue dans la partie 48b et reste au niveau bas 48c (figure 2e),

aussi longtemps que le dispositif 11 reste dans l'état con-

ducteur. On réalise ainsi l'opération de déblocage rapide

du circuit 30.

L'opération de blocage commandé du circuit 30 commence par l'ouverture de l'élément de commutation 42,

pour établir une condition d'impédance élevée entre la bor-

ne commune d'entrée 30a du circuit et la borne d'entrée de

commande 30c. Le courant en rampe IR de la source de cou-

rant 44 commence alors à circuler dans le condensateur 43.

Du fait que le dispositif de commutation 11 était saturé, la tension V36c sur l'entrée non inverseuse reste à son niveau bas, de valeur kVCoND, dans la partie 48d, ce qui force la tension sur l'entrée inverseuse 36b, et donc la tension V30c sur la borne d'entrée, à rester pratiquement à zéro volt, comme dans la partie 41d. La circulation du

courant dans le condensateur 43 doit donc produire une di-

minution, représentée dans la partie 45d, de la tension de sortie V36a de l'amplificateur opérationnel. Ceci conduit à une partie 46d de valeur décroissante pour la tension V30b sur la borne d'électrode de commande, sous l'effet de

la réduction de la tension aux bornes du canal de conduc-

tion source-drain du TEC 34. La vitesse de variation M de la tension de sortie V36a de l'amplificateur opérationnel, sur l'électrode de grille du TEC 34, est pratiquement égale à la vitesse de variation M de la tension sur l'électrode de commande du dispositif de commutation, sur la borne 30b, et elle est établie par le rapport entre le courant en

rampe IR de la source de courant en rampe 44, et la capa-

cité du condensateur 42, c'est-à-dire dV36a/dt = Ij/C. Les tensions V36a et V30b diminuent à la vitesse M jusqu'à ce que la tension sur l'électrode de commande V30b atteigne la tension de seuil de saturation VG,COND du dispositif de commutation 11, à l'instant tI. Acet instant, le dispositif

de commutation 11 sort de l'état de saturation et une dimi-

nution de la tension d'électrode de commande, sur la borne

b, produit une diminution du courant commandé du dispo-

sitif de commutation, qui est le courant de la charge, IL,-

La tension de collecteur/anode V30d du dispositif de com-

mutation commence donc à augmenter, comme le montre la partie 47e, et la tension croissante est divisée par les

résistances 38 et 40 et est renvoyée vers l'entrée non in-

verseuse 36c de l'amplificateur opérationnel. Du fait que

la tension d'entrée différentielle de l'amplificateur opé-

rationnel doit rester faible, à cause du gain élevé de l'amplificateur opérationnel, la tension sur l'entrée in- verseuse 36b, qui est la tension V3Oc, suit la tension croissante V36c sur l'entrée non inverseuse, lorsque la tension de collecteur/anode V30d augmente. Du fait que la tension de sortie V36a de l'amplificateur opérationnel est

référencée à la tension de l'entrée négative 36b de l'am-

plificateur opérationnel, par l'intermédiaire du condensa-

teur 43, lorsque la tension d'entrée V3Oc augmente, dans la partie 44e, la vitesse de variation de la tension V36a

doit diminuer, comme le montre la nouvelle vitesse de va-

riation de la tension, M', dans la partie 45e de la figure 2b. Ceci conduit à une vitesse de variation M" ralentie de

façon correspondante, pour la tension d'électrode de com-

mande V3Ob, comme représenté dans la partie 45e de la fi-

gure 2c, depuis l'instant t1 et jusqu'à l'instant t2 au-

quel le seuil de conduction Vt est atteint, et une diminu-

tion de la tension d'électrode de commande du dispositif

de commutation 11 ne produit pas un changement supplémen-

taire du courant I de la charge. La vitesse de variation

MI" de la tension sur la sortie 36a de l'amplificateur opé-

rationnel, entre les instants t1 et t2, est la différence

entre la vitesse de variation de la tension en rampe ini-

tiale, c'est-à-dire It/C et la vitesse de variation de la tension (dV36c/dt) sur l'entrée 36c de l'amplificateur opérationnel, cette vitesse de variation dV36c/dt étant

égale à la pente M', qui est elle-même égale & km, en dé-

signant par k le rapport de résistancesR2/(R1+R2). la

tension de collecteur/anode V30d du dispositif de commu-

tation doit donc passer de la tension de conduction totale VCOND, & la tension de la source, Vs, entre les instants t1 et t2, ce qui donne une tension V3Od qui augmente de

façon pratiquement linéaire avec une pente m=dV/dt, en dé-

signant par V la tension aux bornes du circuit à conduction commandée du dispositif de commutation 11. La tension V36c sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel augmente également (dans la partie 48e), avec une pente m' qui est fondamentalement égale à km, jusqu'à une tension

maximale de kVS à l'instant t2.

De cette manière, la tension d'électrode de com-

mande du dispositif de commutation est commandée par réac-

tion vers l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opé-

rationnel, pour maintenir approximativement constante la

vitesse de variation dV/dt de la tension du circuit à con-

duction commandée du dispositif de commutation; et cette pente m est établie par l'équation: m = dV/dt = (IR/C) ((RI + R2)/R2) On voit ainsi que le gain en tension (par exemple gmR,% en

désignant par gm la transconductance) du dispositif de com-

mutation, et le gain presque égal à l'unité du TEC 34, fonctionnant en circuit à charge de source, ne produisent, au plus, que des effets du second ordre sur la vitesse de variation m=dV/dt de la partie 47e relative à la tension

sur la borne 30d, et de la partie correspondante 48e rela-

tive à la tension sur l'entrée non inverseuse de l'ampli-

ficateur opérationnel. Ainsi, pour un dV/dt désiré d'envi-

ron 5 volts/microseconde, le circuit de blocage commandé entièrement intégrable, 30, utilise un courant en rampe

IR d'environ 10 microampères généré par la source de cou-

rant 44, un condensateur d'intégration 43 ayant une va-

leur de capacité C d'environ 25 picofarads et un rapport

de diviseur de tension résistif (R1, R2) d'environ 11,5/1.

On notera qu'il est relativement aisé d'obtenir ces va-

leurs de source de courant et de capacité et ces rapports de résistances dans un circuit intégré CMOS, et qu'il est également possible de réaliser en technologie CMOS la source de polarisation 32, le TEC 34 et l'amplificateur

opérationnel 36, ce qui conduit à un circuit intégré rela-

tivement économique qui n'exige aucun composant externe pour fixer une valeur désirée de dY/dt pour le blocage

commandé d'un dispositif de commutation de commande 11 as-

socié.

A l'instant t2, la tension d'électrode de com-

mande V30b du dispositif de commutation atteint le seuil

de tension de conduction Vt, et aucune diminution supplé-

mentaire du courant de la charge, IL, ne se produit sous l'effet d'une diminution de la tension d'électrode de

commande V30b. Lorsque la tension V du circuit à conduc-

tion commandée du dispositif de commutation a atteint le niveau de la tension de la source, Vs, la tension V30d

reste au niveau de la tension de la source dans les par-

* ties suivantes, à savoir la partie 47f entre l'instant

t2 et l'instant t3, et la partie 47g après l'instant t3.

La tension sur l'entrée non inverseuse 36c de l'amplifica- teur opérationnel est donc la tension des parties 48f et 48g, et elle a un

niveau égal à kVS. Ceci fait que la tension V30c sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur

opérationnel reste pratiquement constante pendant la par-

tie 44f, entre les instants t2 et t3, pendant que la ten-

sion de sortie V36a de l'amplificateur opérationnel con-

tinue à diminuer, dans la partie 45f, avec la vitesse de variation précédente, plus élevée, M, jusqu'à ce qu'un

niveau de tension de sortie de l'amplificateur opération-

nel pratiquement égal à zéro soit atteint à l'instant t3.

La sortie de l'amplificateur opérationnel demeure ensuite au niveau 45g pratiquement égal à zéro, jusqu'à ce que l'élément de commutation 42 soit fermé à nouveau pour commander une opération de déblocage du dispositif de commutation 11. Dans l'intervalle entre t2 et t3, pendant que la tension de grille du TEC 34 diminue le long de la partie 45f, du fait de la diminution de la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel, la tension aux bornes du canal à conduction commandée du TEC 34 continue à diminuer, ce qui fait diminuer la tension V30b sur la

borne d'électrode de commande 30b du dispositif de commu-

tation, dans la partie 44, jusqu'à ce que la tension Vq du TEC soit atteinte, après quoi la tension Vq apparaît entre les bornes 30b et 30a, dans la partie 46f'. A l'instant t3, la tension de sortie V36a de l'amplificateur opérationnel atteint finalement un niveau pratiquement

égal à zéro et elle reste ensuite à ce niveau dans la par-

tie 45g, pendant que la tension sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel augmente, dans la partie 44g, jusqu'à ce qu'elle soit pratiquement égale au niveau Vo de

la tension d'alimentation, dans la partie 44g', ce qui ré-

tablit les conditions initiales correspondant au blocage

total. -

On voit ainsi que le circuit 30 assure le déblo-

cage rapide et le blocage commandé d'un dispositif de com-

mutation de puissance 11 commandé par tension, qui a pour action de commuter le courant de charge IL circulant dans

une charge 14 connectée à une source unipolaire 12.

En considérant maintenant la figure 3, on note qu'on peut utiliser le circuit de déblocage rapide/blocage commandé intégrable, 30', avec un ensemble de dispositifs de commutation sans réaction, commandés par tension, par exemple la paire de dispositifs de commutation de type TGI 11-1 et 11-2, afin de commander le déblocage et le

blocage d'un courant de charge bidirectionnel IL' circu-

lant dans une charge 14' qui est connectée à une source

bipolaire (alternative) 12'. La source comporte des pre-

mière et seconde bornes d'alimentation alternative LI et L2. La borne d'alimentation alternative L1 est connectée à une borne de la charge 14', dont l'autre borne est connectée au collecteur/anode du premier dispositif de commutation commandé par tension 11-1, à la cathode d'une

diode à conduction en inverse 11'-1 connectée en paral-

lèle avec le circuit à conduction commandée du dispositif 11-1, et à une première borne de tension de collecteur/

anode 30'd-1 du circuit intégrable 30'. La borne d'alimen-

tation alternative L1 est également connectée à une pre-

mière borne auxiliaire 30'f du circuit intégrable 30'. La seconde borne d'alimentation alternative I2 est connectée au collecteur/anode du second dispositif de commutation commandé par tension 11-2, à la cathode d'une autre diode à conduction en inverse 11'-2, en parallèle sur le circuit à conduction commandée du dispositif de commutation 11-2,

et à une seconde borne de tension 30'd-2 du circuit à con-

duction commandée du dispositif de commutation, du circuit

intégrable 30'. L'électrode de commande de chacun des dis-

positifs de commutation 11-1 et 11-2 est respectivement

connectée à une borne associée parmi les bornes d'électro-

de de commande 30'b-1 et 30'b-2 qui, comme représenté, sont connectées ensemble de façon interne dans le circuit intégrable 30'. Le potentiel commun du circuit, sur la borne de circuit 30'a, est appliqué aux électrodes de ,source/émetteur des deux dispositifs de commutation 11-1

et 11-2, et aux bornes d'anode des deux diodes à conduc-

tion en inverse 11'-1 et 11'-2. Le potentiel d'alimenta-

tion +V0 est appliqué sur la borne de circuit 3O'e.

o L'élément de commutation 42 apparaît à nouveau entre la borne de commande d'entrée 30'c du circuit et la borne de potentiel commun 30'a du circuit. Comme dans le circuit

de commande 30 de la figure 2, commandant un seul dispo-

sitif de commutation, une source de courant de polarisa-

tion 32 est connectée entre la borne de potentiel d'ali-

mentation 30'e et les bornes d'électrodes de commande

'b-1 et 30'b-2 des dispositifs de commutation. Le cir-

cuit source-drain à conduction commandée d'un TEC 34 est

connecté entre le point de connexion de la source de cou-

rant 32 et des bornes d'électrodes de commande 30'b-1 et 30'b-2, et le potentiel commun du circuit. L'électrode de

grille du TEC 34 est connectée à la sortie 36a de l'ampli-

ficateur opérationnel 36, et à une borne du condensateur

d'intégration 43. L'entrée inverseuse 36b de l'amplifica-

teur opérationnel est connectée à l'autre borne du conden-

sateur d'intégration 43, à la borne d'entrée de commande 'c et à la sortie à courant pratiquement constant de la seconde source de courant 44, qui fournit le courant en

rampe IR, provenant de la borne de potentiel d'alimenta-

tion 30'e.

Conformément à un autre aspect de l'invention, pour l'utilisation avec une source bipolaire (alternative)

12', l'entrée non inrseuse 36c de l 'amplificateur opéra-

tionnel est connectée, non seulement au potentiel commun par l'intermédiaire de la résistance 40 de valeur R2, mais également à l'une ou l'autre des premières résistances de diviseur de tension 38a ou 38b, ayant chacune une valeur pratiquement similaire Rla ou Rlb, par l'intermédiaire

d'une paire d'éléments de commutation commandés, 95 et 97.

La borne restante de chacune des résistances 38a ou 38b est respectivement connectée à l'une des bornes d'entrée d-1 et 30'd-2 des circuits à conduction commandée des dispositifs de commutation. Les entrées de commande 95a et 97a des éléments à conduction commandée respectifs 95

ou 97, sont respectivement connectées aux sorties respec-

tives 91a et 92a de détecteurs de polarité positive 91 et 92, se rapportant respectivement à la ligne d'alimentation

alternative 1 et à la ligne d'alimentation alternative 2.

Chaque détecteur de polarité positive 91 et 92 comporte

une entrée 91b ou 92b qui est connectée à la borne asso-

ciée parmi la borne auxiliaire 30'f ou la borne 30'd-2,

pour recevoir la tension sur la borne d'alimentation al-

ternative respective Ll ou I2, par rapport au potentiel de la masse qui est appliqué aux entrées 91c et 92c. La

sortie 91a du détecteur de polarité positive pour la li-

gne d'alimentation alternative 1, 91, est actif, ce qui autorise la conduction du premier élément de commutation

associé, chaque fois que la tension sur la borne d'ali-

mentation alternative L1 est positive par rapport au po-

tentiel commun du circuit, tandis que la sortie du détec-

teur de polarité positive de la ligne d'alimentation al- ternative 2, 92, est active, ce qui autorise la conduction du second élément de commutation 97 associé, chaque fois que la tension sur la borne d'alimentation alternative I2

est positive par rapport à la borne commune 30'a du cir-

cuit. On voit que lorsque les polarités des bornes d'ali-

mentation alternative T1 et I2 s'inversent alternative-

ment, seul le dispositif de commutation 11-1 ou 11-2 dont

le collecteur/anode est connecté à une borne d'alimenta-

tion alternative de polarité positive est conducteur, tandis que la diode à conduction en inverse 11-2 ou 11-1, en parallèle avec le dispositif de commutation qui reçoit alors une tension de ligne d'alimentation alternative de polarité négative (par rapport à la borne commune 30'a du

circuit) est conductrice. Par conséquent, pendant la pré-

sence de la polarité correspondant à n'importe quel demi-

cycle particulier, seule la première résistance 38a ou 38b qui est associée à un dispositif de commutation de puissance 11-1 ou 11-2 actif est connectée à l'entrée 36c de l'amplificateur opérationnel, par l'intermédiaire de l'élément de commutation 95 ou 97 associé. Du fait que les électrodes de commande des dispositifs de commutation

sont attaquées en parallèle et que les dispositifs à con-

duction commandée 95 et 97 sont commandés par la polarité des lignes d'alimentation alternative, le signal dV/dt

correspondant au collecteur/anode du dispositif de com-

mutation est renvoyé vers l'amplificateur opérationnel, pendant le blocage commandé, uniquement à partir de celui des dispositifs de commutation de puissance 11-1 ou 11-2 qui est à l'état conducteur au moment considéré. Le

fonctionnement réel du circuit et des dispositifs de com-

mutation 11-1 et 11-2 associés est à tous autres égards identique, dans cette configuration à source bipolaire, au fonctionnement décrit pour la configuration unipolaire

de la figure 2.

On notera que les éléments à conduction comman-

dée 95 et 97 peuvent être des portes à conduction bidirec-

tionnelle commandée utilisant la technologie CMOS, d'une

manière bien connue dans la technique des circuits inté-

grés, et les détecteurs de polarité positive 91 et 92 peuvent également utiliser cette technologie. Il est donc possible d'intégrer entièrement le circuit intégrable 30' dans un petit boîtier de circuit intégré, n'ayant de façon caractéristique pas plus de huit broches. On peut utiliser

le même circuit intégré de commande pour commander l'en-

semble des dispositifs de commutation externes nécessaires

à la commande de la circulation bidirectionnelle du cou-

rant dans une charge, à partir d'une source bipolaire 12'

ou bien, dans le cas de la connexion sous la forme du cir-

cuit 30 de la figure 2, pour commander au moins un dispo-

sitif de commutation 11 dans le but de commander la circu-

lation unidirectionnelle du courant de la charge, à partir

d'une source unipolaire.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Circuit intégrable destiné à commander la com-

mutation entre un état totalement conducteur et un état to-

talement bloqué d'un dispositif semiconducteur de puissance sans réaction (11) ayant une électrode de commande et un

circuit à conduction commandée dans lequel un courant cir-

cule sous la dépendance du niveau d'un signal appliqué sur l'électrode de commande qui est compris entre un seuil de conduction et un seuil de saturation, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (30c) destinés à recevoir un

signal d'entrée ayant des première et seconde caractéris-

tiques, chacune d'elles ayant respectivement pour fonction de faire passer le dispositif de commutation (11) dans un

état associé pour la circulation du courant dans ce dispo-

sitif, parmi l'état totalement conducteur et l'état tota-

lement bloqué; des moyens (36, 43, 44) destinés à pro-

duire le signal de l'électrode de commande avec un niveau

suffisant pour débloquer rapidement le dispositif de com-

mutation (11) sous l'effet de la première caractéristique du signal d'entrée, et à générer le signal de l'électrode

de commande sous la forme d'un signal en rampe ayant une-

première vitesse de variation sous la dépendance de la seconde caractéristique du signal d'entrée; et des moyens (38, 40) destinés à produire un signal de réaction dont le

niveau est fonction de la vitesse de variation de la ten-

sion aux bornes du circuit à conduction commandée, pour faire en sorte que les moyens de génération de signal en rampe produisant le signal de l'électrode de commande (36, 43, 44) réduisent la vitesse de variation du signal de l'électrode de commande à une seconde vitesse de variation,

inférieure à la première vitesse de variation, sous la dé-

pendance du niveau du courant qui circule dans le circuit

à conduction commandée du dispositif (11), lorsque ce ni-

veau est compris entre les seuils de conduction et de sa-

turation.

2. Circuit intégrable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des moyens (30e) destinés à recevoir un potentiel d'alimentation du circuit, par rapport à un potentiel commun du circuit; et des moyens (32, 34) recevant le signal en rampe, pour pro- duire le signal de l'électrode de commande pratiquement au niveau du potentiel d'alimentation dans l'état totalement conducteur, et pour produire le signal de l'électrode de commande à un potentiel s'approchant du potentiel commun

du circuit dans l'état totalement bloqué.

3. Circuit intégrable selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de génération du signal de l'électrode de commande (36, 43, 44) comprennent: des

moyens qui réagissent à la seconde caractéristique du si-

gnal d'entrée en générant une tension en rampe ayant une pente qui est commandée par le signal de réaction; et des moyens (32, 34) destinés à isoler la tension en rampe pour l'application à l'électrode de commande du dispositif

de commutation (11).

4. Circuit intégrable selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'isolation comprennent: un transistor à effet de champ (34) ayant une électrode

de commande qui reçoit la tension en rampe et ayant un ca-

nal à conduction commandée qui est connecté entre l'élec-

trode de commande du dispositif de commutation (11) et le potentiel commun du circuit; et des moyens (32) destinés

à produire un courant de niveau pratiquement constant pro-

venant du potentiel d'alimentation du circuit et dirigé vers le point de connexion entre le circuit à conduction commandée des moyens d'isolation (34) et l'électrode de

commande du dispositif de commutation (11).

5. Circuit intégrable selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de génération de rampe comprennent: un amplificateur opérationnel (36) ayant une première entrée (36b) qui reçoit le signal d'entrée, une seconde entrée (36c) qui reçoit le signal de réaction, et une sortie (36a) qui est connectée à l'électrode de commande du dispositif de commutation (11); un élément

intégrateur (43) connecté entre la sortie (36a) de l'am-

plificateur opérationnel et la première entrée (36b); et des moyens (44) destinés à appliquer un courant en rampe

pratiquement constant à la première entrée (36b) de l'am-

plificateur opérationnel.

6. Circuit intégrable selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément intégrateur est un élément capacitif (43) qui est connecté entre la première entrée

(36b) et la sortie (36a) de l'amplificateur opérationnel.

7. Circuit intégrable selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens produisant un signal de réaction comprennent un atténuateur de tension (38, 40)

ayant une entrée qui reçoit la tension aux bornes du cir-

cuit à conduction commandée du dispositif de commutation (11) et ayant une sortie destinée à appliquer le signal de réaction à la seconde entrée (36c) de l'amplificateur

opérationnel.

8. Circuit intégrable selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'atténuateur de tension comprend une première résistance (38), de valeur R1, ayant une

première borne qui reçoit la tension du circuit à conduc-

tion commandée du dispositif de commutation (11), et une seconde borne connectée à la seconde entrée (36c) de l'amplificateur opérationnel, et une seconde résistance (40), de valeur R2, connectée entre la seconde entrée (36c) de l'amplificateur opérationnel et le potentiel

commun du circuit.

9. Circuit intégrable selon la revendication 8, caractérisé en ce que la capacité d'intégration (43) a une valeur C et les moyens produisant un courant en rampe pratiquement constant (44) produisent un courant de valeur IR; les valeurs des première et seconde résistances (38, ), de l'élément capacitif (43) et des moyens de génération de courant en rampe (44) étant définies de façon à produire une vitesse de variation dV/dt désirée pour la tension V aux bornes du circuit à conduction commandée du dispositif de commutation (11).

10. Circuit intégrable selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vitesse de variation dV/dt est

pratiquement égale à (Ii/C)(RI+R2)/R2.

11. Circuit intégrable selon la revendication 10, caractérisé en ce que le courant en rampe IR est de l'ordre

de 10 microampères.

12. Circuit intégrable selon la revendication 10, caractérisé en ce que la capacité C (43) a une valeur de

l'ordre de 25 picrofarads.

13. Circuit intégrable selon la revendication 10, caractérisé en ce que les première et seconde résistances

(38, 40) ont un rapport R1/R2 de l'ordre de 11,5/1.

14. Circuit intégrable selon la revendication 8, caractérisé en ce que les première et seconde résistances

(38, 40) ont un rapport R1/R2 de l'ordre de 11,5/1.

15. Circuit intégrable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé en un seul circuit intégré.

16. Circuit intégrable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un ensemble d'éléments de détection de polarité (91, 92), chacun d'eux ayant une entrée séparée (91b, 92b) et une sortie (91a,

92a), de façon que chacun d'eux produise un signal de sor-

tie séparé lorsqu'un signal présent au moment considéré sur l'entrée associée possède une polarité prédéterminée par rapport au potentiel commun du circuit; des moyens (30'd-1, 30'-2) destinés à recevoir au moins un ensemble de signaux de réaction; et des moyens (95, 97) destinés à sélectionner celui des signaux de l'ensemble de signaux

de réaction qui doit être appliqué aux moyens de généra-

tion de rampe (36, 43), sous la dépendance de la présence

d'un signal de sortie provenant de l'un au moins des élé-

ments de l'ensemble d'éléments de détection de polarité

(91, 92).

17. Circuit intégrable selon la revendication

16, caractérisé en ce que l'ensemble de moyens de récep-

tion de signaux de réaction comprend une paire de bornes de circuit (30'd1, 30'd-2), chacune d'elles recevant un signal de réaction différent, et les moyens de génération des signaux de réaction comprennent: une résistance (40) ayant une première borne à laquelle est appliqué le signal de réaction et une seconde borne connectée au potentiel

commun du circuit; des premier et second éléments à con-

duction commandée (95, 97), chacun d'eux étant placé dans un état conducteur par un premier élément associé parmi

les éléments de détection de polarité (91, 92), à un mo-

ment différent du moment auquel l'autre élément à conduc-

tion commandée est placé à l'état conducteur par un second

élément associé de la paire d'éléments de détection de po-

larité (91, 92); et des seconde et troisième résistances (38a, 38b), chacune d'elles étant connectée en série avec

un élément associé parmi les éléments à conduction comman-

dée (95, 97), entre la première borne de la première ré-

sistance (40) et la borne associée parmi la paire de bor-

nes de circuit (30'd-1, 30'd-2) qui reçoit au moment con-

sidéré la polarité de signal prédéterminée.

18. Circuit caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, le circuit intégrable de la revendication I; au moins un dispositif de commutation de puissance

(11); une source de courant électrique (12); et une char-

ge (14) connectée entre le ou les dispositifs de commuta-

tion (11) et la source (12), cette charge étant traversée

par un courant qui provient du circuit à conduction com-

mandée du ou des dispositifs de commutation (11), sous la commande du circuit de commande et sous la dépendance des

première et seconde caractéristiques du signal d'entrée.

19. Circuit selon la revendication 18, caractéri-

sé en ce que la source est une source unipolaire (12).

20. Circuit caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: le circuit intégrable de la revendication 1; un ensemble de dispositifs de commutation de puissance (11-1, 11-2); une source de courant électrique bipolaire (12'); et une charge (14') connectée entre l'ensemble de dispositifs de commutation (11-1, 11-2) et la source (12'), cette charge étant traversée par un courant qui provient du circuit à conduction commandée d'au moins un dispositif de commutation (11-1, 11-2), sous la commande du circuit de commande et sous la dépendance des première et seconde

caractéristiques du signal d'entrée.