FR2572870A1

FR2572870A1 - Circuit de commande, integre monolithiquement, pour la commutation de transistors

Info

Publication number: FR2572870A1
Application number: FR8516488A
Authority: FR
Inventors: Davide Chieli
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1984-11-07
Filing date: 1985-11-07
Publication date: 1986-05-09
Anticipated expiration: 2005-11-07
Also published as: US4701631A; JPS61114615A; GB8527445D0; GB2168867A; GB2168867B; IT1218854B; IT8423464A0; FR2572870B1; DE3539379C2; DE3539379A1

Abstract

CE CIRCUIT DE COMMANDE, INTEGRE MONOLITHIQUEMENT, POUR LA COMMUTATION DE TRANSISTORS, COMPREND UN ELEMENT DE CIRCUIT DE COMMANDE G, COUPLE AVEC UNE SOURCE SW DE SIGNAUX DE COMMUTATION EN CORRESPONDANCE DESQUELS CET ELEMENT DE CIRCUIT DE COMMANDE DETERMINE LA COMMUTATION D'AU MOINS UN TRANSISTOR T QUI Y EST RACCORDE. L'ELEMENT DE CIRCUIT DE COMMANDE C COMPREND UN ELEMENT DE CIRCUIT GENERATEUR DE COURANT A, PROPRE A ALIMENTER LEDIT TRANSISTOR T AVEC UN FLUX ELEVE DE COURANT. UN ELEMENT DE CIRCUIT LIMITEUR DE COURANT LIM, ACTIVE AVEC UN RETARD PREDETERMINE PAR RAPPORT A LA COMMANDE D'ALLUMAGE DU TRANSISTOR PILOTE A LA COMMUTATION, LIMITE LE COURANT DELIVRE PAR L'ELEMENT DE CIRCUIT GENERATEUR DE COURANT A AU NIVEAU MINIMAL NECESSAIRE POUR MAINTENIR CE TRANSISTOR AU NIVEAU DE CONDUCTION ATTEINT.

Description

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la présente invention concerne des circuits de commande, intégrés monolithiquement, pour la commutation de transistors, en particulier un circuit de commande pour la commutation rapide d'un transistor de puissance, utilisable pour le pilotage de charges inductives dans des imprimantes ultra-rapides et

surtout dans des alimentations à commutation, également appe-

lées "alimentations à chopper" ou "alimentations switching".

Les circuits de commande de ces dispositifs doivent précisément piloter un transistor final de puissance, raccordé en série à une charge inductive entre les deux pôles d'un générateur de tension d'alimentation, alternativement d'un état de haute tension et de faible courant à un état de basse tension

et de fort courant, au moyen de signaux de commande à la base.

Dans le premier état, le transistor est virtuellement, entre les bornes d'émetteur et de collecteur, un circuit ouvert

(état d'extinction ou état "off"), dans le second un court-

circuit (état de conduction ou état "on"), empêchant ou permettant respectivement que le courant passe à travers la charge inductive. Le mode de fonctionnement du transistor qui se rapproche le plus du fonctionnement d'un interrupteur idéal est celui dans lequel le transistor à l'état de fermeture travaille à la saturation et, à l'état d'ouverture, est en interdiction.

La fréquence maximale possible de commutation du transis-

tor final de puissance est, dans ce cas, limitée essentielle-

ment par les effets, durant la phase de passage de la satura-

tion à l'interdiction ("turn-off"), de l'accumulation de

charges à la base, survenue pendant la phase de conduction.

Une solution de montage pour réduire le temps d'extinction, dans le but d'augmenter la fréquence possible de commutation et d'améliorer le rendement du circuit de commande du point de vue

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énergétique, est décrite par exemple dans la demande de brevet

italienne nO 25054 A/81 de la même Demanderesse.

Toutefois, lorsqu'on veut atteindre la fréquence maximale possible de commutation en maintenant le maximum de rendement, il est nécessaire d'intervenir également sur les temps d'allu-

mage du transistor commandé, surtout quand celui-ci doit tra-

vailler au maximum de la saturation dans l'état de conduction.

Il est indispensable que le transistor commandé travaille dans de telles conditions de fonctionnement lorsque, dans les alimentations à commutation par exemple, on veut réduire le dimensionnement des inductances de charge en augmentant la fréquence de commutation. Dans ce cas, réduire au minimum la tension collecteur-émetteur du transistor final en série avec la

charge inductive signifie pouvoir appliquer à la charge elle-

même une majeure partie de la tension d'alimentation disponible, en diminuant en même temps la dissipation de puissance dans le

transistor lui-même.

Pour obtenir la réduction maximale des temps d'allumage d'un transistor, il est nécessaire de lui fournir le courant maximal possible à la base pendant toute la période transitoire de la commutation de l'état d'extinction à l'état de conduction. En

effet, pendant cette période transitoire, le transistor fonc-

tionne comme si son gain en courant était très inférieur à

celui que l'on observe dans des conditions normales de conduction.

Il se pose toutefois le problème de limiter le niveau de courant fourni, dès que le transistor entre en conduction, afin d'éviter les réductions de rendement qu'entraînerait un courant de pilotage plus élevé que le strict nécessaire, pendant tout le

temps de conduction.

la solution la plus simple, mais néanmoins efficace, de ce problème consiste à fournir au transistor le courant de base,

à travers une résistance et un condensateur de valeurs prédéter-

minées, en parallèle entre eux. Une telle solution, utilisée

ordinairement par les spécialistes, ne peut toutefois être réa-

lisée qu'au moyen de composants séparés, à cause de la valeur

élevée de capacité qui est nécessaire.

Le but de la présente invention est de réaliser un circuit de commande pour la commutation rapide de transistors qui ait

un rendement très-élevé dans la commutation de l'état d'extinc-

tion à l'état de conduction et qui soit intégrable monolithiquement.

Ce but est atteint avec le circuit de commande pour la commutation de transistors suivant la présente invention, comprenant un élément de circuit de commande couplé avec une source de signaux de commutation en correspondance desquels cet élément de circuit de

commande détermine la commutation d'au moins un transistor raccor-

dé au moyen de sa propre borne de commande audit circuit de com-

mande, l'élément de circuit de commande comprenant un élément de circuit générateur de courant destiné à alimenter le transistor

par la borne de commande de celui-ci, caractérisé en ce qu'il com-

prend un élément de circuit limiteur de courant, raccordé à l'élé-

ment de circuit générateur de courant compris dans l'élément de

circuit de commande et raccordé à la source de signaux de commuta-

tion par l'intermédiaire d'un élément de circuit à retard, cet élément de circuit limiteur de courant étant activé par les mêmes signaux de commutation qui déterminent la conduction du transistor

raccordé au circuit de commande lui-même.

L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de la des-

cription détaillée qui suit, donnée à simple titre d'exemple et, par conséquent, sans intention limitative, en référence aux dessins ciannexés.

La figure 1 est le schéma par blocs d'un circuit de comman-

de suivant l'invention.

La figure 2 est le schéma de montage d'une forme de réali-

sation du circuit de commande de la figure 1.

Les mêmes lettres de référence ont été utilisées sur les

deux figures pour désigner les parties correspondantes.

Le schéma d'un circuit de commande en commutation suivant l'invention qui est représenté sur la figure 1-comprend-une source de signaux de commutation, indiquée par un bloc désigné par le symbole SW, raccordée à laborne de base d'un transistor TF qui est piloté en commutation, par l'intermédiaire d'un circuit de commande, représenté par un bloc C. La source de signaux SW peut également consister seulement en le circuit de couplage avec un

générateur de signaux de commutation extérieur au circuit intégré.

Par ses bornes d'émetteur et de collecteur, le transistor final TF est inséré, en série avec une charge inductive, entre le pôle positif +Vcc et le pôle négatif -Vcc d'un générateur de tension d'alimentation. La charge inductive est représentée sur

la figure au moyen d'une résistance RL et d'une inductance L mon-

tées en série entre elles. En parallèle sur la charge est montée

une diode de recirculation DE-

La charge peut être également montée en série, non pas avec l'émetteur du transistor TF, comme--sur la figure, mais avec son

collecteur. Il convient de noter ici que la diode DE n'est pas né-

cessaire dans le cas o la charge n'est pas inductive.

En outre, sur la figure 1, le transistor TF est indiqué comme étant un transistor bipolaire de type NPN, mais il peut 1 s'agir d'un transistor bipolaire de type PNPoud'un transistor à

effet de champ, par exemple de type MOS.

Le circuit de commande C comprend un élément de circuit générateur de courant, représenté par un bloc A à l'intérieur du

bloc C, capable d'alimenter la base du transistor TF avec le cou-

rant maximal propre à rendre le plus rapide possible la période

transitoire d'allumage de ce transistor.

Mais cet élément de circuit générateur de courant est cou-

plé à un élément de circuit limiteur de courant LIM qui est capa-

ble, lorsqu'il est activé, de limiter le passage de courant délivré

à la base du transistor T à un niveau égal à celui qui est né-

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cessaire au minimum pour maintenir celui-ci en conduction, en par-

ticulier-à la saturation.

Il convient de faire observer que, dans la majorité des cas, le transistor TF peut être intégré monolithiquement avec le circuit de commande suivant l'invention et être compris, avec

ce dernier, dans un circuit intégré plus complexe.

L'élément de circuit limiteur de courant LIM est raccordé, par l'intermédiaire d'un élément de circuit à retard R, à la source SW de signaux de commutation et il est activé par les signaux de

commutation qui déterminent aussi l'allumage du transistor TF.

A cause de l'élément de circuit à retard R, l'activation se produit donc avec un retard prédéterminé par rapport à la

commande d'allumage du transistor TF.

En réglant opportunément, tant le niveau du courant généré par l'élément de circuit A que le retard avec lequel se produit l'activation de l'élément de circuit limiteur de courant LIM et que la grandeur de la limitation de courant produite par cet élément de circuit, on peut optimiser la fourniture de courant à la base du transistor TF, en rendant ainsi le plus rapide possible la

commutation à la conduction (en particulier à la saturation maxi-

maie), mais en limitant ensuite l'absorption de courant à ce qui est strictement nécessaire pour maintenir le transistor au niveau

de conduction atteint.

On fera mieux comprendre le fonctionnement d'un circuit de commande suivant l'invention en expliquant en particulier le fonctionnement de la forme de réalisation préférée du circuit

de l'invention, représentée sur la fig. 2.

Le schéma de circuit représenté sur la fig. 2 comprend un premier transistor bipolaire T1 de type 'P,i, dont la borne de

base est raccordée, par l'intermédiaire d'une premiere résis-

tance J1, à la borne de sortie V1 d'un générateur de signaux de

commutation, représenté sur la figure par un bloc SW.

La borne de collecteur du transistor T1 est reliée au pcle positif + To d'un générateur de tension d'alimentation par l'intermédiaire d'un oremier générateur de courant constant 1 et à la borne de base d'un second transistor bipolaire T2 de type P. la borne d'émetteur du transistor T1 est reliée au pôle négatif -Vcc du générateur de tenwi1n d'alimentation, auquel est également raccordé, à travers une seconde résistance R9, la

borne d'émetteur du transistor T2.

la borne de collecteur du transistor To est raccordée, par

l'intermédiaire d'un premier circuit à miroir de courant com-

prenant un troisième transistor bipolaire Tj de type P 2 et

une première diode D3, à la borne de base d'un quatrième traln-

sistor bipolaire T, que l'on veut piloter à la commutation.

l'anode de la diode D) et la borne d'émetteur du transis-

tor T. sont raccordées au pôle positif +7,,; la cathode de la

diode iD. est par contre raccordée à la borne de base du transis-

tor T3 et à la borne de collecteur du transistor T2. la borne de collecteur du transistor T3 est raccordée à la borne de base du transistor piloté en commutation T., de type vE sur la figure.

ne transistor T- est intercalé, par ses bornes de collec-

teur et d'émetteur, entre les aeux pôles du générateur de tension d'alimentation, en série avec une charge inductive reprêsentée par une inductance.et une résistance RL en série entre elies. En marallile sur la charge est montée une diode

de recirculation D_.

e générateur de courant constant 41, le transistor 2 et _e miroir de courant _j, z constituent l'élément de circuit générateur de courant compris dans le circuit de commande., Le schéma de la fig. 2 comprend ensuite un cinquième transistor bipolaire T5 de type NPN, dont la borne de base est raccordée elle aussi à la borne de sortie V1 du générateur de signaux de commutation SW, par l'intermédiaire d'une quatrième résistance R4 et d'une seconde diode D4, en série entre elles. la borne de base du transistor T5 est en outre raccordée

au p0le négatif -Vcc par lintermédiaire d'une cinquième résis-

tance R5 et d'une troisième diode D5, en série entre elles.

la borne de collecteur du transistor T5 est raccordée, par l'intermédiaire d'un second générateur de courant constant A5, au pôle positif +Vcc et elle est également reliée à la borne de

base d'un sixième transistor T6 de type NPN.

Ia borne de collecteur de ce transistor T6 est raccordée,

par l'intermédiaire d'une sixième résistance R6 et d'une qua-

trième diode D6, en série entre elles, à la borne de base du

second transistor T2.

Les bornes d'émetteur des transistors T5 et T6 sont

raccordées l'une et l'autre au pôle négatif -Vcc.

On examinera maintenant le fonctionnement du circuit représenté sur la fig. 2

Les signaux de commutation du générateur SW sont consti-

tués par des transitions de la tension disponible à la borne de sortie V1 dlun niveau "haut" à un niveau "bas" et vice versa, en référence par exemple au potentiel du ptle négatif -VCc. Quant le niveau de la tension à la borne V1 est haut, le transistor T1 travaille en saturation et absorbe tout le courant fourni par le générateur A1, maintenant ainsi à l'état

d'interdiction le transistor T2 et, en conséquence, les tran-

sistors T3 et T.. Le transistor T5 travaille lui aussi en saturation et absorbe tout le courant fourni par le générateur

A5s, maintenant le transistor T6 à l'état d'interdiction.

Quand le niveau de la tension à la borne V1 tombe, le transistor T1 s'éteint immédiatement, ce qui permet que tout

le courant fourni par le générateur A1 soit délivré au tran-

sistor T2, qui entre en conduction.

Le niveau de courant que celui-ci fournit, à travers le circuit à miroir de courant D3, T3, au transistor TF est le

niveau maximal consenti par le dimensionnement des composants.

Ia période transitoire de commutation du transistor T entre l'état d'interdiction et l'état de conduction se produit ainsi

le plus rapidement possible.

Quand le niveau de tension à la borne V1 tombe, le tran-

sistor T5 s'éteint lui aussi, mais pas immédiatement comme le transistor T1, parce que la diode D4 empêche l'écoulement, à travers la résistance R4, des charges accumulées dans la

base du transistor T5 pendant sa saturation précédente. L'éli-

mination de ces charges doit donc se produire par recombinaison

à la base et par évacuation à travers la diode D5 et la résis-

tance R5, convenablement dimensionnées afin que cette évacua-

tion se produise en un temps prédéterminé qui constitue un

retard constant dans l'extinction du transistor T5.

Avec les diodes D4, D5 et les résistances R4, R5, le

transistor T5 est donc un élément de circuit à retard, repré-

senté sur la fig. 1 par le bloc R. D'après l'invention, ce retard doit être théoriquement égal à la période transitoire de commutation du transistor TF de l'état d'extinction à l'état

de conduction voulu. -

Dès que le transistor T5 s'éteint, tout le courant fourni par le générateur A5 peut s'écouler dans la base du transistor T6, qui conduit immédiatement en saturation, absorbant à travers la diode D6 et la résistance R6 une partie du courant fourni

par le générateur A1.

la conduction du transistor T6 active donc un second circuit à miroir de courant, constitué par le transistor T2,

déjà en conduction, et par la diode D6.

Les résistances R6 et R2 permettent de contrôler avec pré-

cision le niveau de courant qui passe dans ce second circuit à miroir de courant, la tension collecteur-émetteur du transistor

T6, qui travaille en saturation, étant négligeable.

Au moyen de ce second circuit à miroir de courant, on peut donc régler aussi avec précision le courant qui passe dans le premier circuit à miroir de courant D3, T3, en le limitant à un niveau prédéterminé inférieur au niveau maximal et égal à ce qui est strictement nécessaire pour maintenir le transistor TF au niveau de conduction voulu pendant toute la

période d'allumage.

On obtient ainsi le maximum de vitesse de commutation

avec le minimum d'absorption de courant à partir de l'alimen-

tation. Quand le niveau de la tension à la borne V1 redevient haut, le transistor T1 recommence à conduire en saturation, absorbant tout le courant du générateur A1 et, par conséquent, désactivant immédiatement, tant le second que le premier

circuit à miroir de courant.

Les transistors T2 et T. passent ainsi à l'état d'inter-

diction.

Il convient de faire observer ici qu'au schéma par blocs de la fig. 1 et au schéma de circuit de la fig. 2, on peut ajouter, avec une parfaite compatibilité, tous les éléments de circuit indiqués dans la demande de brevet précitée de la

Demanderesse, afin de rendre le plus rapide possible l'extinc-

tion du transistor TF.

Eu égard au fait qu'il a été représenté et décrit un seul exemple d'exécution de l'invention, il est évident que de nombreuses variantes sont possibles, sans que l'on s'écarte

pour autant du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Circuit de commande, intégré monolithiquement, pour le commutation de transistors, comprenant un élément de circuit de

commande (C) couplé avec une source (SW) de signaux de commuta-

tion en correspondance desquels cet élément de circuit de com- mande (C) détermine la commutation d'au moins un transistor (TF) raccordé au moyen de sa propre borne de commande audit

circuit de commande, l'élément de circuit de commande (C) com-

prenant un élémentyde circuit générateur de courant (A) destiné à alimenter le transistor (TF) par la borne de commande de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de circuit limiteur de courant (LIM), raccordé à l'élément de circuit générateur de courant (A) compris dans l'élément de circuit de commande et raccordé à la source de signaux de commutation (SW) par l'intermédiaire d'un élément de circuit à retard (R), cet élément de circuit limiteur de courant (LIM) étant activé par les mêmes signaux de commutation qui déterminent la conduction

du transistor (TF) raccordé au circuit de commande (C).lui-même.

2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé

en ce que l'élément de circuit de commande (c) comprend un pre-

mier (T1) et un second (T2) transistors ayant une conductivité d'un premier type et comportant chacun une première borne, une seconde borne et une borne de commande, la borne de commande du premier transistor (T1) étant raccordée au générateur de signaux de commutation (SW), la seconde borne du premier transistor (T1) et la borne de commande du second transistor étant raccordées l'une et l'autre à une premiere borne (+VCC) d'un générateur de tension d'alimentation par l'intermédiaire d'un même générateur

de courant constant (A1), la première borne du premier transis-

tor étant raccordée à une seconde borne (-Vc,) du générateur de tension d'alimentation, à laquelle est également raccordée, par

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1 0 l'intermédiaire d'une première résistance (R2), la première borne du second transistor (T2), la seconde borne de ce second transistor étant raccordée, par l'intermédiaire d'un élément de

circuit à miroir de courant, à la borne de commande du transis-

tor dont le circuit de commande détermine la commutation. 3. Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de circuit à retard (R) comprend un troisième

transistor (T5) ayant une conductivité du premier type et com-

portant une première borne, une seconde borne et une borne de 1C commande, la borne de commande étant raccordée au générateur de signaux de commutation (SW) par l'intermédiaire d'un élément de circuit à conduction unidirectionnelle (R4, D4), la première et la seconde bornes étant raccordées respectivement à la seconde borne (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation et, par l'intermédiaire d'un second générateur de courant constant (A5),

à la première borne (+Vcc) du générateur de tension d'alimenta-

tion, et en ce que l'élément de circuit limiteur de courant comprend un quatrième transistor (T6) ayant une conductivité du premier type et comportant une première borne, une seconde borne et une borne de commande, la borne de commande de ce quatrième transistor (T6) étant raccordée à la seconde borne du troisième transistor (T5), la première et la seconde bornes du quatrième transistor (T6) étant raccordées respectivement à la seconde borne (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation et, par l'intermédiaire d'une première diode (D6) et d'une seconde résistance (R6) , en série entre elles, à la borne de commande du

second transistor (T2).

4. Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que la borne de commande du troisième transistor (T5) est 3C également raccordée à la seconde borne (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation par l'intermédiaire d'un élément de

circuit pour l'évacuation des charges (R5, D5).

5. Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de circuit à conduction unidirectionnelle

comprend une seconde diode (D4).

o. Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de circuit à conduction unidirectionnelle comprend une seconde diode (D4) et une troisième résistance (R4) il

en série entre elles.

7. Circuit de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de circuit pour l'évacuation des charges comprend une troisième diode (D5) et une quatrième résistance (R5) en série entre elles.

8. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendica-

tions 2 à 7, caractérisé en ce que les transistors qui y sont compris sont des transistors bipolaires, la première borne, la borne de commande et la seconde borne de chacun d'entre eux

étant respectivement l'émetteur, la base et le collecteur.

9. Circuit intégré monolithiquement, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande selon l'une quelconque des

revendications 1 à 8.