FR2692415A1 - Interrupteur électrique comportant une alimentation. - Google Patents

Abstract

L'interrupteur électronique comporte un transistor (T1) de type MOS, canal N à enrichissement, dont le drain est connecté à la ligne d'alimentation (VA) de polarité positive. Un circuit de contrôle (1) commande la conduction ou le blocage du transistor (T1) en fonction de la courbe de déclenchement et/ou des commandes extérieures (COM). Un dispositif d'alimentation (4) assure au moyen d'un pompage de charge l'alimentation du circuit de contrôle. La tension continue (Vx) issue de moyens de régulation (5) charge un condensateur (C3) lorsqu'un premier transistor (T2) est conducteur puis est transférée dans un condensateur (C4) lorsque le premier transistor (T2) est bloqué et un second transistor (T3) est conducteur.

Description

f INT1RRUHÙR ELECTRONIQUE COMPORTANT UNE ALIMENTATION
L'invention concerne un interrupteur électronique comportant un semi-conducteur commandé connecté en série avec une charge aux bornes d'une alimentation électrique continue, une première extrémité de la charge étant raccordée à la masse de l'alimentation, un circuit de contrôle dont la sortie est connectée à une électrode de commande du semiconducteur et un circuit d'alimentation, connecté aux bornes de l'alimentation électrique et fournissant une tension d'alimentation entre deux bornes d'alimentation du circuit de contrôle.

Les interrupteurs électroniques pour réseau continu utilisent généralement des composants de coupure à semi-conducteur. Ces composants sont souvent des transistors MOS canal N qui présentent l'avantage d'avoir une très faible résistance interne. Lorsque le mode de raccordement impose qu'une extrémité de la charge soit connectée à la masse de l'installation ou à la ligne de polarité négative de l'alimentation, le transistor est connecté entre la ligne de polarité positive de l'alimentation, et l'autre extrémité de la charge. La commande des transistors MOS canal à enrichissement est réalisée en appliquant une tension positive entre la grille et la source. Une bonne conduction du transistor est assurée lorsque cette tension atteint une valeur d'environ 15V. Dans la configuration décrite ci-dessus, lorsque le transistor est commandé, la tension drain-source est très faible et la source est à un potentiel voisin de la tension positive de l'installation, la tension de commande doit donc être à un potentiel supérieur d'environ 15V à la tension d'alimentation du réseau.

Généralement cette tension est générée par des dispositifs raccordés entre la ligne d'alimentation et la masse. Les dispositifs connus utilisent des alimentations à découpage avec selfs ou transformateurs, ou des systèmes de pompage avec un oscillateur sur une tension régulée.

Pour des raisons de coût et d'encombrement, ces dispositifs fonctionnent à des fréquences élevées, souvent à la limite des possibilités des composants. Ces fréquences élevées génèrent sur les lignes des perturbations en courant et en tension qu'il est souvent difficile de supprimer. Dans le cas d'alimentation par pompage de type connu les condensateurs de transfert doivent supporter au moins la totalité de la tension d'alimentation de la ligne, ce qui impose des condensateurs supportant une forte tension.

L'invention a pour but un dispositif d'alimentation limitant à de faibles valeurs les perturbations des lignes d'alimentation et utilisant des composants de transfert capacitifs basse tension.

Selon l'invention ce but est atteint par le fait que le circuit d'alimentation comporte des moyens de régulation fournissant entre une sortie et la masse une tension de référence, deux diodes connectées en série entre la sortie des moyens de régulation et une première borne d'alimentation du circuit de contrôle, un dispositif de commutation disposé entre la masse et la seconde borne d'alimentation du circuit de contrôle, elle-même connectée à une seconde extrémité de la charge, le dispositif de commutation fournissant en sortie une tension alternative oscillant entre et la tension aux bornes de la charge C, un premier condensateur connecté entre la sortie dudit dispositif de commutation et le point commun des diodes, et un second condensateur connecté entre les bornes d'alimentation du circuit de contrôle.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de commutation comporte deux transistors connectés en série entre la masse et la seconde extrémité de la charge, le point commun aux deux transistors constituant la sortie du dispositif de commutation, les électrodes de commande des transistors étant connectées à des sorties d'un circuit oscillateur de manière à commander alternativement la conduction des transistors.

Dans un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le circuit oscillateur comporte un dispositif oscillateur astable à transistors contrôlant des transistors de contrôle des sorties du circuit, à travers des ponts de résistances, de manière à commander la conduction de l'un des deux transistors de contrôle pendant que l'autre est bloqué
Selon un mode particulier de réalisation, les moyens de régulation comportent un transistor
MOS à déplétion normalement, conducteur, dont la source est connectée à la sortie régulée, le drain à l'alimentation électrique et la source recevant le contrôle de la régulation.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels:
La figure 1 représente le schéma du mode de branchement d'un interrupteur électronique auquel l'invention peut s'appliquer.

La figure 2 illustre l'architecture générale d'un disjoncteur électronique avec un transistor
MOS de coupure et son alimentation.

La figure 3 représente le schéma d'un disjoncteur électronique comportant une alimentation de type connu.

La figure 4 illustre le schéma d'un disjoncteur électronique comportant une alimentation suivant un mode de réalisation de l'invention.

La figure 5 représente les variations des tensions dans le schéma de la figure 4.

La figure 6 illustre plus en détail un mode de réalisation du schéma selon la figure 4.

Un interrupteur électronique permet d'établir ou d'interrompre un courant dans une charge en fonction de commandes d'ouverture/fermeture ou, dans le cas d'un disjoncteur, en répondant à des courbes de déclenchement en fonction du courant. Un schéma d'une disposition de ce type d'interrupteur dans une installation en courant continu est représenté à la figure 1. Le branchement de la charge C est imposé. Une extrémité de cette charge doit être au potentiel de la masse de l'installation VM qui est aussi représentative de la polarité négative de l'alimentation électrique. L'interrupteur DC est donc connecté entre la ligne de polarité positive de l'alimentation à la tension VA, et l'autre extrémité de la charge.

Généralement une ligne de commande COM contrôle l'ouverture ou la fermeture de l'interrupteur ou du disjoncteur et éventuellement son réarmement dans le cas d'un disjoncteur.

L'architecture générale d'un disjoncteur électronique est représentée à la figure 2. Un transistor de puissance T1 permet d'établir ou d'interrompre le courant dans la charge C.

De façon préférentielle, ce transistor est du type MOS canal N à enrichissement, ayant une très faible résistance drain-source à l'état conducteur. Le branchement de la charge C à la masse VM impose le positionnement du transistor vers la ligne positive à la tension VA.

Pour la fonction déclencheur une mesure de courant est nécessaire, elle peut être réalisée à l'aide d'un shunt résistif S connecté en série entre le transistor T1 et la charge. Le drain de T1 est donc relié à la ligne positive à la tension VA, la source au shunt S et la grille à un circuit de contrôle 1. Le circuit de contrôle 1 comporte un circuit de traitement 2 et un circuit de commande 3 du transistor T1. L'entrée du circuit de traitement est reliée au shunt
S par une ligne m de mesure de courant. Lorsque le courant dans le shunt dépasse un seuil prédéterminé de détection, le circuit 2 fournit un ordre de déclenchement au circuit de commande 3 après une temporisation dépendant de la valeur du courant et définie par la courbe de déclenchement du disjoncteur. Le circuit de commande 3 reçoit les ordres de déclenchement venant du circuit de traitement 2 et/ou des signaux de commande d'ouverture, de fermeture et de réarmement de la ligne de commande extérieure com. Le circuit de commande 3 met en forme la tension à appliquer entre la grille et la source du transistor T1. Pour assurer une bonne conduction de T1 lorsqu'il est parcouru par un courant élevé, la tension grille/source doit avoir une valeur de l'ordre de 15V. Les tensions aux bornes du shunt S et entre le drain et la source de T1 sont très faibles par rapport à la tension de commande grille/source. ll faut donc, pour garantir une bonne conduction, que la tension de la grille soit supérieure à la tension d'alimentation VA. Un circuit auxiliaire d'alimentation 4 fournit à cet effet une tension positive Vc au circuit de contrôle 1. Cette tension est référencée par rapport à une ligne à la tension Vo, connectée entre le shunt S et la charge C, de façon à rendre la tension de commande appliquée à la grille de T1 indépendante de la charge et de la tension d'alimentation VA.

La structure d'un disjoncteur utilisant une alimentation auxiliaire de type connu, avec circuit de pompage est représentée à la figure 3. Cette alimentation utilise la source d'alimentation de l'installation entre la ligne à la tension VA et la masse VM. Un régulateur 5 de tension fournit une tension de contrôle Vx d'environ 15V à un oscillateur 6 qui effectue le pompage. Un circuit série constitué par des diodes D1 et D2 et un condensateur C2 est connecté entre la tension VA et la masse VM. La sortie de l'oscillateur 6 est connectée par un condensateur C1 au point Vp commun à la cathode de D1 et à l'anode de D2. Le point commun à la cathode de D2 et au condensateur C2 est connecté par une résistance Rp à la tension d'alimentation Vc du circuit de contrôle 1. Lorsque la sortie de l'oscillateur est à 0V, le condensateur C1 est chargé à la tension d'alimentation VA à travers la diode D1, le condensateur C2 étant également chargé au moins à la tension de VA à travers D1 et D2.

Le passage de la sortie de l'oscillateur à une valeur correspondant à la tension régulée Vx, voisine de 15V, porte la tension du point Vp à une tension équivalente à la somme de tension d'alimentation VA et de la tension de régulation Vx. A ce moment, la tension Vp est supérieure à la tension aux bornes C2 et le condensateur C1 se décharge pour charger
C2 à travers D2. Cette perte de charge de C1 est reconstituée lorsque la sortie de l'oscillateur revient à 0V. Ce dispositif de pompage avec oscillateur sur la tension de régulation, permet de charger et de maintenir aux bornes de C2 une tension égale à la somme de VA de la tension régulée Vx. Une diode écrêteuse DZ1 et une résistance R1 branchées en parallèle entre Vc et Vo, ainsi que la résistance série Rp, protègent le circuit de contrôle 1 contre les surtensions.

Une autre configuration où C2 est remplacé par un condensateur C2' (en pointillé sur la figure 3) connecté à VA donnerait le même résultat.

Ce dispositif de pompage charge les condensateurs C1 et C2 à des tensions élevées dépendant de la tension d'alimentation VA. Mais des condensateurs à tension élevée sont très volumineux et coûteux. Une solution consistant à diminuer la valeur des condensateurs et à augmenter la fréquence de travail, conduirait à des perturbations électromagnétiques qu'il est difficile de supprimer par la suite..

L'invention permet de ne pas charger les condensateurs de pompage à une tension statique correspondant à la tension d'alimentation de l'installation. Un mode de réalisation de l'invention est représenté à la figure 4. Le régulateur 5 fournit la même tension de contrôle
Vx d'environ 15V. Des diodes D3 et D4 en série, connectées entre la sortie à la tension
Vx, du régulateur 5 et la ligne à la tension Vc, d'alimentation du circuit de contrôle 1. Un condensateur C4 est connecté entre les lignes d'alimentation, Vc et Vo, du circuit de contrôle 1. Dans ce mode de réalisation de l'invention, un oscillateur 7 est connecté entre la masse VM de l'installation et la tension de référence Vo de l'alimentation du circuit de contrôle 1. Cet oscillateur commande les grilles de deux transistors T2 et T3 connectées en série, le drain de T3 étant relié à Vo, la source de T3 au drain de T2 et la source de T2 à la masse VM. Un condensateur de pompage C3 est connecté entre le point commun Vp' des diodes D3 et D4 et le point commun au drain de T2 et à la source de T3. Lorsque le disjoncteur est ouvert, la tension Vo est proche de celle de la masse VM et le condensateur
C4 est chargé directement à la tension Vx par la tension de sortie du régulateur 5 à travers les diodes D3 et D4.

Lorsque le transistor T1 est conducteur, la tension Vo est proche de la tension d'alimentation de l'installation VA. Au moment où l'oscillateur 7 rend T2 conducteur et T3 bloqué, le condensateur C3 se charge à la tension régulée Vx à travers la diode D3. Au demi-cycle suivant, l'oscillateur bloque T2 et rend conducteur T3. Le condensateur C3 est alors connecté à la tension de référence Vo à travers T3 et il se décharge dans C4 jusqu'à l'équilibre des charges. Dans cette partie du cycle, la tension Vp' appliquée à l'anode de la diode D4 peut être élevée, la tension Vo s'ajoutant à la tension VC3 aux bornes de C3. Le condensateur C4 étant relié à Vo, sa tension VC4 reste du même ordre que celle de la tension régulée Vx et indépendante de l'alimentation VA. Les composants qui supportent les tensions élevées ne sont plus les condensateurs mais les transistors T2 et T3. Ceci permet d'avoir un coût et un volume faible tout en gardant une fréquence de fonctionnement basse et des condensateurs de forte valeur.

La figure 5 montre les courbes représentatives des tensions du mode de réalisation décrit cidessus, lorsque T1 est conducteur. La tension régulée Vx, représentée par la courbe 5a, a une valeur constante de 15V. La courbe 5b représente la tension Vs entre le point commun des transistors T2 et T3 et la masse VM. Cette tension oscille entre 0V et une valeur équivalente à la tension présente sur la charge C, proche de la tension d'alimentation de l'installation. La courbe 5c montre l'évolution de la tension VC3 aux bornes du condensateur C3, représentant la charge et la décharge du condensateur de pompage C3. La tension Vp' (courbe 5d) correspondant à la somme (Vs + VC3), illustre la méthode de pompage selon ce mode de réalisation de l'invention. La tension VC4, aux bornes du condensateur C4, représentative de la tension d'alimentation du circuit de contrôle 1 et applicable à la grille du transistor T1, est représentée sur la courbe 5e.

Entre les instants tO et tl T2 conduit, la tension Vs est à 0V, C3 se charge à une valeur proche de Vx, la tension Vp' suit VC3, et le condensateur C4, initialement chargé à la tension Vx, se décharge dans le circuit de contrôle 1 qui consomme du courant pour son fonctionnement. A l'instant tl, T2 se bloque et T3 conduit, Vs passe à une valeur de tension haute voisine de VA. La tension Vp' est alors égale à Vs + VC3, équivalente à VA + Vx et le transfert de charge de C3 vers C4 commence. C3 se décharge dans C4 pour compenser la perte de charge qui s'est produite lorsque Vs était à 0V. Lorsque le transfert de charge est terminé, la tension VC4 a réatteint la valeur Vx. Puis, à l'instant t2, T3 est bloqué et T2 rendu conducteur et Vs repasse à 0V. Des vues dilatées des variations des charges dans les condensateurs C3 et C4 sont représentées en Sc' et 5e', sur la figure 5.

Elles montrent la croissance de VC3 et la décroissance de VC4 entre les instants t4 et t5 où
T2 conduit et l'équilibrage des charges, diminution de VC3 et augmentation de VC4, entre les instants t5 et t6 où T2 est bloqué. Les variations des tensions réelles aux bornes des condensateurs sont en fait très faibles de façon à garantir une tension stable d'alimentation du circuit de contrôle.

Le schéma détaillé d'un circuit d'alimentation selon un mode de réalisation du schéma de la figure 4 est représenté à la figure 6. L'élément de régulation de la tension de contrôle Vx est un transistor T4 de type MOS à déplétion, dont la caractéristique est d'être naturellement conducteur en l'absence de polarisation. Le drain de T4 est relié à travers une résistance R2 de limitation à la tension d'alimentation VA, et à un circuit de protection contre les surtensions et les parasites, constitué par une diode écrêteuse DZ2 en parallèle sur un condensateur C5, connecté à la masse. Un transistor T5, dont le collecteur est connecté à la grille de T4, l'émetteur à la masse et la base polarisée par une résistance R3 reliée à la masse, contrôle la conduction de T4. La rtégulation est assurée par une diode zener DZ3, connectée entre la source de T4 et la base de T5, de façon à rendre T5 plus conducteur et
T4 moins conducteur lorsque le courant dans DZ3 augmente. Une résistance R4 connectée entre le grille et la source de T4, polarise le collecteur de T5 est fixe le potentiel de grille de T4. Un condensateur C6 connecté entre la source de T4 et la masse filtre la tension régulée. Les diodes D3 et D4 en série entre la source de T4 et la sortie Vc de la tension du circuit de commande, participent au pompage des charges vers le condensateur C4 connecté entre la sortie Vc et le point de référence Vo. L'oscillateur est un oscillateur astable de type connu comportant des transistors T6 et T7 de type PNP. Les émetteurs de T6 et T7 reçoivent une tension continue positive. Sur la figure 5, cette tension est la tension Vx de la source de T4. On pourrait également utiliser la tension Vo, comme représenté sur la figure 4, ou même la tension VA. La base de T6 est reliée au collecteur de T7 à travers un condensateur C8 et la base de T7 est reliée au collecteur de T8 à travers un condensateur
C7. Des résistances R13, R14, R15 R16 polarisent respectivement les collecteurs et les bases de T6 et T7 vers la masse. Les transistors T2 et T3 commandent le pompage. La source de TI est connectée à la masse, le drain de T2 à la source de T3 et le drain de T3 à une résistance RS de limitation reliée à la tension Vo. Une diode écrêteuse DZ4 connectée entre le drain de T3 et la masse protège les transistors T2 et T3 contre les surtensions éventuelles.

La grille de T2 est commandée à travers une résistance R8 par le drain d'un transistor T8 polarisé de la tension régulée Vx. T8 est commandé sur sa grille par un pont résistif R9,
R10 connecté au collecteur de T6. La grille de T3 est polarisée par des résistances R6 et R7 en série, R7 étant connectée à la tension VC. Une diode zener DZ6 et une diode zener DZ5 connectées entre la grille et la source de T3 limitent la tension de commande à des valeurs admissibles par le transistor T3. La commande de T3 est réalisée par la tension de drain d'un transistor T9 dont la source est reliée à la masse et dont la grille est connectée au collecteur de T7 à travers un pont diviseur constitué par des résistances R11 et R12, R12 étant reliée à la masse. Une diode écrêteuse DZ7 connectée entre la source et le drain de T9 protège ce transistor contre les surtensions éventuelles.

Dans l'oscillateur astable les transistors T6 et T7 sont alternativement conducteurs et bloqués. Le transistor T8 commandé par T6 fait office d'inverseur et assure le blocage ou la conduction de T2. Lorsque T7 et T9 sont bloqués, les résistances R6 et R7 polarisent T3 pour le rendre conducteur, alors que dans la partie du cycle où ils sont conducteurs, un courant circule dans T9 et T3 est bloqué.

Les modes de réalisation décrits ci-dessus mettent en oeuvre des dispositifs utilisant des
transistors MOS canal N à enrichissement. L'invention s'applique également à des disjoncteurs comportant d'autres types de composants qui nécessitent une tension de
commande supérieure à leur potentiel de drain ou de collecteur, notamment des composants
mettant en oeuvre des combinaisons de plusieurs transistors MOS ou des associations de
transistors MOS et de transistors bipolaires ou IGBT. Le circuit 5 fournissant la tension Vx
ainsi que l'oscillateur et les transistors T2 et T3 peuvent être réalisés en technologie
M.O.S, bipolaire, ou mixte. Un contrôle précis de la commande de T2 et T3 permet de ntautoriser la mise en conduction de l'un des deux conducteurs que lorsque l'autre est complètement bloqué.

Bien que la description se réfere à un disjoncteur, l'invention est plus généralement applicable aux interrupteurs électroniques, dès que la charge doit être connectée à la masse.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Interrupteur électronique comportant un semi-conducteur commandé (T1) connecté en série avec une charge (C) aux bornes d'une alimentation électrique continue (VA,VM), une première extrémité de la charge étant raccordée à la masse (VM) de l'alimentation, un circuit de contrôle (1) dont la sortie est connectée à une électrode de commande du semiconducteur et un circuit d'alimentation (4), connecté aux bornes de l'alimentation électrique (VA,VM) et fournissant une tension d'alimentation (Vo, Vc) entre deux bornes d'alimentation du circuit de contrôle, interrupteur caractérisé en ce que le circuit d'alimentation (4) comporte des moyens (5) de régulation fournissant entre une sortie et la masse une tension de référence (Vx), deux diodes (D3 et D4) connectées en série entre la sortie des moyens de régulation et une première borne (Vc) d'alimentation du circuit de contrôle, un dispositif de commutation (7, T2, T3) disposé entre la masse (VM) et la seconde borne (Vo) d'alimentation du circuit de contrôle, elle-même connectée à une seconde extrémité de la charge (C), le dispositif de commutation fournissant en sortie une tension alternative oscillant entre OV et la tension aux bornes de la charge C, un premier condensateur (C3) connecté entre la sortie dudit dispositif de commutation et le point commun des diodes, et un second condensateur (C4) connecté entre les bornes d'alimentation (Vo, Vc) du circuit de contrôle (1).

2. Interrupteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de commutation comporte deux transistors (T2, T3) connectés en série entre la masse (VM) et la seconde extrémité (Vo) de la charge (C), le point commun aux deux transistors constituant la sortie du dispositif de commutation, les électrodes de commande des transistors ('2, T3) étant connectées à des sorties d'un circuit oscillateur (7) de manière à commander alternativement la conduction des transistors.

3. Interrupteur selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le circuit oscillateur (7) comporte un dispositif oscillateur astable à transistors C16, T7) contrôlant des transistors (18, T9) de contrôle des sorties du circuit, à travers des ponts de résistances (R9,

R10, Roll, R12), de manière à commander la conduction de l'un des deux transistors de contrôle pendant que l'autre est bloqué.

4. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens de régulation (5) comportent un transistor MOS à déplétion (T4) normalement conducteur, dont la source est connectée à la sortie régulée, le drain à l'alimentation électrique (VA) et la grille recevant le contrôle de la régulation.

5. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (S) de mesure du courant parcourant le semi-conducteur (fi), lesdits moyens de mesure étant connectée à une entrée (m) du circuit de contrôle (1) de manière à commander le déclenchement de l'interrupteur lorsque le courant dépasse une valeur prédéterminée.