FR2735299A1 - STATIC SWITCH WITH INTEGRATED PROTECTION - Google Patents
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Abstract
L'interrupteur statique à protection intégrée comporte un transistor IGBT (4) en série avec une charge (3) entre les pôles (1) et (2) d'une source continue. Sa grille (4c) est attaquée par une sortie (5a) d'un microprocesseur (5), capable de délivrer un niveau haut où l'IGBT est passant, et un niveau bas où l'IGBT est bloquant, selon que l'état d'une entrée (5b) est "1" ou "0". Toutes les 10 ms, le microprocesseur (5) émet une impulsion brève (1 ms) qui vient en retranchement du niveau haut, ce qui réduit le courant de coude, et a pour effet de faire apparaître une impulsion sur la chute de tension dans l'IGBT, correspondant à une excursion du point de fonctionnement de cet IGBT, au-delà du coude. On détecte ainsi des surintensités de façon plus nette. Un moyen voltmétrique attaqué par le conducteur (9), et constitué d'un amplificateur (7) et d'un comparateur (6) détecte les surintensités et met le microprocesseur (5) à l'état bas.The static switch with integrated protection comprises an IGBT transistor (4) in series with a load (3) between the poles (1) and (2) of a direct source. Its grid (4c) is attacked by an output (5a) of a microprocessor (5), capable of delivering a high level where the IGBT is on, and a low level where the IGBT is blocking, depending on whether the state of an entry (5b) is "1" or "0". Every 10 ms, the microprocessor (5) emits a short pulse (1 ms) which is cut off from the high level, which reduces the elbow current, and has the effect of producing a pulse on the voltage drop in the 'IGBT, corresponding to an excursion of the operating point of this IGBT, beyond the elbow. Overcurrents are more clearly detected. A voltmetric means attacked by the conductor (9), and consisting of an amplifier (7) and a comparator (6) detects the overcurrents and puts the microprocessor (5) in the low state.
Description
"Interrupteur statique à protection intégrée" L'invention se rapporte à un"Static switch with integrated protection" The invention relates to a
interrupteur statique à protection intégrée contre les surintensités, à disposer en série avec une charge entre les pôles d'une source de tension, comportant au moins un élément semi-conducteur comprenant un espace de conduction entre une électrode d'entrée et une électrode de sortie, avec des caractéristiques courant/tension entre entrée et sortie présentant un coude en deçà duquel l'élément est saturé, et au-delà duquel l'élément se désature, et une électrode de commande de l'état de l'espace de conduction, cette électrode de commande étant reliée à la sortie d'un générateur de paramètre de commande délivrant deux niveaux, bas et haut de paramètre de commande o le semi-conducteur static switch with integrated overcurrent protection, to be arranged in series with a load between the poles of a voltage source, comprising at least one semiconductor element comprising a conduction space between an input electrode and an output electrode , with current / voltage characteristics between input and output having an elbow below which the element is saturated, and beyond which the element is desaturated, and an electrode for controlling the state of the conduction space, this control electrode being connected to the output of a control parameter generator delivering two levels, low and high of control parameter o the semiconductor
est respectivement bloquant et passant. is respectively blocking and passing.
Les éléments semi-conducteurs qui répondent à la définition donnée cidessus sont essentiellement les transistors bipolaires, les transistors MOS (semi-conducteurs métal-oxyde), et les transistors bipolaires à grille isolée IGBT, qui empruntent aux transistors bipolaires classiques leur structure à espace émetteur- collecteur, et aux MOS leur grille isolée pour commander le passage du courant avec une puissance de commande très réduite. Ce groupe présente en commun que le courant entre électrodes d'entrée et de sortie (émetteur et collecteur pour les transistors bipolaires et IGBT, source et drain pour les MOS) est commandé de façon réversible par le paramètre appliqué à l'électrode de commande (courant de base pour le transistor bipolaire, tension grille pour les MOS et IGBT), ce qui permet d'interrompre positivement la circulation du courant dans l'espace de conduction, à la différence des thyristors et triacs qui doivent être amorcés au début de chaque période de conduction, et ne deviennent bloquants qu'après une interruption extérieure et en l'absence de réamorçage. On observera que les thyristors à coupure par la gâchette peuvent être désamorcés par application d'une impulsion appropriée pour un courant traversant normal. Mais la puissance de cette impulsion croît avec le courant à couper, de sorte que les The semiconductor elements which meet the definition given above are essentially the bipolar transistors, the MOS transistors (metal-oxide semiconductors), and the bipolar IGBT insulated gate transistors, which borrow from conventional bipolar transistors their structure with emitting space. - collector, and to the MOS their insulated grid to control the passage of current with a very reduced control power. This group has in common that the current between input and output electrodes (emitter and collector for bipolar and IGBT transistors, source and drain for MOS) is reversibly controlled by the parameter applied to the control electrode ( base current for the bipolar transistor, gate voltage for MOS and IGBT), which allows to positively interrupt the flow of current in the conduction space, unlike the thyristors and triacs which must be primed at the start of each conduction period, and only become blocking after an external interruption and in the absence of reboot. It will be observed that the trigger cut-off thyristors can be deactivated by application of an appropriate pulse for a normal through current. But the power of this pulse increases with the current to be cut, so that the
surintensités ne peuvent être coupées avec fiabilité. overcurrents cannot be cut reliably.
La protection suppose que les surintensités soient décelées par un capteur, et que celui-ci provoque le blocage du semi-conducteur, et la coupure de l'interrupteur. Par protection intégrée on entendra une disposition o l'élément semi-conducteur fait office de capteur. Un avantage de cette disposition réside dans le fait que les pertes dans le capteur ne viennent pas s'ajouter aux pertes dans l'élément semi-conducteur qui fait interrupteur. Pratiquement les surintensités sont décelées par les surtensions qu'elles provoquent aux bornes du capteur, soit, avec une protection intégrée, entre les The protection supposes that the overcurrents are detected by a sensor, and that this causes the blocking of the semiconductor, and the breaking of the switch. By integrated protection is meant a provision where the semiconductor element acts as a sensor. An advantage of this arrangement lies in the fact that the losses in the sensor are not added to the losses in the semiconductor element which acts as a switch. In practice, overcurrents are detected by the overvoltages they cause at the sensor terminals, i.e., with integrated protection, between the
électrodes d'entrée et de sortie du semi-conducteur. semiconductor input and output electrodes.
Le document de brevet FR-A-2 700 647 décrit un interrupteur statique à protection intégrée constitué d'un transistor IGBT dans lequel un circuit de rétroaction pilote la tension de commande émetteur-grille pour stabiliser la chute de tension émetteur- collecteur, les surintensités étant alors décelées par le dépassement d'un Patent document FR-A-2 700 647 describes a static switch with integrated protection consisting of an IGBT transistor in which a feedback circuit controls the emitter-gate control voltage to stabilize the emitter-collector voltage drop, overcurrents then being detected by exceeding a
seuil par la tension de commande.threshold by the control voltage.
On comprend que, en régime normal de conduction, on doit rechercher la minimisation des pertes, donc une tension de déchet aussi faible que possible, compte tenu des capacités de l'élément semi-conducteur, ce qui implique que cet élément semi-conducteur soit saturé, le niveau haut du paramètre appliqué à l'électrode de commande étant It is understood that, under normal conduction conditions, the minimization of losses must be sought, therefore a waste voltage as low as possible, taking into account the capacities of the semiconductor element, which implies that this semiconductor element is saturated, the high level of the parameter applied to the control electrode being
suffisamment élevé.high enough.
Mais en régime de saturation, la chute de tension interne dans l'élément semi-conducteur augmente peu lorsque croit le courant traversant, tant que l'on reste en deçà du coude qui traduit la désaturation. On ne décèle donc d'augmentation significative de la tension de déchet que lors de surintensités très supérieures au courant normal, qui entraînent une excursion du point de fonctionnement qui atteint ou dépasse le coude de caractéristique. Et si l'on décale le point de fonctionnement en régime normal (en réduisant le paramètre de commande) pour déceler des surintensités proportionnellement plus faibles, on augmente les pertes dans le semi-conducteur. L'invention a pour but la réalisation d'un interrupteur statique à protection intégrée de conception simple, o les pertes sont faibles, et qui présente un seuil de coupure pour des surintensités proches du courant But in saturation mode, the internal voltage drop in the semiconductor element increases little when the crossing current increases, as long as we remain below the bend which translates the desaturation. A significant increase in the waste voltage is therefore detected only during overcurrents much greater than the normal current, which cause an excursion of the operating point which reaches or exceeds the characteristic bend. And if the operating point is shifted under normal conditions (by reducing the control parameter) to detect proportionally lower overcurrents, the losses in the semiconductor are increased. The object of the invention is to produce a static switch with integrated protection of simple design, where losses are low, and which has a cut-off threshold for overcurrents close to the current.
de fonctionnement à charge maximale nominale. operating at maximum rated load.
Ce but est atteint par un interrupteur statique à protection intégrée contre les surintensités, à disposer en série avec une charge entre les pôles d'une source de tension, comportant au moins un élément semiconducteur comprenant un espace de conduction entre une électrode d'entrée et une électrode de sortie, avec des caractéristiques courant/tension entre entrée et sortie présentant un coude en deçà duquel l'élément est saturé, et au-delà duquel l'élément se désature, et une électrode de commande de l'état de l'espace de conduction, cette électrode de commande étant reliée à la sortie d'un générateur de paramètre de commande délivrant deux niveaux, bas et haut, de paramètre de commande o le semi-conducteur est respectivement bloquant et passant, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen voltmétrique relié en entrée aux électrodes d'entrée et de sortie et sensible à un dépassement d'un seuil de la tension en entrée, seuil réglé au-delà du coude pour le niveau haut, pour émettre, à destination du générateur de paramètre de commande, un signal de mise à l'état bas, le générateur de paramètre de commande étant apte à délivrer périodiquement à l'électrode de commande, une impulsion brève, en soustraction du niveau haut. On comprend qu'ainsi, durant la majorité du temps de conduction le semi-conducteur est efficacement saturé, et ses pertes sont faibles, la tension de déchet restant faible. Mais pendant la durée des impulsions périodiques délivrées par le générateur de paramètre de commande, le coude de caractéristique est déplacé vers les courants plus faibles, de sorte qu'une surintensité, même peu importante, provoque une chute de tension importante dans l'espace de conduction, le semi-conducteur étant désaturé temporairement. La brièveté de l'impulsion, pendant laquelle les pertes sont importantes, a pour effet que l'énergie dégradée est réduite, de sorte que les pertes globales dans l'élément semi-conducteur sont peu augmentées. Un réglage approprié de la hauteur de l'impulsion retranchée du niveau haut du générateur de paramètre de commande (état passant) permet d'atteindre un niveau de tension de déchet qui provoque la commutation du paramètre de commande à l'état bas, et en conséquence la coupure de la surintensité, telle que la discrimination du This object is achieved by a static switch with integrated overcurrent protection, to be arranged in series with a load between the poles of a voltage source, comprising at least one semiconductor element comprising a conduction space between an input electrode and an output electrode, with current / voltage characteristics between input and output having an elbow below which the element is saturated, and beyond which the element desaturates, and an electrode for controlling the state of the conduction space, this control electrode being connected to the output of a control parameter generator delivering two levels, low and high, of control parameter where the semiconductor is respectively blocking and passing, characterized in that it further comprises a voltmeter means connected at the input to the input and output electrodes and sensitive to exceeding a threshold of the input voltage, threshold set at beyond the elbow for the high level, to send, to the control parameter generator, a reset signal, the control parameter generator being able to periodically deliver to the control electrode, a short pulse, subtracting from the high level. It is understood that thus, during the majority of the conduction time the semiconductor is effectively saturated, and its losses are low, the waste voltage remaining low. However, during the period of the periodic pulses delivered by the control parameter generator, the characteristic elbow is displaced towards the weaker currents, so that an overcurrent, even a small one, causes a significant voltage drop in the space of conduction, the semiconductor being temporarily desaturated. The brevity of the pulse, during which the losses are significant, has the effect that the degraded energy is reduced, so that the overall losses in the semiconductor element are little increased. A suitable adjustment of the height of the pulse subtracted from the high level of the control parameter generator (on state) makes it possible to reach a level of waste voltage which causes the switching of the control parameter to the low state, and in consequence the cutting of the overcurrent, such as the discrimination of the
seuil de coupure s'opère dans une zone étroite. cut-off occurs in a narrow area.
Avec une source de tension continue, la fréquence de récurrence des impulsions et leur durée seront déterminées pour tenir compte de la valeur maximale des surintensités à prévoir, et de la capacité thermique de l'élément semi-conducteur (pour qu'il ne soit pas détruit par une surintensité très forte survenant juste après une impulsion). Avec une source de tension alternative, la fréquence de récurrence des impulsions sera liée à la With a DC voltage source, the frequency of recurrence of the pulses and their duration will be determined to take into account the maximum value of the overcurrents to be expected, and the thermal capacity of the semiconductor element (so that it is not destroyed by a very strong overcurrent occurring just after an impulse). With an AC voltage source, the pulse recurrence frequency will be linked to the
fréquence de la source.source frequency.
Aussi, de préférence, un interrupteur statique pour tension alternative comportera deux éléments semi-conducteurs montés en série reliés par leurs Also, preferably, a static switch for alternating voltage will comprise two semiconductor elements connected in series connected by their
électrodes d'entrée et chacun avec une diode montée tête- input electrodes and each with a head mounted diode
bêche entre les électrodes d'entrée et de sortie, les électrodes de commande étant attaquées en parallèle par le générateur de paramètre de commande tandis que le moyen voltmétrique est attaqué en entrée par la tension entre électrodes de sortie, les impulsions délivrées par le générateur de paramètre de commande étant synchronisées sur spade between the input and output electrodes, the control electrodes being driven in parallel by the control parameter generator while the voltmetric means is attacked at the input by the voltage between output electrodes, the pulses delivered by the generator command parameter being synchronized to
les crêtes de la tension entre électrodes de sortie. the voltage peaks between the output electrodes.
La structure ainsi définie de la cellule de commutation est classique pour commander les deux demi-alternances de la tension alternative, le courant passant, à chaque demi-alternance par l'élément semi-conducteur qui est dans le sens passant, et par la diode montée entre les électrodes d'entrée et de sortie de l'autre élément semi- conducteur. Par ailleurs, on comprend qu'il est avantageux que les impulsions soient synchrones des crêtes de tension de déchet, qui correspondent aux crêtes de courant traversant, les impulsions résultantes de The structure thus defined of the switching cell is conventional for controlling the two half-alternations of the alternating voltage, the current passing, at each half-alternation by the semiconductor element which is in the passing direction, and by the diode. mounted between the input and output electrodes of the other semiconductor element. Furthermore, it is understood that it is advantageous that the pulses are synchronous with the waste voltage peaks, which correspond to the peaks of current flowing, the pulses resulting from
tension de déchet étant alors maximales. waste voltage then being maximum.
En fait, la synchronisation des impulsions n'est pas obtenue directement en détectant les crêtes de la tension de déchet, celles-ci étant susceptibles de varier en amplitude avec les conditions d'utilisation de l'interrupteur, notamment courant traversant et la présence d'une impulsion de tension de déchet créant des risques d'interférence. Aussi le générateur de paramètre de commande est-il sensible aux passages à zéro de la tension entre électrodes de sortie pour délivrer l'impulsion brève aux électrodes de commande avec un retard d'un quart de période de la tension alternative sur le passage à zéro précité. Des caractéristiques secondaires et des avantages de In fact, the synchronization of the pulses is not obtained directly by detecting the peaks of the waste voltage, these being liable to vary in amplitude with the conditions of use of the switch, in particular through current and the presence of '' a waste voltage pulse creating risks of interference. The control parameter generator is therefore sensitive to zero crossings of the voltage between output electrodes to deliver the short pulse to the control electrodes with a quarter-period delay of the alternating voltage on the zero crossing. cited above. Secondary characteristics and advantages of
l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui the invention will moreover emerge from the description which
va suivre, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un interrupteur statique selon l'invention, pour une source à tension continue; - la figure 2 représente une caractéristique courant émetteur-collecteur d'un IGBT, convenant à la mise en oeuvre de l'invention; - la figure 3 est un diagramme explicatif du fonctionnement de l'interrupteur de la figure 1; - la figure 4 est un schéma d'un interrupteur selon l'invention, pour une source de tension alternative; la figure 5 est un diagramme explicatif du will follow, with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a diagram of a static switch according to the invention, for a DC voltage source; - Figure 2 shows a current emitter-collector characteristic of an IGBT, suitable for the implementation of the invention; - Figure 3 is an explanatory diagram of the operation of the switch of Figure 1; - Figure 4 is a diagram of a switch according to the invention, for an alternating voltage source; Figure 5 is an explanatory diagram of the
fonctionnement de l'interrupteur de la figure 4. operation of the switch of figure 4.
Selon le mode de réalisation de l'invention choisi et représenté figure 1 d'un interrupteur statique, entre les pôles positif 1 et négatif 2 d'une source de tension continue sont montés en série une charge 3 et un transistor bipolaire à grille isolée 4 (IGBT), avec un collecteur 4a (électrode de sortie), un émetteur 4b (électrode d'entrée), une grille 4c (électrode de commande). Cette grille 4c est reliée à la sortie 5a d'un microprocesseur 5 programmé pour délivrer en sortie 5a un niveau bas (niveau de blocage de l'IGBT) lorsqu'une entrée 5b de ce microprocesseur est à l'état "0", et, lorsque cette entrée 5b est à l'état "1", un niveau haut tel que l'IGBT 4 soit passant et saturé pour tous les courants que peut supporter la charge 3. Bien entendu, les niveaux de tension délivrée par le microprocesseur sont mis en forme par un étage d'attaque adapté à la commande de l'interrupteur semi-conducteur. Cet étage est connu en soi, et n'est pas représenté pour la clarté de la figure. Ici le niveau bas est 0 volt et le niveau haut est de 15 volts. En outre, le microprocesseur 5, lorsque son entrée 5b est à l'état "1" émet périodiquement sur sa sortie 5a une impulsion brève qui vient se retrancher du niveau haut. Ici, par exemple l'impulsion a une fréquence de récurrence de 100 Hz, une durée de 1 ms et amplitude de 5 volts, soit un niveau de According to the embodiment of the invention chosen and shown in FIG. 1 of a static switch, between the positive 1 and negative 2 poles of a DC voltage source are connected in series a load 3 and a bipolar transistor with insulated gate 4 (IGBT), with a collector 4a (output electrode), a transmitter 4b (input electrode), a grid 4c (control electrode). This grid 4c is connected to the output 5a of a microprocessor 5 programmed to deliver at output 5a a low level (blocking level of the IGBT) when an input 5b of this microprocessor is in the state "0", and , when this input 5b is in the state "1", a high level such that the IGBT 4 is on and saturated for all the currents that can support the load 3. Of course, the voltage levels delivered by the microprocessor are shaped by a drive stage adapted to control the semiconductor switch. This stage is known per se, and is not shown for clarity of the figure. Here the low level is 0 volts and the high level is 15 volts. In addition, the microprocessor 5, when its input 5b is in the state "1" periodically emits on its output 5a a short pulse which is cut off from the high level. Here, for example, the pulse has a recurrence frequency of 100 Hz, a duration of 1 ms and amplitude of 5 volts, i.e. a level of
10 volts.10 volts.
L'interrupteur statique comprend encore, l'émetteur 4b étant à la masse interne de l'interrupteur, un conducteur de prise de tension 9 relié au collecteur 4a de l'IGBT 4 qui attaque l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 7 à travers un limiteur d'excursion de tension 9a. L'amplificateur 7 est muni d'une rétroaction pour fonctionner en proportionnel. La sortie de l'amplificateur 7 attaque à travers un inverseur logique 7a l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 6 monté en comparateur pour émettre en sortie un état "1" lorsque la tension à l'entrée du comparateur est supérieure à un seuil fixé par un pont 8, et un état "0" lorsque cette tension est inférieure au seuil. On ajoutera que l'apparition d'un état "0" sur l'entrée 5b du microprocesseur 5 amène la sortie 5a à son niveau bas de façon irréversible, et que la remise en fonctionnement du microprocesseur 5 demande une action extérieure. The static switch also comprises, the transmitter 4b being to the internal ground of the switch, a voltage tap conductor 9 connected to the collector 4a of the IGBT 4 which attacks the inverting input of an operational amplifier 7 to through a voltage excursion limiter 9a. Amplifier 7 is provided with feedback to operate in proportional fashion. The output of amplifier 7 attacks through a logic inverter 7a the inverting input of an operational amplifier 6 mounted as a comparator to output a state "1" when the voltage at the input of the comparator is above a threshold fixed by a bridge 8, and a state "0" when this voltage is below the threshold. It will be added that the appearance of a state "0" on the input 5b of the microprocessor 5 brings the output 5a to its low level in an irreversible manner, and that the reactivation of the microprocessor 5 requires an external action.
Avant d'entreprendre la description du fonctionnement Before undertaking the description of the operation
de l'interrupteur de la figure 1, on se reportera à la figure 2 qui donne les courbes caractéristiques courant collecteur/tension collecteurémetteur d'un IGBT, en fonction de la tension grille-émetteur. On voit que ces courbes comportent trois régions, 10 une région de saturation o le courant collecteur croît très vite avec la tension collecteur-émetteur, 12 une région o le courant collecteur devient sensiblement indépendant de la tension collecteur-émetteur, l'IGBT étant désaturé, et 11 une région de coude qui raccorde les régions 10 et 12. Par ailleurs, dans ces trois régions le courant collecteur est fonction de la tension grille-émetteur sensiblement dans la of the switch of figure 1, one will refer to figure 2 which gives the characteristic curves collector current / collector emitter voltage of an IGBT, according to the grid-emitter voltage. We see that these curves have three regions, 10 a region of saturation where the collector current increases very quickly with the collector-emitter voltage, 12 a region where the collector current becomes substantially independent of the collector-emitter voltage, the IGBT being desaturated , and 11 a bend region which connects regions 10 and 12. Furthermore, in these three regions the collector current is a function of the grid-emitter voltage substantially in the
même proportion.same proportion.
Dans la figure 1, le paramètre de commande est la tension grille- émetteur VG appliquée à la grille 4c, et la tension du conducteur 9 par rapport à la masse est la tension collecteur-émetteur du transistor IGBT 4. Si l'on se rapporte à la figure 3, le diagramme donne l'évolution dans le temps, à la partie inférieure, du paramètre ou tension de commande, avec un niveau haut 20, et des impulsions périodiques 21 qui viennent se retrancher du niveau haut 20, la dernière impulsion 21 étant suivie de l'annulation de la tension de commande, annulation qui In FIG. 1, the control parameter is the gate-emitter voltage VG applied to the gate 4c, and the voltage of the conductor 9 relative to ground is the collector-emitter voltage of the IGBT transistor 4. If we refer in FIG. 3, the diagram gives the evolution over time, at the lower part, of the control parameter or voltage, with a high level 20, and periodic pulses 21 which are cut off from the high level 20, the last pulse 21 being followed by the cancellation of the control voltage, cancellation which
correspond au niveau bas.corresponds to the low level.
Dans la partie médiane du diagramme on a représenté un courant collecteur IC croissant 22 jusqu'à un courant de déclenchement 23. La partie supérieure du diagramme présente la tension collecteur-émetteur VCE résultant de la combinaison de l'évolution de VG et de IC. On comprendra que la chute de tension dans le transistor reste faible devant la tension de source entre les pôles 1 et 2 (figure 1), de sorte que les impulsions au niveau 21 ne provoquent pratiquement pas de réduction de courant par rapport au niveau haut 20. Tant que le courant collecteur reste faible, dans la région de saturation, les niveaux de tension de commande 20 et 21 déterminent des tensions collecteur- émetteur 24 sensiblement égales et les impulsions en réduction de niveau sur la grille ne se traduisent pas par des accidents de VCE, puis le courant s'accroissant, des impulsions 25 commencent à apparaître sous forme d'un accroissement de la tension VCE, puis, alors que la tension VCE correspondant au niveau 20 s'accroît peu, les impulsions 25 croissent très vite, jusqu'à ce que le dépassement d'un niveau de seuil 26 provoque un état "0" à l'entrée du microprocesseur 5, et le blocage du transistor IGBT 4. On appréciera que l'invention permet d'obtenir une bonne précision de déclenchement sans In the middle part of the diagram, an increasing collector current IC 22 has been represented up to a tripping current 23. The upper part of the diagram shows the collector-emitter voltage VCE resulting from the combination of the evolution of VG and of IC. It will be understood that the voltage drop in the transistor remains low compared to the source voltage between the poles 1 and 2 (FIG. 1), so that the pulses at level 21 cause practically no reduction in current compared to the high level 20 As long as the collector current remains low, in the saturation region, the control voltage levels 20 and 21 determine substantially equal collector-emitter voltages 24 and the pulses in reduction of level on the grid do not result in accidents. of VCE, then the current increasing, pulses 25 begin to appear in the form of an increase in the voltage VCE, then, while the voltage VCE corresponding to level 20 increases little, the pulses 25 grow very quickly, until the crossing of a threshold level 26 causes a state "0" at the input of the microprocessor 5, and the blocking of the IGBT transistor 4. It will be appreciated that the invention makes it possible to obtain a good e tripping accuracy without
que les pertes à charge maximale soient élevées. that the maximum load losses are high.
L'interrupteur statique de la figure 4 est prévu pour le cas plus fréquent d'une alimentation à tension alternative. La partie d'interrupteur proprement dite comporte deux transistors 33 et 34, ici des IGBT analogues à celui de la figure 1, montés en série entre la phase 30 et une charge 32, reliée au neutre 31. Les transistors 33 et 34 sont reliés par leurs électrodes d'entrée ou émetteurs 33b, 34b tandis que le collecteur 33a du transistor 33 est relié à la phase 30, et le collecteur 34a du transistor 34 est relié à la charge 32. Deux diodes 35 et 36 sont montées tête-bêche avec les transistors 33 et 34 The static switch of FIG. 4 is provided for the more frequent case of an AC voltage supply. The switch part proper comprises two transistors 33 and 34, here IGBTs similar to that of FIG. 1, connected in series between phase 30 and a load 32, connected to neutral 31. The transistors 33 and 34 are connected by their input electrodes or emitters 33b, 34b while the collector 33a of the transistor 33 is connected to the phase 30, and the collector 34a of the transistor 34 is connected to the load 32. Two diodes 35 and 36 are mounted head to tail with transistors 33 and 34
entre leurs émetteurs et collecteurs, l'expression tête- between their emitters and collectors, the expression head-
bêche signifiant que les sens passant du transistor et de la diode associée sont à l'inverse. Ainsi, pendant une demi-alternance de la tension alternative, le courant traversera en série le transistor 33 et la diode 36, et pendant l'autre demi-alternance le transistor 34 et la spade signifying that the directions passing from the transistor and the associated diode are the opposite. Thus, during a half-wave of the alternating voltage, the current will pass in series through the transistor 33 and the diode 36, and during the other half-wave through the transistor 34 and the
diode 35.diode 35.
La partie commande comporte des éléments analogues à ceux de la figure 1. Notamment un microprocesseur 37 attaque par sa sortie 37a conjointement les grilles 33c et 34c des transistors 33 et 34 et est attaqué sur son entrée 37b par un comparateur 39. Mais le microprocesseur 37 est attaqué sur une entrée 37c par un détecteur de nullité de tension 38, disposé en dérivation sur un conducteur 47 relié au collecteur 34a du transistor 34. L'existence d'une tension nulle sur le conducteur 47 correspond à l'annulation du courant traversant l'interrupteur. Cela permet de synchroniser, avec un retard d'un quart de période de la tension de source, l'émission d'une impulsion en retranchement d'un niveau haut sur la sortie 37a du microprocesseur 37. L'impulsion sera alors synchrone des The control part includes elements similar to those of FIG. 1. In particular, a microprocessor 37 drives through its output 37a jointly the gates 33c and 34c of the transistors 33 and 34 and is driven on its input 37b by a comparator 39. But the microprocessor 37 is attacked on an input 37c by a voltage nullity detector 38, arranged in bypass on a conductor 47 connected to the collector 34a of the transistor 34. The existence of a zero voltage on the conductor 47 corresponds to the cancellation of the through current the switch. This makes it possible to synchronize, with a delay of a quarter of period of the source voltage, the emission of a pulse of entrenchment of a high level on the output 37a of the microprocessor 37. The pulse will then be synchronous with the
crêtes de courant à travers l'interrupteur. current peaks through the switch.
La détermination des tensions entre émetteurs et collecteurs se fait de la façon suivante: des conducteurs 46 et 47 sont respectivement reliés aux collecteurs 33a et 34a des transistors 33 et 34 et attaquent respectivement deux amplificateurs 42 et 43 semblables à l'amplificateur 7 de la figure 1, à travers des limiteurs d'excursion de tension 46a et 47a. En sortie des amplificateurs 42 et 43 sont disposées des diodes 44 et 45 en tête d'un sommateur, ou additionneur 48, de façon à ne retenir que les parties positives des tensions de sortie des amplificateurs 42 et 43. Ainsi on aura au point de sommation 48, et donc à l'entrée du comparateur 39, une succession de demi-ondes de tension correspondant respectivement aux demi-ondes de courant à travers l'interrupteur constitué par les The determination of the voltages between transmitters and collectors is carried out as follows: conductors 46 and 47 are respectively connected to collectors 33a and 34a of transistors 33 and 34 and drive respectively two amplifiers 42 and 43 similar to amplifier 7 of the figure 1, through voltage excursion limiters 46a and 47a. At the output of amplifiers 42 and 43 are arranged diodes 44 and 45 at the head of an adder, or adder 48, so as to retain only the positive parts of the output voltages of amplifiers 42 and 43. Thus we will have the point of summation 48, and therefore at the input of comparator 39, a succession of half-waves of voltage corresponding respectively to half-waves of current through the switch constituted by the
transistors 33 et 34.transistors 33 and 34.
Si l'on se reporte à la figure 5, le diagramme comporte à la partie inférieure l'évolution de la tension de commande de grille VGE, avec un niveau haut 50, et des impulsions 51 en retranchement du niveau 50. Ces impulsions sont synchronisées sur la crête de courant traversant, If we refer to FIG. 5, the diagram comprises at the lower part the evolution of the gate control voltage VGE, with a high level 50, and pulses 51 subtracting from level 50. These pulses are synchronized on the crossing current ridge,
comme il vient d'être expliqué.as just explained.
A la partie supérieure du diagramme sont représentées les formes d'onde de tension au point de sommation 48. Les arcs que décrit cette tension sont très aplatis en raison de la forme de la caractéristique courant/tension dans la région de saturation 10 (figure 2). On a représenté trois niveaux de tension de crête 52a, 53a, 55a, correspondant à trois niveaux de courant respectivement faible, proche de la pleine charge, et faible surintensité. Sur les demi- ondes 52 il n'apparaît pas d'impulsion, sur les demi-ondes 53 apparaissent des impulsions 54 clairement visibles mais qui restent en deçà du seuil 57, tandis que sur la demi-onde 55 l'impulsion 56 dépasse le seuil 57, et provoque le blocage des transistors en synchronisme avec l'impulsion. L'invention a été décrite pour des transistors IGBT car ceux-ci travaillent avec des puissances de commande très faibles en comparaison avec les transistors bipolaires classiques, et sont nettement moins coûteux que les transistors MOS pour un même courant traversant au moins dans l'application décrite. Mais ces trois types de semi-conducteurs ayant des courbes caractéristiques analogues, en fonction de la valeur d'un paramètre de commande, pourront être utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention, avec des aménagements à la portée d'un homme At the top of the diagram are represented the waveforms of tension at the point of summation 48. The arcs which this tension describes are very flattened because of the shape of the characteristic current / tension in the region of saturation 10 (figure 2 ). Three peak voltage levels 52a, 53a, 55a have been shown, corresponding to three levels of current respectively low, close to full load, and low overcurrent. On the half-waves 52 there is no pulse, on the half-waves 53 there appear pulses 54 clearly visible but which remain below the threshold 57, while on the half-wave 55 the pulse 56 exceeds the threshold 57, and causes the transistors to block in synchronism with the pulse. The invention has been described for IGBT transistors because these work with very low control powers in comparison with conventional bipolar transistors, and are significantly less expensive than MOS transistors for the same current flowing at least in the application. described. But these three types of semiconductors having similar characteristic curves, depending on the value of a control parameter, can be used for the implementation of the invention, with arrangements within the reach of a man
du métier.of career.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes Of course, the invention is not limited to the examples described, but embraces all the variants thereof.
d'exécution, dans le cadre des revendications. in the context of the claims.
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