FR2739735A1 - Dispositifs haute tension permettant d'eviter les defaillances du type passage au potentiel -vs (le pole negatif de l'alimentation electrique) - Google Patents

Dispositifs haute tension permettant d'eviter les defaillances du type passage au potentiel -vs (le pole negatif de l'alimentation electrique) Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un circuit d'excitation pour dispositifs haute puissance, qui comporte un dispositif d'excitation à circuit intégré (20) et un circuit de commutation d'alimentation comprenant des premier et deuxième dispositifs (10, 11) commandés par grille MOS destinés à être rendus alternativement conducteurs par le dispositif d'excitation. Le dispositif d'excitation comporte un condensateur externe (Cb , 28) connecté entre deux noeuds de circuit (Vb ) et VS , 38) ainsi qu'un noeud commun (36) et un circuit série comportant, entre le noeud commun et le noeud premier cité (Vb ), un condensateur de charge (CVCC , 26), une résistance (Rb , 40) et une diode (Db , 22). On place le dispositif d'excitation commandé par grille MOS et le circuit de commutation d'alimentation le plus près possible l'un de l'autre pour raccourcir les longueurs des conducteurs entre le noeud premier cité (VS ) et le noeud cité en deuxième (Vo ) et entre le noeud commun et un autre noeud commun du circuit de commutation d'alimentation, afin de réduire les valeurs d'inductance (LS1 et LS2 ).

Description

La présente invention concerne les circuits d'excitation pour dispositifs
commandés par grille MOS à haute tension à niveau déplacé et, plus particuliè-
rement, des circuits d'excitation pour dispositifs commandés par grille MOS qui présentent une meilleure immunité vis-à-vis des effets parasites de courants effectuants des commutations. Les circuits d'excitation pour dispositifs commandés par grille MOS à haute tension à niveau déplacé sont des circuits bien connus permettant l'excitation de dispositifs à commande par grille MOS connectés en pont, comme des IGBT (transistors bipolaires à grille isolée) et des transistors à effet de champ MOS (MOSFET) de puissance. Une famille de ces dispositifs est commercialisée sous le type désigné par les numéros IR21XX, notamment par la société International Rectifier Corporation, lesquels dispositifs sont des dispositifs à circuit intégré haute tension (ou dispositifs HVIC) qui excitent chacun deux semblables dispositifs commandés par grille MOS dans chaque branche d'un pont. Les figures 1 et 2 présentent des configurations typiques d'un circuit de type IR21XX (par exemple un circuit IR2155) s'appliquant respectivement à des IGBT côté haut 10 et côté bas 11, lesquels sont respectivement associés à des diodes 12 et 13 à recouvrement rapide. Les signaux de sortie Ho et Lo (les lettres H et L sont généralement associées au niveau haut et au niveau bas) qui sont respectivement présents sur les broches 4 et 2 font séquentiellement passer les dispositifs 10 et 11 dans l'état conducteur et dans l'état non conducteur afin de commander la délivrance d'une puissance électrique à un circuit de sortie (lequel n'est pas représenté). En fonctionnement, lorsque le dispositif du haut 10 est rendu non conducteur, un courant I10 commute sur la diode du bas 13, sous la forme du courant 113, comme représenté sur la figure 3. Le courant 113 traverse les inductances propres LS1 et LS2 en série avec la diode 13, ce qui fait passer à -VS la tension présente en Vo. Cette tension négative peut amener le circuit d'excitation à semiconducteur (IC) 20 à connaître une défaillance ou à sauter. Ce problème se pose encore plus fortement en situation de court-circuit. Lorsque, dans la présente
description, on dit que la tension présente en Vo passe à -VS, ceci signifie que la
tension prend la valeur HV-. Les tensions HV+ et HV- sont, comme représenté sur la figure 4, les tensions de polarisation respectivement appliquées aux
extrémités de la connexion série des dispositifs 10 et 11.
Cest donc un but de l'invention de fournir des circuits d'excitation de dispositifs commandés par grille MOS haute tension à niveau déplacé qui sont construits pour pouvoir supporter les effets préjudiciables de courants en train de commuter. Les buts ci-dessus cités et les autres buts de l'invention sont réalisés par la construction du dispositif de façon que les inductances propres internes LS1 et LS2 aient des valeurs plus faibles, ce qu'on obtient en maintenant des longueurs de conducteurs plus courtes et en positionnant la diode Db et la connexion commune (COM) d'une manière qui réduit le trajet d'inductance. De plus, on augmente la capacité Cb du dispositif afin de réduire la tension se créant sur ce condensateur. D'autres moyens utilisés consistent à augmenter la taille du condensateur CVCc afin de maintenir la tension aux bornes de CVCC la plus raide possible, et ainsi d'assurer que la diode de substrat DS interne au circuit intégré ne puisse pas devenir conductrice trop tôt. De manière très approximative, on dira qu'il faut que la capacité CVCC ait une valeur dix fois supérieure au total de tous
les condensateurs Cb du système.
L'invention atteint mieux encore ses objectifs en réduisant la résistance Rb et le trajet d'auto-élévation le plus possible, afin de faire circuler un courant réduit dans la diode de substrat. Enfin, l'invention envisage la présence d'une résistance RCOM pour augmenter la valeur de résistance du trajet de la diode DS
du substrat et pour réduire la charge de CVCC et le courant du substrat.
La description suivante, à titre d'illustration de l'invention vise à
permettre une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue simplifiée d'un circuit connu montrant un circuit d'excitation sous forme de circuit intégré qui est connecté de façon à exciter une paire de dispositifs haute tension; - la figure 2 est un schéma de circuit montrant le fonctionnement du circuit de la figure 1; la figure 3 est un schéma montrant le trajet suivi par le courant commutant lorsque le dispositif à transistor du haut est mis dans l'état non conducteur; -la figure 4 illustre un mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est un circuit montrant une autre particularité de l'invention; -la figure 6 est une courbe montrant la tension aux bornes du condensateur pour différentes valeurs de la capacité, de façon à montrer que la tension de crête du condensateur diminue pour des valeurs de capacité plus élevées. Pour mieux décrire le problème que résout l'invention, on va maintenant se reporter à la figure 4, qui montre les composants de circuit voulus et les composants parasites importants. Les composants de circuit comprennent une diode de surélévation Db 22 et un condensateur Cb 28. On peut également voir sur la figure la diode de substrat parasite DS 24 du circuit intégré et le condensateur d'entrée CVCC 26. Il existe deux modes de défaillance lorsque Vo est amenée à -VS. Dans le premier mode de défaillance, la diode de surélévation Db 22 de la figure 4 commence à conduire et charge le condensateur Cb 28. Si la tension présente sur le condensateur Cb 28 dépasse la valeur minimale d'avalanche dans le dispositif d'excitation du haut (représenté sous la forme d'une diode Zener 30), alors ceci détruit le circuit intégré 20. Dans le deuxième mode, le condensateur d'auto-élévation Cb 28 peut également se charger via la diode de substrat parasite DS 24 du circuit intégré. Si un courant important passe dans la diode DS 24, le
circuit intégré peut connaître une défaillance, être endommagé ou détruit.
Dans la technique antérieure, il n'a pas été accordé une attention suffisante à l'implantation des composants, ce qui a amené les inductances LS1 et LS2 à augmenter. De plus, le condensateur Cb a été dimensionné de facçon à maintenir la tension du dispositif d'excitation pendant le temps de conduction d'impulsion maximal et non pour réduire l'accumulation de la tension. Les solutions classiques de ces problèmes ont consisté à ajouter une résistance de limitation de courant au trajet d'auto-élévation et à ajouter des résistances, comme la résistance 32, et des diodes hautes tension, comme la diode 34, (voir la figure 5), pour limiter l'amplitude de -VS. Toutefois, ceci provoque des pics de tension de
grille et demande des diodes haute tension supplémentaires.
Selon l'invention, son envisagées les mesures suivantes.
(a) On réduit les valeurs d'inductance LS1 et LS2 en maintenant courtes les longueurs des conducteurs et en positionnant la connexion VS 38 et la connexion "COM" 36, que l'on peut voit sur la figure 4, afin de réduire le trajet inductif. (b) On augmente la valeur de capacité du condensateur Cb 28 afin de faire que la tension à ses bornes s'élève à une valeur réduite, comme représenté sur la figure 6. Pour une puce IGBT de taille 3 (disponible auprès de la société International Rectifier Corporation, El Segundo, Californie, Etats-Unis d'Amérique), et si l'on implante les pièces sur un substrat IMS, on utilisera de
préférence une capacité de 0,47,uF.
(c) On augmente la taille du condensateur CVCC 26 afin de maintenir l'alimentation électrique VCC (figure 4) aussi "raide" que possible, puisque, s'il y a des baisses dans la tension VCC pendant la charge d'auto-élévation, la diode DS 24 interne au circuit intégré peut devenir conductrice précocement. De préférence, le condensateur CVCC 26 doit avoir une valeur se montant à 10 fois le total de
tous les condensateurs Cb du système.
(d) On réduit le plus possible la résistance Rb 40 se trouvant dans le trajet de surélévation. La résistance Rb 40 limite la charge du condensateur Cb 28 qui provoque la circulation d'un courant accru dans la diode de substrat parasite, ce qui peut provoquer une défaillance. La valeur recommandée pour la résistance est
de 0 ohm.
(e) On peut ajouter une résistance RCOM 42 dans la ligne 42 de la figure 4 afin d'augmenter la valeur de résistance dans le trajet de la diode de substrat DS 24. La résistance RCOM 42 réduit elle aussi la charge du condensateur Cb 26 et le courant de substrat. La valeur de RCOM peut être d'environ 1 à
ohms.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du
dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et
nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Circuit d'excitation pour dispositifs haute puissance, le circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend: un dispositif d'excitation de grille MOS et un circuit de commutation d'alimentation en puissance électrique (10, 11), le circuit de commutation d'alimentation en puissance électrique comportant un premier transistor commandé par grille MOS (10) et un deuxième transistor commandé par grille MOS (11), le dispositif d'excitation de grille MOS étant connecté aux premier et deuxième transistors commandés par grille MOS et servant à les rendre alternativement conducteurs; le circuit de commutation d'alimentation en puissance électrique ayant un noeud (VO) de sortie de tension entre le premier transistor commandé par grille MOS et le deuxième transistor commandé par grille MOS, et le deuxième transistor commandé par grille MOS étant associé à une diode à recouvrement (13) et à des inductances propres (LS1 et LS2); le dispositif d'excitation de grille MOS comprenant un circuit intégré (20) et comportant un condensateur externe (Cb, 28) connecté entre un premier noeud de circuit (Vb) et un deuxième noeud de circuit (Vs, 38) du dispositif d'excitation de grille MOS, le dispositif d'excitation de grille MOS comportant en outre un noeud commun (COM, 36) et un circuit série comportant un condensateur de charge (CVCC, 26), une résistance (Rb, 40) et une diode (Db, 22) connectés entre le noeud commun et le premier noeud (Vb); et le dispositif d'excitation de grille MOS et le circuit de commutation d'alimentation en puissance électrique étant connectés aussi près que possible l'un de l'autre afin qu'on obtienne des courtes longueurs de conducteurs entre le deuxième noeud (Vs) et le noeud de sortie (Vo) et entre le noeud commun et un autre noeud commun du circuit de commutation d'alimentation en puissance
électrique, afin de réduire les valeurs des inductances (LS1 et LS2).
2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur externe (Cb) possède une valeur augmentée, qui dépasse sensiblement la valeur de capacité nécessaire pour maintenir la tension du premier transistor commandé par grille MOS pendant un temps de conduction d'impulsion maximal, ladite valeur augmentée étant déterminée par les inductances (Ls1 et LS2) ainsi que par la taille et le type desdits transistors commandés par grille MOS.
3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité du condensateur externe (Cb) possède, pour des IGBT du type "k" de taille 3 de la
société International Rectifier, une valeur supérieure à environ 0,47 MF.
4. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur de charge (Cvcc) possède une valeur d'au moins environ 10 fois la
valeur du condensateur externe (Cb) du circuit.
5. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de la
résistance (Rb) du circuit série est réduite le plus possible.
6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur de la
résistance (Rb) du circuit série est d'environ 0 ohm.
7. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance (RCOM, 42) d'environ 1 à 20 ohms entre le noeud commun du dispositif d'excitation commandé par grille MOS et le noeud commun du circuit de
commutation d'alimentation en puissance électrique.
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