FR2854287A1 - Interrupteur electrique a semi-conducteurs, et application - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un interrupteur électrique dont une branche active (B1) autorise sélectivement la circulation d'un courant électrique (Id1) bidirectionnel entre une entrée (E) et une sortie (S) de cet interrupteur.Selon l'invention, la branche active (B1) comprend deux composants semi-conducteurs (T11, T12) à effet de champ dotés chacun d'un drain (d11, d12), d'une source (s11, s12) et d'une grille (g11, g12) et connectés par leurs sources respectives (s11, s12), un circuit de polarisation (POL) étant prévu pour appliquer sélectivement, entre la grille et la source de chacun des deux composants, une tension de polarisation (Vgs) plaçant simultanément ces deux composants dans un état passant, ou dans un état bloqué.

Description

L'invention concerne, de façon générale, le domaine de la

commande électrique.

Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier 5 de ses aspects, un interrupteur électrique comprenant une entrée, une sortie, et au moins une première branche reliant la sortie à l'entrée et autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique, suivant l'une ou l'autre de deux directions opposées, entre l'entrée et la 10 sortie.

Les interrupteurs répondant à cette définition incluent notamment les interrupteurs de type mécanique à contacts mobiles commandés par un signal électrique agissant sur 15 un électro-aimant, bien connus de l'homme de métier pour être robustes et de très faible impédance à l'état passant, ce qui leur permet d'être traversés par des courants de forte intensité sans pour autant devoir présenter un encombrement important. 20 En revanche, les interrupteurs à contacts mobiles présentent des constantes de temps élevées à l'ouverture et à la fermeture, c'est-à-dire que le passage de leur état passant à leur état bloqué ou le passage inverse 25 sont relativement lents.

Un interrupteur de type mécanique peut typiquement présenter une impédance de 10 mQ et une constante de temps de 1 ms.

Les interrupteurs répondant à la définition générique cidessus incluent également les interrupteurs de type électronique, bien connus de l'homme de métier pour leur constante de temps très faible, mais présentant en revanche des tensions de seuil réputées inévitables et relativement élevées.

En effet, les montages bloquables connus utilisent des diodes et des composants du type transistors, qui présentent typiquement une constante de temps de l'ordre de la microseconde.

En revanche, les montages connus à base de composants électroniques, utilisés pour la réalisation d'interrupteurs bidirectionnels, font toujours apparaître une force contre-électromotrice équivalente qui accroît 15 de façon irrémédiable la tension de déchet de ces interrupteurs.

Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un interrupteur de type électronique présentant, 20 à l'état passant, au moins une première branche exempte de tension de seuil.

A cette fin, l'interrupteur de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le 25 préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que cette première branche est constituée par une première paire de composants semi-conducteurs à effet de champ montés entre l'entrée et la sortie de l'interrupteur et dont chacun comprend au moins un drain, 30 une source et une grille isolée, en ce que ces composants sont connectés l'un à l'autre par leurs sources respectives, et en ce que cet interrupteur comprend des moyens de polarisation commandés pour adopter sélectivement un premier ou un second état dans lesquels 35 ils appliquent respectivement, entre la grille et la source de chaque composant de la première paire de composants, une première valeur de tension de polarisation plaçant les composants de la première paire dans un état passant, ou une seconde valeur de tension de polarisation plaçant les composants de la première paire dans un état bloqué.

De façon avantageuse, bien que non limitative, les composants de la première paire de composants sont placés de façon simultanée dans l'un et/ou l'autre de leur état 10 passant et de leur état bloqué.

Pour abaisser la résistance introduite par l'interrupteur électrique entre l'entrée et la sortie, il est possible de prévoir que cet interrupteur comprenne au moins une 15 deuxième branche autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique suivant l'une ou l'autre de deux directions opposées entre l'entrée et la sortie de cet interrupteur, que chaque branche soit constituée par une paire correspondante de composants semi-conducteurs a 20 effet de champ montés entre l'entrée et la sortie de l'interrupteur et dont chacun comprend au moins un drain, une source et une grille isolée, que les composants de chaque paire soient connectés l'un à l'autre par leurs sources respectives, et que les moyens de polarisation 25 appliquent respectivement, dans leur premier et leur second état, la première valeur de tension de polarisation ou la seconde valeur de tension de polarisation entre la grille et la source de chaque composant de chaque paire de composants. 30 Chaque composant précité peut être constitué par un transistor à effet de champ et à oxyde métallique, comportant par exemple un canal dopé négativement.

L'interrupteur de l'invention est particulièrement adapté à la réalisation d'un disjoncteur.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma représentant un disjoncteur mettant en oeuvre un interrupteur conforme à un premier mode de réalisation possible de l'invention; et - la figure 2 est un interrupteur conforme à un second mode de réalisation possible de l'invention.

Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un 15 interrupteur électrique doté d'une ou plusieurs branches, telles que Bi (figure 1), B2, ou Bn (figure 2) reliant une sortie S à une entrée E de cet interrupteur.

Chaque branche est conçue pour adopter, à volonté, soit 20 un état passant dans lequel elle autorise, entre l'entrée E et la sortie S, la circulation à travers elle d'un courant électrique tel que Idl, indifféremment suivant l'une ou l'autre de deux directions opposées X1 et X2, soit un état bloqué dans lequel elle interdit la 25 circulation de ce courant.

Dans le cas, illustré à la figure 1, o l'interrupteur est intégré à un disjoncteur contrôlant l'état d'une ligne électrique comprenant par exemple un fil conducteur 30 neutre LO et un fil conducteur actif Li, l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur sont deux points du fil conducteur actif LI.

Une varistance RO peut être branchée entre l'entrée E et la sortie S pour limiter la surtension créée par la self de ligne au moment du blocage du courant.

Comme le montre la figure 1, la première branche Bi est constituée par une première paire de composants semiconducteurs à effet de champ, Tii et T12, montés entre l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur.

En l'occurrence, les composants Tii et T12 illustrés sont de transistors à effet de champ et à oxyde métallique, connus de l'homme de métier sous la dénomination MOSFET, et de type "N" c'est-à-dire présentant un canal dopé négativement.

Les transistors Tii et T12 présentent des drains respectifs dii et di2 respectivement connectés à l'entrée E et à la sortie S de l'interrupteur, des sources respectives sul et s12 par lesquelles ces transistors 20 sont connectés l'un à l'autre, et des grilles respectives gll et gi2 commandées par un circuit de polarisation POL.

Le circuit de polarisation POL comprend par exemple une unité de commande COM dotée d'une borne cl délivrant un 25 potentiel électrique contrôlé, une résistance de polarisation Rpoll reliée à la borne cl et la grille gll du transistor Tii, et une résistance de polarisation Rpol2 reliée à la borne cl et à la grille gi2 du transistor T12.

L'unité de commande COM, par exemple constituée par un microcontrôleur, est alimentée entre ses bornes cO et c4 par un circuit d'alimentation ALIM relié aux fils de ligne LO et Ll.

L'unité de commande COM reçoit par ailleurs sur une borne c5 la tension du fil actif Li, la différence de potentiel entre les bornes c4 et c5 permettant ainsi à l'unité de commande COM de détecter le passage par zéro de la 5 tension de la ligne LO-Ll et de mesurer la tension instantanée du fil actif Ll.

Enfin, cette unité de commande COM présente une borne c2 sur laquelle elle reçoit un signal émis par un capteur de 10 courant différentiel Kdiff et représentatif d'une éventuelle différence des courants circulant dans les fils LO et Li, ainsi qu'une borne c3 sur laquelle elle reçoit un signal émis par un capteur de courant total Ktot et représentatif du courant total circulant dans le 15 fil actif Ll.

Lorsque l'unité de commande COM reçoit sur ses bornes c2 et c3 des signaux dont le niveau n'indique aucune anomalie électrique, cette unité délivre sur sa borne cl 20 une tension qui porte à une valeur Vl la tension Vgs existant entre la grille et la source de chacun des transistors Tll et T12, c'est-à-dire aussi bien la tension entre la grille gll et la source sIl du transistor Tll que la tension entre la grille g12 et la 25 source s12 du transistor Ti2.

La valeur Vl est par exemple choisie de l'ordre de quelques volts, typiquement jusqu'à une dizaine de volts, de manière que les transistors Tll et T12 soient alors 30 simultanément placés dans leur état passant.

Dans ce cas, chacun des transistors Tll et T12 travaille dans sa zone résistive, définie par: Vds = Rdson * Idl, o IdI est le courant de drain 35 parcourant la branche Bl, o Vds est la tension drain- source de ce transistor, et o Rdson est la résistance drain-source de ce même transistor à l'état passant.

Dans le mesure o à la fois le sens du courant Idl et la 5 polarité de la tension drain-source Vds diffèrent d'un transistor à l'autre, l'impédance de la branche Bl se réduit à la somme des résistances drain-source des deux transistors Tll et T12 à l'état passant, c'est-à-dire au double de la résistance drain-source Rdson de chacun 10 d'eux dans le cas préféré o ces transistors sont identiques, Lorsqu'en revanche l'unité de commande COM reçoit sur l'une et / ou l'autre de ses bornes c2 et c3 un signal 15 dont le niveau indique l'apparition d'une anomalie électrique, cette unité délivre sur sa borne cl une tension qui porte à une valeur VO la tension Vgs existant entre la grille et la source de chacun des transistors Tll et T12, c'est-à-dire aussi bien la tension entre la 20 grille gll et la source sul du transistor Tll que la tension entre la grille g12 et la source s12 du transistor T12.

Cette situation apparaît donc soit lorsque le signal émis 25 par le capteur de courant différentiel Kdiff prend une valeur sensiblement différente de zéro, révélatrice d'une mise à la masse accidentelle d'un récepteur électrique alimenté par le fil actif LI, soit lorsque le signal émis par le capteur de courant total Ktot prend une valeur 30 supérieure à un seuil prédéterminé, révélatrice d'une surcharge du circuit alimenté par le fil actif LI, soit a fortiori lorsque les signaux reçus sur chacune des bornes c2 et c3 se situent tous les deux hors de leurs plages normales.

La valeur VO de la tension Vgs existant entre la grille et la source de chacun des transistors Tll et T12 est alors par exemple mise à zéro, les transistors Tll et T12 étant ainsi simultanément placés dans leur état bloqué.

Comme le montre la figure 2, l'interrupteur de l'invention, au lieu de ne comprendre qu'une seule branche Bi, peut comprendre une pluralité de branches notées Bi, B2, etc. jusqu'à Bn, o "n" désigne un nombre 10 entier au moins égal à deux.

Chaque branche remplit une fonction première identique à celle qui vient d'être décrite pour la branche Bi, à savoir que chaque branche telle que B2 ou Bn autorise 15 sélectivement la circulation, entre l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur, et indifféremment dans l'une ou l'autre des directions Xi et X2, d'un courant électrique, tel que Id2 ou Idn, représentant en l'occurrence une fraction du courant total Id circulant 20 entre l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur.

Chaque branche telle que Bi, B2, ou Bn est par exemple constituée par une paire correspondante de transistors MOSFET tels que Tll, T12, T21, T22 ou Tnl, Tn2, montés 25 entre l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur et dont chacun comprend un drain tel que dil, d12, d2l, d22, ou dnl, dn2, une source telle que s1l, s12, s21, s22 ou snI, sn2, et une grille telle que g1l, g12, g2l, g22, ou gnl, gn2, les transistors de chaque paire étant connectés l'un 30 à l'autre par leurs sources respectives.

Le circuit de polarisation POL est relié à ces différents transistors de manière à appliquer, entre la grille et la source de chacun de ces transistors, une tension de 35 polarisation Vgs prenant la valeur Vi ou la valeur VO selon que l'unité de commande COM ne détecte aucune anomalie sur aucune de ses bornes c2 et c3, ou au contraire détecte une anomalie sur l'une au moins de ces mêmes bornes.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Interrupteur électrique comprenant une entrée (E), une sortie (S), et au moins une première branche (Bl) 5 reliant la sortie (S) à l'entrée (E) et autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique (Idi), suivant l'une ou l'autre de deux directions opposées (Xl, X2), entre l'entrée et la sortie, caractérisé en ce que cette première branche (Bl) est 10 constituée par une première paire de composants semiconducteurs (Tll, T12) à effet de champ montés entre l'entrée (E) et la sortie (S) de l'interrupteur et dont chacun comprend au moins un drain (dll, d12), une source (sul, s12) et une grille (gil, g12), en ce que ces 15 composants (Tll, T12) sont connectés l'un à l'autre par leurs sources respectives (sul, s12), et en ce que cet interrupteur comprend des moyens de polarisation (POL) commandés pour adopter sélectivement un premier ou un second état dans lesquels ils appliquent respectivement, 20 entre la grille (gli, g12) et la source (sul, s12) de chaque composant (Tll, T12) de la première paire de composants, une première valeur (Vi) de tension de polarisation (Vgs) plaçant les composants de la première paire dans un état passant, ou une seconde valeur (VO) de 25 tension de polarisation (Vgs) plaçant les composants de la première paire dans un état bloqué.

2. Interrupteur électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une deuxième 30 branche (B2) autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique (Id2) suivant l'une ou l'autre des deux directions opposées (Xi, X2) entre l'entrée (E) et la sortie (S) de cet interrupteur, en ce que chaque branche (Bl, B2) est constituée par une paire 35 correspondante de composants semi-conducteurs (Tll, T12; T21, T22) à effet de champ montés entre l'entrée (E) et l1 la sortie (S) de l'interrupteur et dont chacun comprend au moins un drain (dl, d12; d21, d22), une source (sll, s12; s21, s22) et une grille (gll, g12; g21, g22), en ce que les composants (Tll, T12; T21, T22) de chaque paire 5 sont connectés l'un à l'autre par leurs sources respectives (sll, s12; s21, s22), et en ce que les moyens de polarisation (POL) appliquent respectivement, dans leur premier et leur second état, la première valeur (V1) de tension de polarisation (Vgs) ou la seconde valeur 10 (V0) de tension de polarisation entre la grille (gil, g12; g21, g22) et la source (sll, s12; s21, s22) de chaque composant (Tll, T12; T21, T22) de chaque paire de composants.

3. Interrupteur électrique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque composant (Tll, T12; T21, T22) est un transistor à effet de champ et à oxyde métallique.

4. Interrupteur électrique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que chaque transistor (Tll, T12; T21, T22) comporte un canal dopé négativement.

5. Application d'un interrupteur électrique suivant 25 l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'un disjoncteur.