FR3051610A1 - Circuit resonant pour interrupteur statique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un circuit de mise en forme d'un signal impulsionnel comportant, en série entre une première borne d'entrée (225) et une deuxième borne d'entrée (227) : un premier transistor MOS (M1) à canal N en parallèle avec un deuxième transistor MOS (M2) à canal P, chaque transistor étant en série avec une diode (D1, D2) ; et un circuit résonant passif (24)

Description

CIRCUIT RÉSONANT POUR INTERRUPTEUR STATIQUE

Domaine

La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, la commande d'un interrupteur de puissance à grille. La présente description concerne plus précisément un circuit compatible avec une commande d'un interrupteur statique à travers une isolation galvanique. Exposé de l'art antérieur

Les interrupteurs statiques à grille (transistors MOS, JFET, IGBT, etc.) sont largement utilisés dans la commande de circuits et dispositifs raccordés sur le réseau de distribution électrique ou alimentés par des tensions supérieures aux tensions supportées par les circuits électroniques de commande. Une isolation galvanique est alors requise entre le circuit de commande et la grille de l'interrupteur statique afin de protéger le circuit de commande et/ou l'utilisateur des tensions élevées.

Dans les circuits utilisant un transformateur d'isolement galvanique, qui sont plus particuliérement visés par la présente description, le circuit électronique de commande, en amont du transformateur (côté primaire) généré un signal en modulation de largeur d'impulsions (PWM) conditionnant les périodes de conduction souhaitées pour 1'interrupteur statique de puissance. La traversée du transformateur déforme ce signal (le transformateur d'isolement ne laissant passer que les fronts) et il est donc nécessaire de mettre en forme le signal prélevé au secondaire du transformateur pour reconstituer le signal en modulation de largeur d'impulsions devant être appliqué sur la grille de l'interrupteur statique.

Parmi les techniques de mise en forme possibles, la présente description concerne plus particulièrement celle utilisant un circuit résonant entre le secondaire du transformateur et la grille de l'interrupteur statique pour remettre en fo2utie le signal de commande.

Il existe un besoin d'améliorer les circuits résonants de mise en forme d'un signal de commande pour interrupteur statique à grille. Résumé

Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des circuits résonants de mise en forme d'un signal de commande pour interrupteur statique à grille et des circuits de commande d'un tel interrupteur.

Un mode de réalisation propose une solution compatible avec les circuits de commande à isolation galvanique.

Un mode de réalisation propose une solution ne requérant pas d'alimentation séparée du circuit de mise en forme.

Ainsi, un mode de réalisation prévoit un circuit de mise en forme d'un signal impulsionnel comportant, en série entre une première borne d'entrée et une deuxième borne d'entrée : un premier transistor MOS à canal N en parallèle avec un deuxième transistor MOS à canal P, chaque transistor étant en série avec une diode ; et un circuit résonant passif.

Selon un mode de réalisation, des grilles respectives des transistors sont reliées à la deuxième borne d'entrée.

Selon un mode de réalisation, des éléments résistifs sont intercalés entre les grilles respectives des transistors et la deuxième borne d'entrée, de préférence à l'exclusion de tout autre élément.

Selon un mode de réalisation, le circuit résonant passif comporte un élément inductif entre lesdites diodes et une première borne de sortie.

Selon un mode de réalisation, une deuxième borne de sortie est commune avec la deuxième borne d'entrée.

Selon un mode de réalisation, le circuit résonant passif comporte un élément capacitif entre les bornes de sortie.

Selon un mode de réalisation, le circuit comporte en outre un élément résistif en parallèle avec ledit élément capacitif.

Selon un mode de réalisation, les bornes d'entrée sont en outre interconnectées par un élément résistif.

Selon un mode de réalisation, les grilles et sources respectives des transistors sont reliées par un élément capacitif.

Un mode de réalisation prévoit également un circuit de commande d'un interrupteur statique, comportant un circuit de mise en forme, la première borne de sortie étant destinée à être connectée à une grille de l'interrupteur et la deuxième borne de sortie étant destinée à être connectée à une borne de conduction de 1'interrupteur.

Selon un mode de réalisation, les bornes d'entrée sont destinées à être connectées aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur d'isolement.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est un schéma-bloc simplifié d'un exemple d'architecture de circuit de commande d'un interrupteur statique du type auquel s'applique la présente description / la figure 2 représente un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un circuit de mise en forme du circuit de commande de la figure 1 ; et les figures 3A, 3B et 3C illustrent, sous forme de chronogrammes, le fonctionnement du circuit de la figure 2. Description détaillée

Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, la réalisation de l'interrupteur statique et du système applicatif qu'il commande, n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les interrupteurs statiques et leurs diverses applications. De plus, la génération du signal de commande en amont du transfomateur d'isolement galvanique n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant, là encore, compatibles avec les réalisations usuelles de génération d'un tel signal.

Il est à noter que, sur les figures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.

Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement" et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

La figure 1 est un schéma-bloc simplifié d'un exemple d'architecture de circuit de commande d'un interrupteur statique du type auquel s'applique la présente description. L'interrupteur statique 10 est un interrupteur à grille, c'est-à-dire commandé en tension. Par exemple, l'interrupteur 10 est un transistor MOS, un transistor à effet de champ (EET) , un transistor bipolaire grille isolée (IGBT), etc. Les bornes de conduction 12 et 14 (drain et source pour un transistor MOS, émetteur et collecteur pour un transistor IGBT, etc.) de l'interrupteur 10 sont raccordées à un circuit applicatif, par exemple un système domotique, un réseau haute tension (HDVDC), ou plus généralement une charge quelconque pour laquelle on souhaite bénéficier d'un isolement galvanique entre la commande et 1'application.

La grille 16 de l'interrupteur 10 ainsi qu'une de ses bornes de conduction (par exemple la source 14 d'un transistor MOS) sont raccordées à des bornes 221 et 223 (de sortie) d'un circuit 2 de mise en forme (SHAPER) d'un signal de commande prélevé au secondaire 32 d'un transformateur 3. Un enroulement primaire 34 du transformateur est relié à un étage basse tension 4 (CTRL) du circuit de commande. L'étage 4 fournit un signal impulsionnel au transformateur 3 conditionnant les périodes de conduction souhaitées pour l'interrupteur 10. Différentes techniques de génération du signal fourni au primaire 34 du transformateur 3 existent, par exemple, un pont en H transforme un signal en modulation de largeur d'impulsions, un signal en modulation de largeur d'impulsions est directement appliqué en entrée du transformateur, un signal impulsionnel est généré à partir d'une consigne continue, etc.

Le signal appliqué au primaire 34 du transformateur 3 se traduit, au secondaire 32 du transformateur, par un signal impulsionnel ne reproduisant que les fronts du signal d'entrée.

Le rôle du circuit 2 est de restituer un signal approximativement rectangulaire de commande de l'interrupteur 10, à partir des fronts présents aux bornes de l'enroulement secondaire 32.

Parmi les objectifs poursuivis, individuellement ou en combinaison, par les modes de réalisation de la présente description, on note : un besoin d'un circuit 2 de mise en forme sans source d'alimentation ; un circuit de mise en forme comportant exclusivement deux bornes 225 et 227 de raccordement au secondaire d'un transfomateur d'isolement et deux bornes 221 et 223 de raccordement à la grille et à une borne de conduction de 1'interrupteur statique / un besoin de traiter des impulsions de durée courtes telles que fournies par un transformateur ; une solution ne requérant que peu de composants ; une solution compatible avec la réception d'impulsions dans les deux sens de polarité.

La figure 2 représente un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un circuit de mise en forme du circuit de commande de la figure 1.

Ce circuit comporte deux bornes d'entrée 225 et 227, destinées à être connectées aux bornes de l'enroulement secondaire 32 du transfomateur d'isolement 3. Plus généralement, les bornes 225 et 227 sont destinées à recevoir des impulsions de courant de courtes durées par rapport à l'écart entre deux impulsions (dans un rapport d'au moins 5) . Dans l'exemple de la figure 2, les bornes 223 et 227 sont interconnectées.

Le circuit 2 comporte deux transistors MOS Ml et M2, respectivement à canal N et à canal P. Une des bornes de conduction (par exemple la source) de chaque transistor Ml, M2 est (directement) connectée à une des bornes (par exemple la borne 225) de l'enroulement 32. L'autre borne de conduction de chaque transistor Ml, M2, est reliée, par 1 ' intemédiaire d'une diode, respectivement Dl, D2, à un circuit passif 24 conditionnant la résonance. Les diodes Dl et D2 sont connectées en inverse, l'anode de la diode D2 étant connectée au drain du transistor M2 tandis que la cathode de la diode Dl est connectée au drain du transistor Ml. La cathode de la diode D2 et 1 ' anode de la diode Dl sont connectées ensemble à une première borne 242 du circuit 24.

Le circuit 24 comporte au moins un élément inductif Ll, entre la borne 242 et la borne 221 de sortie destinée à être connectée à la grille de l'interrupteur 10. De préférence, un élément capacitif Cl connecte les bornes 221 et 223. L'inductance Ll et le condensateur Cl déterminent la fréquence de résonance du circuit résonant que constitue le circuit 2 de mise en forme. Le cas échéant, la valeur de la capacité grille-source de l'Interrupteur 10 est suffisante pour assurer la résonance avec 1'Inductance L1 et le condensateur Cl est alors omis.

De préférence, une résistance RI (représentée en pointillés) relie les bornes 221 et 223 (est connectée en parallèle sur l'élément capacitif Cl). Le rôle de l'élément RI est d'éviter une commutation accidentelle de l'interrupteur 10 en forçant la décharge du condensateur Cl.

Les grilles respectives des transistors Ml et M2 sont reliées, de préférence par 1 ' intemédlalre de résistances R2 et R3, à la borne 227 (et 223). Le rôle des résistances R2 et R3 est d'éviter une auto-oscillation par l'inductance de l'enroulement 32 et les capacités de grille des transistors Ml et M2.

Le cas échéant, les grilles des transistors Ml et M2 sont connectées à leurs sources respectives par un élément capacitif C2, respectivement C3 (représentés en pointillés). Le rôle des éléments C2 et C3 est de stabiliser la commutation des périodes de conduction entre les transistors Ml et M2, notamment si les capacités parasites grille-source des transistors Ml et M2 sont trop faibles à cet égard.

De préférence, un élément résistif R4 (représenté en pointillés) relie les bornes 225 et 227 afin de stabiliser la tension aux bornes de l'enroulement 32.

Les figures 3A, 3B et 3C illustrent, par des chronogrammes, le fonctionnement du circuit de la figure 2. La figure 3A illustre un exemple d'allure d'impulsions reçues aux bornes de l'enroulement 32, soit de la tension VI d'entrée du circuit 2. La figure 3B illustre l'allure correspondante du courant I dans l'élément inductif L1. La figure 3C illustre l'allure correspondante de la tension de sortie VO du circuit, soit de la tension grille-source de l'interrupteur 10. Aux figures 3A et 3B, le niveau 0 correspond au potentiel des bornes 223 et 227 (qui peut être flottant selon les éléments connectés en aval).

Le signal VI comporte des impulsions de courtes durées provenant de l'amont du transformateur 3 (figure 1). Ces impulsions sont de courtes durées (au moins 5 fois moins) par rapport à la périodicité souhaitées pour le signal de commande.

En supposant l'élément Cl initialement déchargé, un premier front (impulsion ou front d'un signal rectangulaire) présent au primaire (34, figure 1) du transformateur 3 se traduit par une impulsion correspondante aux bornes de l'enroulement 32. Le sens de l'impulsion du signal VI est, selon la constitution du transformateur (sens respectifs des enroulements 32 et 34) , inversé ou non par rapport au front présent sur 1'enroulement 32.

En présence d'une impulsion négative sur la tension VI, le transistor M2 à canal P est passant (tension grille-source négative) et le transistor Ml est bloqué. Avec les conventions de sens prises aux figures, un courant positif circule dans la diode D2 et l'inductance Ll, et charge le condensateur Cl (la capacité grille-source de l'interrupteur 10) avec une tension positive. Cette charge s'effectue à une valeur valant approximativement deux fois la tension VI aux bornes de l'enroulement 32, qui dépend du rapport de transformation du transformateur et, si elle est présente, de la valeur de la résistance R4. Quand cette valeur est atteinte aux bornes de l'élément Cl, la diode D2 se bloque automatiquement par annulation du courant qui la traverse. A l'apparition de l'impulsion suivante (positive) sur la tension VI, le transistor Ml à canal N devient passant (tension grille-source positive) et le transistor M2 est bloqué. Un courant circule dans le condensateur Cl, l'inductance Ll et la diode Dl, et charge le condensateur Cl (la capacité grille-source de l'interrupteur 10) avec une tension négative. Cette charge s'effectue, en valeur absolue, à la même valeur que pour les impulsions négatives. Quand cette valeur est atteinte aux bornes de l'élément Cl, la diode Dl se bloque automatiquement par annulation du courant qui la traverse.

Entre deux impulsions successives, la capacité Cl maintient la charge, donc la tension grille-source (positive ou négative) de l'interrupteur statique.

Ainsi, avec les conventions de signe des tensions et courant prises aux figures, le courant I dans l'inductance I reproduit, avec une polarité inversée, les impulsions du signal VI. Côté tension de sortie, la présence de l'élément capacitif Cl (intrinsèque ou ajouté), combinée avec la présence de l'inductance L1 pour créer un circuit résonant, se traduit par un signal de sortie VO, approximativement rectangulaire, alternativement positif et négatif.

Le dimensionnement du circuit 2, et plus particulièrement le choix des éléments L1 et Cl, dépend de la largeur maximale des impulsions possibles sur le signal de sortie VO, donc de l'intervalle maximal entre deux impulsions de signe opposé, appliquées en entrée du circuit. Plus particulièrement, les valeurs des éléments L1 et Cl sont choisies telles que l'écart minimal entre deux impulsions du signal d'entrée VI est supérieur à approximativement la demi-période de la fréquence de résonance l/27rVflX Cl du circuit résonant.

Selon la nature de l'interrupteur statique 10 connecté en sortie, ce dernier conduit pendant les impulsions négatives ou positives du signal VO.

Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'ils permettent de commander un interrupteur statique à partir d'un signal impulsionnel. Ainsi, ces réalisations sont compatibles avec l'utilisation d'un transfomateur d'isolement qui ne transmet que des impulsions courtes représentant les fronts montants et descendants d'un signal de commande.

Un autre avantage est que le circuit décrit respecte une complète isolation entre la partie commande en amont du transfomateur et l'interrupteur statique.

Un autre avantage des modes de réalisation décrits est que le circuit de mise en forme a une structure particulièrement simple. Cette simplicité provient, entre autres, de l'interconnexion des sources des transistors Ml et M2 à l'une des bornes d'entrée et de la connexion, directe ou le cas échéant avec interposition d'une résistance (R2 ou R3) , des grilles des transistors à l'autre borne d'entrée.

Un autre avantage est que ce circuit ne nécessite aucune tension d'alimentation. Il est autoalimenté par les impulsions du signal d'entrée.

Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que les modes de réalisation aient été décrits en relation avec une commande par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement, ils s'appliquent plus généralement à la commande de tout interrupteur statique à grille à partir d'un signal impulsionnel présenté en entrée du circuit de mise en forme. Par ailleurs, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme de métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Circuit de mise en forme d'un signal impulsionnel comportant, en série entre une première borne d'entrée (225) et une deuxième borne d'entrée (227) : un premier transistor MOS (Ml) à canal N en parallèle avec un deuxième transistor MOS (M2) à canal P, chaque transistor étant en série avec une diode (Dl, D2) ; et un circuit résonant passif (24).
2. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel des grilles respectives des transistors (Ml, M2) sont reliées à la deuxième borne d'entrée (227).
3. 3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel des éléments résistifs (R2, R3) sont intercalés entre les grilles respectives des transistors (Ml, M2) et la deuxième borne d'entrée (227), de préférence à l'exclusion de tout autre élément.
4. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit résonant passif (24) comporte un élément inductif (Ll) entre lesdites diodes (Dl, D2) et une première borne de sortie (221) .
5. 5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel une deuxième borne de sortie (223) est commune avec la deuxième borne d'entrée (227) .
6. 6. Circuit selon la revendication 5, dans lequel le circuit résonant passif (24) comporte un élément capacitif (Cl) entre les bornes de sortie (221, 223).
7. 7. Circuit selon la revendication 6, comportant en outre un élément résistif (RI) en parallèle avec ledit élément capacitif (Cl) .
8. 8. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les bornes d'entrée (225, 227) sont en outre interconnectées par un élément résistif (R4).
9. 9. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les grilles et sources respectives des transistors (Ml, M2) sont reliées par un élément capacitif (C2, C3) .
10. 10. Circuit de commande d'un interrupteur statique (10), comportant un circuit de mise en forme (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, la première borne de sortie (221) étant destinée à être connectée à une grille (16) de l'interrupteur et la deuxième borne de sortie (223) étant destinée à être connectée à une borne de conduction (14) de l'interrupteur.
11. 11. Circuit selon la revendication 10, dans lequel les bornes d'entrée (225, 227) sont destinées à être connectées aux bornes d'un enroulement secondaire (32) d'un transformateur (3) d'isolement.