FR3053187B1 - Circuit de commande d'un transistor et procede de commande associe - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un circuit de commande (10) d'au moins un transistor (5), ledit circuit de commande (10) étant configuré pour délivrer au moins un signal de sortie à une électrode de commande (5a) du transistor (5), ledit signal de sortie étant configuré pour commander un état de commutation du transistor correspondant à l'un parmi un état passant et un état bloquant dudit transistor, le circuit de commande (10) étant configuré pour délivrer au moins deux niveaux de courant distincts correspondant à un même état de commutation du transistor, et le circuit de commande (10) comprenant une unité de traitement configurée pour sélectionner un niveau de courant du signal de sortie, parmi lesdits, au moins deux, niveaux de courant distincts, en fonction d'un signal représentatif de la température du transistor (5)
Description
Circuit de commande d'un transistor et procédé de commande associé L’invention concerne un circuit de commande d'au moins un transistor, ainsi qu’un circuit électronique comprenant ledit circuit de commande, et un procédé de commande d'au moins un transistor.
Les dispositifs semiconducteurs sont très utilisés dans les convertisseurs de puissance comme par exemple les onduleurs, notamment dans les véhicules automobiles.
Cependant, dans le cas des véhicules automobiles, ces dispositifs semiconducteurs sont utilisés sur de larges gammes de température puisqu'au moment du démarrage, le dispositif semiconducteur peut être à une température largement inférieure à 0°C, par exemple -30°C et peut atteindre une température supérieure à 150°C dans certaines conditions d'utilisation.
Or, le fonctionnement et les caractéristiques du dispositif semiconducteur peuvent varier suivant sa température d'utilisation. Dans les convertisseurs de puissance, les dispositifs semiconducteurs comprennent généralement des transistors associés à des diodes en antiparallèle. Lors de la fermeture (passage à l'état passant) du transistor, la diode se bloque pour ne plus permettre un passage du courant. De manière transitoire, des oscillations de courant et de tension, appelées « snap off » en anglais, peuvent alors apparaître aux bornes de la diode, en particulier à basse température. Ces oscillations de courant et de tension peuvent créer des surtensions qui peuvent conduire à une baisse de rendement ainsi qu'une dégradation du dispositif semiconducteur.
En outre, les diodes ainsi que les transistors présentent une tension de claquage au-delà de laquelle ils perdent leur fonctionnalité. Il convient donc d'utiliser ces composants à une tension inférieure à leur tension de claquage. Cependant, cette tension de claquage varie également en fonction de la température de sorte qu'ils doivent être dimensionnés pour fonctionner correctement sur l'ensemble de la gamme de température d'utilisation, notamment en fonction des températures les plus basses, ce qui tend à diminuer le rendement du convertisseur aux températures plus élevées.
Il convient donc de trouver une solution permettant d’améliorer l’utilisation du transistor sur l'ensemble de la gamme de température d'utilisation tout en limitant au maximum le risque de dégradation du transistor. A cet effet, la présente invention concerne un circuit de commande d'au moins un transistor, dit transistor commandé, ledit circuit de commande étant configuré pour délivrer au moins un signal de sortie à une électrode de commande du transistor commandé, ledit signal de sortie étant configuré pour commander un état de commutation du transistor correspondant à l’un parmi un état passant et un état bloquant dudit transistor, le circuit de commande étant configuré pour délivrer au moins deux niveaux de courant distincts correspondant à un même état de commutation du transistor commandé, et le circuit de commande comprenant une unité de traitement configurée pour sélectionner un niveau de courant du signal de sortie, parmi lesdits, au moins deux, niveaux de courant distincts, en fonction d’un signal représentatif de la température du transistor commandé.
Notamment, par niveau de courant, on entend une valeur d’intensité de courant.
Selon un mode de réalisation, l'unité de traitement est configurée pour sélectionner un premier desdits niveau de courant lorsque la température du transistor commandé est en-dessous d'un seuil ; et un deuxième desdits niveaux de courant lorsque la température du transistor commandé est au-dessus dudit seuil.
Selon un mode de réalisation, le seuil est compris entre 0 et 70°C, voire entre 10°C et 50°C.
Selon un mode de réalisation, ledit circuit de commande est configuré pour délivrer un premier niveau de courant d'ouverture ou un deuxième niveau de courant d'ouverture supérieur au premier niveau de courant d'ouverture en fonction du signal représentatif de la température du transistor commandé, pour commander un état passant du transistor commandé.
Selon un mode de réalisation, ledit circuit de commande est configuré pour délivrer un premier niveau de courant de fermeture ou un deuxième niveau de courant de fermeture supérieur au premier niveau de courant de fermeture en fonction du signal représentatif de la température du transistor commandé, pour commander un état bloquant du transistor commandé.
Selon un mode de réalisation, le circuit de commande comprend : - un dispositif de commande configuré pour générer des signaux de commande ; et - une résistance, dite résistance de grille, disposée entre le dispositif de commande et une borne de sortie du circuit de commande.
Notamment, la borne de sortie est la borne du circuit de commande délivrant ledit signal de sortie.
Selon une variante, le dispositif de commande est configuré pour générer des signaux de commande ayant au moins deux niveaux de tension distincts correspondant à un même état de commutation dudit transistor commandé, chacun desdits niveaux de tension correspondant à un desdits niveaux de courant.
Selon une variante, le circuit de commande est configuré pour modifier la valeur de la résistance de grille afin de modifier le niveau de courant du signal de sortie.
Selon une variante, le circuit de commande comprend une résistance de grille additionnelle disposée dans une branche parallèle à la résistance de grille, ladite branche parallèle comprenant également un interrupteur configuré pour mettre en conduction électrique ou non la branche parallèle.
Selon une variante, l'unité de traitement est configurée pour commander l'ouverture et la fermeture de l’interrupteur et le circuit de commande comprend un élément d'isolation électrique, ou un circuit de décalage de niveau (« level shifter » en anglais), entre l'unité de traitement et l’interrupteur.
En particulier, l’élément d'isolation électrique peut comprendre un élément de couplage optique, notamment un optocoupleur.
En particulier,, l’élément d'isolation électrique peut comprendre un élément de couplage capacitif ou un élément de couplage magnétique et/ou inductif.
En particulier,, le dispositif de commande peut comprendre également un amplificateur comprenant une barrière de potentiel et disposé entre l'unité de traitement et le transistor commandé ; et l’élément d'isolation électrique est réalisé par la barrière de potentiel de l'amplificateur.
En particulier, le circuit de commande peut comprendre également un condensateur relié à l'émetteur du transistor commandé et l’élément d'isolation électrique est réalisé par une technique d'amorçage dans laquelle la charge du condensateur est utilisée pour commander l’interrupteur.
Selon un mode de réalisation, le circuit de commande comprend : - une première branche comprenant : - une première résistance de grille configurée pour transmettre le signal de sortie commandant un état passant du transistor commandé et, - une première diode disposée en série de la première résistance de grille, - une deuxième branche disposée en parallèle de la première branche et comprenant : - une deuxième résistance de grille configurée pour transmettre le signal de sortie commandant un état bloquant du transistor commandé et, - une deuxième diode disposée en série de la deuxième résistance de grille et dont le sens passant est opposé à celui de la première diode. L’invention concerne également un circuit électronique comprenant : - au moins un transistor, dit transistor commandé, et -un circuit de commande selon l’invention pour commander ledit transistor, dans lequel l'unité de traitement est configurée pour sélectionner le premier niveau de courant d’ouverture lorsque la température du transistor commandé est en-dessous du seuil, et le deuxième niveau de courant d’ouverture lorsque la température de transistor commandé est au-dessus du seuil, ledit premier niveau de courant d’ouverture, ledit deuxième niveau de courant d’ouverture, et ledit seuil étant sélectionnés pour limiter les oscillations de courant lors du passage d’un état bloquant à un état passant. L’invention concerne aussi un circuit électronique comprenant : - au moins un transistor, dit transistor commandé, et au moins une diode montée en anti-parallèle dudit transistor ; -un circuit de commande selon l’invention pour commander ledit transistor, dans lequel l'unité de traitement est configurée pour sélectionner le premier niveau de courant de fermeture lorsque la température du transistor commandé est en-dessous du seuil et le deuxième niveau de courant de fermeture lorsque la température de transistor commandé est au-dessus du seuil, ledit premier niveau de courant de fermeture, ledit deuxième niveau de courant de fermeture, et ledit seuil étant sélectionnés en fonction des tensions de claquage du transistor commandé et de la diode associée.
Selon un mode de réalisation, le circuit électronique comprend un capteur de température disposé au niveau du transistor commandé et connecté au circuit de commande pour transmettre le signal représentatif de la température du transistor commandé.
Selon un mode de réalisation, le signal représentatif de la température du transistor commandé est obtenu à partir d’un modèle, notamment lorsque le circuit électronique comprend un capteur de température situé à distance du transistor commandé ou un capteur de température ayant du retard et/ou une erreur par rapport à la température réelle du transistor commandé. L’invention concerne également un procédé de commande d'au moins un transistor, dit transistor commandé, comprenant une électrode de commande sur laquelle est transmise des signaux de commande, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape de détection de la température du transistor commandé, - une étape de comparaison entre ladite température et au moins un seuil, - une étape de sélection d'un niveau de courant, parmi au moins deux niveaux de courant distincts correspondant à un même état de commutation du transistor commandé, en fonction du résultat de l'étape de comparaison, - une étape de transmission audit transistor commandé d’au moins un signal de commande avec le niveau de courant sélectionné. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, des modes de réalisation possibles.
Sur ces dessins: - la figure 1 représente un schéma d'un onduleur triphasé ; - la figure 2 représente un schéma d'un circuit de commande d'un transistor ; - la figure 3 représente un schéma d'un circuit de commande d'un transistor dans lequel la résistance de grille peut être modifiée selon un premier mode de réalisation ; - la figure 4 représente un schéma d’un exemple de réalisation d'une unité de traitement du circuit de commande ; - la figure 5 représente un schéma d'un circuit de commande d'un transistor dans lequel la résistance de grille peut être modifiée selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 6 représente un graphique représentant un exemple d'évolution de la tension de claquage d'un transistor ou d'une diode en fonction de la température d'utilisation ; - la figure 7 représente un schéma d'un circuit de commande des transistors d'un onduleur triphasé selon un premier mode de réalisation ; - la figure 8 représente un schéma d'un circuit de commande des transistors d'un onduleur triphasé selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 9 représente un schéma d'un circuit de commande des transistors d'un onduleur triphasé selon un troisième mode de réalisation ;
Sur ces figures, les mêmes numéros de référence désignent des éléments ayant une fonction identique.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. L'indexage des modes de réalisation n'implique pas d'ordre de préférence entre les différents modes de réalisation mais présente seulement les différentes alternatives de réalisation.
Dans la description qui va suivre, on désigne de façon générale:
Le terme «IGBT» renvoie à l'acronyme anglais Insulated Gâte Bipolar Transistor et correspond à un transistor de type bipolaire à grille isolée;
Le terme « MOSFET » renvoie à l'acronyme anglais Métal Oxyde Semiconductor Filed Effect Transistor et correspond à un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde.
Les termes “NPN” and “PNP” renvoient à un type de transistor et notamment au type de jonctions utilisées dans le transistor. Un transistor de type NPN comprend deux jonctions P-N ayant une couche de type P commune et un transistor de type PNP comprend deux jonctions P-N ayant une couche de type N commune. Une couche de type N correspond à une couche ayant un excès d'électrons tandis qu'une couche de type P correspond à une couche avec un excès de trous.
Le terme « FPGA» est l'acronyme anglais Field programmable gâte array et désigne un réseau de portes programmables in situ ;
Le terme « ASIC » est l'acronyme anglais Application Spécifie Integrated Circuit et désigne un circuit intégré propre à une application.
La figure 1 représente un schéma d'un onduleur 1 permettant d'alimenter un moteur électrique triphasé 3, par exemple un moteur électrique 3 d'un véhicule électrique ou hybride. L'onduleur 1 comprend trois branches Bl, B2 et B3 montées en parallèle et reliées à une source d'alimentation 4, par exemple une batterie. Chacune des branches Bl, B2, B3 comprend un premier et un deuxième transistor 5, dits transistors commandés 5, montés en série, chacun des transistors commandés 5 étant associé à une diode 7 montée en antiparallèle. Les points milieux des branches (situés entre le premier et le deuxième transistors commandés 5) sont reliés aux phases du moteur électrique 3. Généralement, la commutation des transistors commandés 5 peut être pilotée à partir de signaux de modulation à largeur d'impulsions (« pulse-width modulation (PWM) » en anglais) ou d’autres types de signaux tels que par exemple des signaux sinusoïdaux de modulation à largeur d'impulsions (« sinusoïdal pulse-width modulation (SPWM) en anglais »), ou des signaux à haut plat et base plate (« Hat top Hat bottom (FTFB) » en anglais).
La figure 2 représente un exemple d'un circuit de commande 10 d'un transistor commandé 5. L'ouverture et la fermeture des transistors commandés 5 sont pilotées par un circuit de commande 10 configuré pour transmettre des signaux de commande à l'électrode de commande 5a du transistor commandé 5 pour piloter l'ouverture (mode bloquant) ou la fermeture (mode passant) du transistor commandé 5. Le circuit de commande 10 comprend un dispositif de commande 9 comprenant une unité de traitement 6 configurée pour générer des signaux de modulation à largeur d'impulsions et un amplificateur 8 aussi appelé « driver » en anglais pour mettre en forme et adapter les signaux émis par l'unité de traitement 6. Les signaux de commande sont alors envoyés sur une sortie 9a du dispositif de commande 9. L'unité de traitement 6 est par exemple un microcontrôleur ou un microprocesseur ou un circuit logique programmable, notamment de type FPGA, ASIC, ou CPLD.
De plus, le circuit de commande 10 comprend une résistance, dite résistance de grille et notée Rg, entre le dispositif de commande 9 et le transistor commandé 3. Afin d'améliorer le fonctionnement du transistor commandé 5, on utilise généralement une première résistance de grille Rgon pour piloter la fermeture du transistor commandé 5 et une deuxième résistance de grille Rgoff pour piloter l'ouverture du transistor commandé 5 disposée en parallèle de la première résistance de grille Rgon. De plus, la première Rgon et la deuxième Rgoff résistances de grille sont chacune couplée en série à une diode respective lia, 11b, passante vers le transistor commandé 5 pour la première résistance de grille Rgon et passante vers le dispositif de commande 9 pour la deuxième résistance de grille Rgoiï.
Niveaux de courant utilisés pour commander le transistor commandé
On utilise au moins deux niveaux de courant distincts pour piloter l'ouverture et/ou la fermeture d'un transistor commandé 5. En effet, le niveau de courant fourni à l'électrode de commande 5a du transistor commandé 5 permet de contrôler la vitesse de commutation du transistor commandé 5. Cette vitesse est d'autant plus importante que l'intensité du courant fourni est importante.
De plus, le choix d'un niveau de courant dépend de la température au niveau du transistor commandé 5. Cette température est par exemple mesurée par un capteur de température 23, tel qu'un thermocouple, disposé à proximité du transistor commandé 5 et reflétant la température du transistor commandé 5. Tout autre dispositif ou moyen permettant de mesurer la température du transistor commandé 5 peut également être utilisé. Par exemple, la température du transistor commandé 5 peut être obtenue avec un capteur à coefficient de température négatif (ou CTN), ou un capteur à coefficient de température positif (ou CTP). Le capteur de température peut aussi être un capteur de température intégré dans la puce semiconductrice contenant le transistor commandé 5.
Les transistors commandés 5 d'un onduleur 1 peuvent être proches les uns des autres de sorte que leur température est généralement sensiblement la même. Dans ce cas, il est également possible d'utiliser un seul capteur de température commun à plusieurs transistors commandés 5. Le dispositif de commande 9 comprend une unité de traitement 6, par exemple un microcontrôleur, apte à recevoir l'information concernant la température du transistor commandé 5 et à déterminer le niveau de courant à appliquer à l'électrode de commande du transistor commandé 5 en fonction de la température du transistor commandé 5.
Les différents moyens de faire varier l'intensité du courant fourni à l'électrode de commande 5a du transistor commandé 5 vont maintenant être décrits en détails. 1) Premier mode de réalisation
Selon un premier mode de réalisation, le dispositif de commande 9 est configuré pour recevoir l'information correspondant à la température du transistor commandé 5 et pour fournir des niveaux de tension distincts en fonction de la température mesurée. Le dispositif de commande 9 comprend par exemple une unité de traitement 6 configurée pour comparer la température mesurée à un ou plusieurs seuils de température prédéterminés et pour transmettre, via l'amplificateur 8, un signal de commande sur la sortie 9a dont le niveau de tension dépend de la température mesurée. Le niveau de courant reçu par l'électrode de commande 5a du transistor commandé 5 dépendra du niveau de tension émis par le dispositif de commande 9 et sera d'autant plus élevé que le niveau de tension sera élevé.
Ces niveaux de tension distincts émis par le dispositif de commande 9 sur sa sortie 9a peuvent être utilisés pour les signaux de commande pour le passage en mode bloquant (ouverture) et/ou pour le passage en mode passant (fermeture) du transistor commandé 5. De plus, le seuil de température utilisé pour les signaux d'ouverture et de fermeture du transistor commandé 5 peuvent être les mêmes ou peuvent être distincts. Ainsi, un premier niveau de tension prédéterminé procurant un premier niveau de courant de fermeture à l'électrode de commande du transistor commandé 5 pour les températures inférieures à un seuil de fermeture prédéterminé, et un deuxième niveau de tension, supérieur au premier niveau de tension, procurant un deuxième niveau de courant de fermeture pour les températures supérieures au seuil de fermeture prédéterminé peuvent par exemple être choisis pour les signaux de fermeture, c'est-à-dire les signaux permettant de passer d'un état bloquant à un état passant. Le seuil de fermeture est par exemple compris entre 0 et 70°C, voire entre 10 et 50°C. En particulier, le seuil de fermeture est égal à 40°C.
De la même manière, un troisième niveau de tension procurant un premier niveau de courant d'ouverture à l'électrode de commande du transistor commandé 5 pour les températures inférieures à un seuil prédéterminé d'ouverture, et un quatrième niveau de tension, supérieur au troisième niveau de tension, procurant un deuxième niveau de courant d'ouverture pour les températures supérieures au seuil prédéterminé d'ouverture peuvent par exemple être choisis pour les signaux d'ouverture du transistor commandé 5, c'est-à-dire pour le passage de l'état passant à l'état bloquant. Le seuil d’ouverture est par exemple compris entre 0 et 70°C, voire entre 10 et 50°C. En particulier, le seuil de fermeture est égal à 40°C. 2) Deuxième mode de réalisation
Selon un deuxième mode de réalisation, les signaux de commande envoyés par le dispositif de commande 9 sur sa sortie 9a ont toujours le même niveau de tension et le niveau de courant du signal transmis au niveau de l'électrode de commande 5a du transistor commandé 5 est modifié en modifiant la valeur de la résistance de grille Rg.
La valeur de la résistance de grille Rg est modifiée par exemple en connectant ou non une résistance supplémentaire en parallèle. Alternativement, on pourrait également connecter ou non une résistance supplémentaire en série.
La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un circuit de contrôle 12 de la valeur de la deuxième résistance de grille Rgoiï. La deuxième résistance de grille Rgoff est remplacée par deux résistances notées Rgoffl et Rgoff_2 disposées dans deux branches parallèles dont l'une des branches, ici la branche de Rgoff_2 comprend un premier moyen de commutation 13, par exemple un premier transistor, configuré pour connecter ou non la résistance Rgoff_2. En effet, lorsque le premier transistor 13 est en mode passant la valeur de la résistance Rgoff correspond à la valeur de la résistance équivalente des deux résistances Rgoff l et Rgoff_2 en parallèle et lorsque le premier transistor 13 est en mode bloquant la valeur de la résistance Rgoff correspond à la valeur de la résistance Rgoff l. Le premier transistor 13 est par exemple un transistor bipolaire ou un transistor MOSFET. L'électrode de commande du premier transistor 13 est reliée au collecteur d'un deuxième transistor 15 via une première résistance RI. Le deuxième transistor 15 est par exemple un transistor bipolaire ou un transistor MOSFET. L'électrode de commande du deuxième transistor 15 est reliée d'une part à une sortie 9b du dispositif de commande 9 dédiée au pilotage du circuit de contrôle 12 via une deuxième résistance R2 et d'autre part à la masse du dispositif de commande 9 via une troisième résistance R3. L'émetteur du deuxième transistor 15 est également relié à la masse du dispositif de commande 9. Le dispositif de commande 9 est configuré pour transmettre au niveau de sa sortie 9b des signaux, issus par exemple de l'unité de traitement 6, pour contrôler la commutation du premier transistor 13 via le deuxième transistor 15. Ainsi, lorsque la température mesurée du transistor commandé 5 est supérieure au seuil prédéterminé, par exemple 40°C, le dispositif de commande 9 émet, sur sa sortie 9b, un signal haut configuré pour faire passer le deuxième transistor 15 dans un état passant ce qui rend le premier transistor 13 passant également de sorte que la résistance Rgoff_2 est mise en parallèle à la résistance Rgoffl. La valeur de la résistance Rgoff est alors réduite de sorte que le niveau de courant fourni à l'électrode de commande 5a du transistor commandé 5 pour passer en mode bloquant est plus important. Le passage en mode bloquant est alors plus rapide lorsque la température est supérieure au seuil prédéterminé.
Le choix des résistances Rgoff l et Rgoff_2 permet d'obtenir les vitesses désirées pour le passage à l'état bloquant pour les températures inférieures et supérieures au seuil.
Par ailleurs, la sortie 9b du dispositif de commande 9 peut être remplacée par une unité de traitement additionnelle 17 externe au dispositif de commande 9 pour contrôler les premier 13 et deuxième 15 transistors.
La figure 4 représente un exemple de réalisation d'une unité de traitement additionnelle 17. L'unité de traitement additionnelle 17 comprend un amplificateur opérationnel 19 dont la première entrée est reliée à un premier pont diviseur de tension 21, alternativement un pont de Wheatstone peut aussi être utilisé, dont l'une des résistances est réalisée par le capteur de température 23 du transistor commandé 5 et la deuxième entrée est reliée à un deuxième pont diviseur 25, ou un pont de Wheatstone, dont les valeurs des résistances sont déterminées pour que le signal de sortie correspondent au signal de sortie du premier pont diviseur 21 lorsque la température correspondant au seuil prédéterminé. La sortie de l'amplificateur opérationnel 19 correspond à la sortie de l'unité de traitement additionnelle 17 et est destinée à être reliée au deuxième transistor 15. Ainsi, l'amplificateur opérationnel 19 joue le rôle de comparateur dont le signal de sortie varie lorsque la température mesurée du transistor commandé est en-dessous ou au-dessus du seuil prédéterminé.
Il est bien évidemment possible d'adapter les circuits des figures 2, 3 et 4 pour avoir plusieurs seuils prédéterminés et plusieurs niveaux de tension associés aux différents seuils, par exemple en augmentant le nombre de circuits de contrôle 12 et le nombre de résistances
Rgoff en parallèle.
Par ailleurs, la modification de la résistance de grille Rg décrite précédemment peut s'appliquer de la même manière à la résistance Rgon comme représenté sur la figure 5, le fonctionnement étant similaire au fonctionnement décrit pour la résistance Rgoff à partir de la figure 3. Les dispositifs des figures 3 et 5 pouvant être combinés de manière à faire varier à la fois la résistance Rgon et la résistance Rgoff en fonction de la température. Les valeurs des résistances Rgon et Rgoff pouvant être différentes l'une de l'autre de même que le(s) seuil(s) de température pour faire varier la valeur de la résistance Rgon et le(s) seuil(s) pour faire varier la résistance Rgoff peuvent être différents l(es)'un(s) de(s) l'autre(s).
Il est également à noter que certains éléments du dispositif de commande 9 peuvent être communs à plusieurs transistors commandés 5. En effet, les températures des transistors commandés 5 étant généralement sensiblement égales, la valeur de la résistance de grille Rg à utiliser va également être la même de sorte que les éléments de mesure et de comparaison avec le ou les seuils prédéterminés peuvent être communs à plusieurs transistors commandés 5, le signal dédié à la commande du circuit de contrôle 12 issu de la sortie 9b du dispositif de commande 9 ou de l'unité de traitement additionnelle 17 étant alors transmis au deuxième transistor 15 associé aux différents transistors commandés 5. Cependant, il conviendra dans ce cas d’utiliser un circuit de décalage de niveau (« level shifter » en anglais), ou d'assurer une isolation électrique entre les signaux de commande des différents deuxièmes transistors 15, par exemple via un transformateur, du fait de la différence de potentiel entre deux transistors commandés 5.
Ainsi, les modes de réalisation décrits précédemment permettent de faire varier le courant utilisé pour les signaux de commande provoquant le passage à l'état bloquant (ouverture) et/ou le passage à l'état passant (fermeture) du transistor commandé 5 en fonction de la température du transistor commandé 5.
Dans le cas du passage à l'état passant, la diminution du courant lorsque la température est basse, par exemple inférieure à 40°C, permet de réduire la vitesse de fermeture du transistor commandé 5 et ainsi de réduire, voire de supprimer, les ondulations de courant (phénomène « snap off ») tandis que l'augmentation du courant lorsque la température est haute, par exemple supérieure à 40°C, permet un passage rapide à l'état passant qui optimise le rendement du transistor commandé 5 et du convertisseur de puissance associé, ici l'onduleur 1.
Dans le cas du passage à l'état bloquant, la diminution du courant lorsque la température est basse, par exemple inférieure à 40°C, permet de réduire la vitesse d'ouverture du transistor commandé 5 et ainsi de limiter le niveau des surtensions au niveau des électrodes du transistor commandé 5 autres que l'électrode de commande 5a et ainsi de supprimer le risque de claquage du transistor commandé 5 ou de la diode 7 associée tandis que l'augmentation du courant lorsque la température est haute, par exemple supérieure à 40°C, permet un passage rapide à l'état bloquant qui optimise le rendement du transistor commandé 5 et du convertisseur de puissance 1 associé.
Cette optimisation est possible du fait que la tension de claquage du transistor commandé 5 et de la diode 7 augmente avec la température.
La figure 6 représente un exemple d'une courbe Cl représentant la tension de claquage d'un transistor commandé 5 et/ou d'une diode 7 et d'une courbe C2 correspondant à une fraction de la tension de claquage, par exemple 90% de la tension de claquage. Les limites inférieure Linf et supérieure Lsup correspondent à l'étendue d'utilisation en température du transistor commandé 5 et/ou de la diode 7, ici entre -40°C et +150°C. L'utilisation de deux niveaux de courant, un premier niveau NI en-dessous d'un seuil SI sensiblement égal à 70°C et un deuxième niveau N2 au-dessus du seuil SI permettent donc d'optimiser l'utilisation des capacités du convertisseur de puissance, ici un onduleur 1, sur l'ensemble de la plage de température d'utilisation et de ne pas être limité à la tension de claquage associée à la température d'utilisation la plus faible. De plus, à partir de la figure 6, on voit qu'il est possible d'augmenter le nombre de seuils utilisés de manière à être le plus proche possible de la courbe C2 sur l'ensemble de la plage de température d'utilisation.
Indépendance des commandes des transistors
Dans chaque branche Bl, B2, B3, le transistor 5 « côté haut » c’est-à-dire référencé à la tension haute, peut être référencé à la tension de la source d’alimentation 4. En particulier, cette source d’alimentation 4 peut délivrer plusieurs centaines de volts. Pour éviter une perturbation du transistor 5 « côté bas » (c’est-à-dire relié à la masse), il peut être prévu un élément d’isolation électrique ou un circuit de décalage de niveau (« level shifter » en anglais) entre les transistors commandés 5 d'une part et le dispositif de commande 9 ou l'unité de traitement additionnelle 17 d'autre part ; en particulier seulement entre les transistors commandés 5 situés « côté haut » d'une part et le dispositif de commande 9 ou l'unité de traitement additionnelle 17 d'autre part. 1) Premier mode de réalisation
Selon un premier mode de réalisation, une isolation électrique est réalisée par un découplage optique, magnétique ou capacitif. La figure 7 représente un schéma d'un circuit de commande 10 d'un onduleur triphasé 1 tel que décrit sur la figure 1. Un amplificateur 8 est associé à chaque transistor commandé 5. Les amplificateurs 8 sont reliés à une source d'alimentation 41, par exemple une batterie. Cette source d’alimentation 41 peut être obtenue à partir de la source d’alimentation 4 alimentant les branches Bl, B2, B3 de l'onduleur 1, grâce à un convertisseur de tension continu/continu. Ce convertisseur est par exemple un convertisseur continu/continu isolé. La source d’alimentation 41 peut-être identique pour les deuxième, troisième et quatrième modes de réalisation ci-après décrits. Les amplificateurs 8 sont également reliés à l'unité de traitement 6. L'unité de traitement 6 reçoit les signaux correspondant aux mesures de température des transistors commandés 5 et délivre, d'une part, les signaux de modulation à largeur d'impulsions aux amplificateurs 8 pour piloter la commutation des transistors commandés 5 et, d'autre part, les signaux de commande des circuits de contrôle 12 des résistances de grille Rg.
Les amplificateurs 8 comprennent une barrière de potentiel 14, représentée par un trait en pointillés, pour assurer une isolation électrique entre l'unité de traitement 6 et la source d'alimentation 41 d'une part et les transistors commandés 5 d'autre part. Afin d'assurer l'isolation électrique au niveau des circuits de contrôle 12, des découpleurs 18 sont utilisés dans les circuits de contrôle 12 ce qui permet d'obtenir une barrière de potentiel 14 également au niveau de ces circuits de contrôle 12. Ces découpleurs 18 peuvent être des découpleurs optiques comprenant par exemple une combinaison d'une diode électroluminescente et d'une photodiode. Les découpleurs peuvent également être des découpleurs magnétiques ou inductifs ou capacitif ou tout autre dispositif permettant de transmettre des signaux tout en fournissant une isolation galvanique entre l’unité de traitement 6 et les éléments du circuit de contrôle 12. 2) Deuxième mode de réalisation
Dans certains cas, l'isolation électrique peut être réalisée directement au niveau de l'unité de traitement 6 si celle-ci est conçue de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un autre découplage entre l'unité de traitement 6 et les transistors commandés 5. 3) Troisième mode de réalisation
Selon un troisième mode de réalisation représenté sur la figure 8, la barrière de potentiel 14 des amplificateurs 8 est utilisée pour transmettre les signaux destinés à commander le deuxième transistor 15 du circuit de contrôle 12.
Pour cela, l'unité de traitement additionnelle 17 est remplacée par un amplificateur opérationnel 31 et l'unité de traitement 6 est configurée pour piloter la tension délivrée par la source d'alimentation 41. La source d'alimentation 41 est par exemple configurée pour délivrer deux tensions distinctes, par exemple une première tension de 18V et une deuxième tension de 20V. La tension de 18V est par exemple obtenue grâce à un pont diviseur de tension branché sur la source de tension 20V. L'unité de traitement 6 commande alors la valeur de la tension délivrée par la source d'alimentation 41 pour les signaux destinés à l'amplificateur 8 en fonction de la température mesurée du transistor commandé 5. Les signaux transmis par l'unité de traitement 6 sont envoyés sur une première entrée d'un amplificateur opérationnel 31 tandis qu'un signal de référence compris entre 18V et 20V est envoyé sur la deuxième entrée de l'amplificateur opérationnel 31. La sortie est reliée au deuxième transistor 15 du circuit de contrôle 12.
Ainsi, lorsque la température mesurée du transistor commandé 5 est inférieure au seuil prédéterminé, l'unité de traitement 6 commande à la source d'alimentation 41 de fournir une tension de 18V, inférieure à la tension du signal de référence, de sorte qu'aucun signal n'est émis en sortie de l'amplificateur opérationnel 31 et lorsque la température mesurée du transistor commandé 5 est supérieure au seuil prédéterminé, l'unité de traitement 6 commande à la source d'alimentation 41 de fournir une tension de 20V, supérieure à la tension du signal de référence, de sorte qu'un signal est émis à la sortie de l'amplificateur opérationnel 31 ce qui provoque la fermeture du deuxième transistor 15 et donc du premier transistor 13. Cette configuration permet donc de piloter le circuit de contrôle 12 en utilisant l'isolation électrique fournie par les amplificateurs 8. 4) Quatrième mode de réalisation
Selon un quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 9, une technique d'amorçage, aussi appelée « bootstrap » en anglais est utilisée pour réaliser un circuit de décalage de niveau. Cette technique consiste à utiliser un condensateur 33 relié à l'émetteur du transistor commandé 5 situé du côté haut de l'onduleur 1, ou « high side » en anglais, c'est-à-dire du côté de la branche de l'onduleur 1 reliée à la borne positive de la source d'alimentation 41. Le condensateur 33 peut alors être chargé via une diode 35 par l'unité de traitement 6 lorsque le transistor commandé 5 du côté haut est à l'état ouvert (le transistor commandé 5 du niveau bas étant alors à l'état fermé). Lorsque le transistor commandé 5 du niveau bas passe à l'état ouvert, la diode 35 se bloque et le condensateur 33 reste chargé (s’il a été chargé par l'unité de traitement 6 lors de l'ouverture du transistor commandé 5 du côté haut). L'information correspondant au chargement du condensateur 33 peut alors être récupérée en utilisant un amplificateur opérationnel 37 dont la première entrée est reliée entre la diode 35 et le condensateur 33 et la deuxième entrée est reliée à une tension de référence dont la valeur est inférieure à la tension aux bornes du condensateur 33 lorsque ce dernier est chargé. La sortie de l'amplificateur opérationnel 37 est reliée au deuxième transistor 15 du circuit de contrôle 12.
Ainsi, si l'unité de traitement 6 ne charge pas le condensateur 33 lors de l'ouverture du transistor commandé 5 du côté haut, aucun signal n'est transmis par l'amplificateur opérationnel 37 lors du passage à l'état fermé du transistor commandé 5 du côté haut de sorte que le deuxième transistor 15 et donc le premier transistor 13 restent à l'état bloquant. A l'inverse, si l'unité de traitement 6 charge le condensateur 33 lors de l'ouverture du transistor commandé 5 du côté haut, l'amplificateur opérationnel 37 transmet alors un signal sur sa borne de sortie lors du passage à l'état fermé du transistor commandé 5 du côté haut de sorte que le deuxième transistor 15 et donc le premier transistor 13 passent à l'état passant et modifie la valeur de la résistance de grille Rg.
Le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel 37 est utilisé pour les circuits de contrôle 12 des deux transistors commandés 5 de la branche. On peut même réduire le nombre de composants et utiliser la sortie de l'amplificateur opérationnel 37 pour commander les circuits de contrôle 12 de l'ensemble des transistors commandés 5 de l'onduleur 1 si les différents transistors commandés 5 ont sensiblement la même température de fonctionnement. Le chargement du condensateur 33 par l'unité de traitement 6 étant décidé en fonction de la valeur de température mesurée par rapport à la valeur seuil.
Il existe donc différents moyens d'obtenir une indépendance des niveaux de tension ou de courant entre l'unité de traitement 6 et les transistors commandés 5 de manière à assurer la sécurité lors du fonctionnement de l'onduleur 1 notamment dans le cas d'une utilisation dans un véhicule automobile.
La présente invention permet donc, par l'utilisation de différents niveaux de courants pour commander les commutations d'un transistor commandé 5 d'un convertisseur de puissance, par exemple un onduleur 1, en fonction de la température de fonctionnement du transistor commandé 5, d'optimiser le fonctionnement du transistor commandé 5.
En eifet, dans le cas des passages de l'état bloquant à l'état passant du transistor commandé 5, l'utilisation de courants plus faibles à des températures basses permet de réduire la vitesse de commutation et ainsi de réduire voire de supprimer les oscillations de courant à basses températures tout en permettant des vitesses de commutation élevées à températures élevées ce qui permet de réduire les pertes au niveau du transistor commandé 5.
Dans le cas des passages de l'état passant à l'état bloquant du transistor commandé 5, l'utilisation de courants plus faibles aux faibles températures permet de limiter les surtensions au niveau des électrodes autres que l'électrode de commande 5a du transistor commandé 5 et ainsi d'éviter d'atteindre les tensions de claquage du transistor commandé 5 ou de la diode 7 associée à basses températures tout en permettant d'utiliser des vitesses de commutation élevées à températures élevées pour réduire les pertes au niveau du transistor commandé 5 lorsque les tensions de claquage sont plus élevées.
De plus, la présente invention présente différentes configurations permettant d'assurer une indépendance des niveaux de tension ou de courant entre l'unité de traitement 6 et le transistor commandé 5 lors de l'implémentation de signaux de commande du transistor commandé 5 comprenant différents niveaux de courant en fonction de la température.
Les modes de réalisations présentés précédemment peuvent être combinés entre eux
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Circuit de commande (10) d'au moins un transistor, dit transistor commandé (5), ledit circuit de commande (10) étant configuré pour délivrer au moins un signal de sortie à une électrode de commande (5a) du transistor commandé (5), ledit signal de sortie étant configuré pour commander un état de commutation du transistor correspondant à l’un parmi un état passant et un état bloquant dudit transistor, le circuit de commande (10) étant configuré pour délivrer au moins deux niveaux de courant distincts correspondant à un même état de commutation du transistor commandé, le circuit de commande (10) comprenant une unité de traitement (6, 17) configurée pour sélectionner un niveau de courant du signal de sortie, parmi lesdits, au moins deux, niveaux de courant distincts, en fonction d’un signal représentatif de la température du transistor commandé (5), ladite unité de traitement (6, 17) étant configurée pour sélectionner un premier desdits niveau de courant lorsque la température du transistor commandé (5) est en-dessous d'un seuil, et un deuxième desdits niveaux de courant lorsque la température du transistor commandé (5) est au-dessus dudit seuil, et ledit seuil étant compris entre 0°C et 70°C.
- 2. Circuit de commande (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit circuit de commande (10) est configuré pour délivrer un premier niveau de courant d'ouverture ou un deuxième niveau de courant d'ouverture supérieur au premier niveau de courant d'ouverture en fonction du signal représentatif de la température du transistor commandé (5), pour commander un état passant du transistor commandé (5).
- 3. Circuit de commande (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit circuit de commande (10) est configuré pour délivrer un premier niveau de courant de fermeture ou un deuxième niveau de courant de fermeture supérieur au premier niveau de courant de fermeture en fonction du signal représentatif de la température du transistor commandé (5), pour commander un état bloquant du transistor commandé (5).
- 4. Circuit de commande (10) selon l'une des revendications précédentes, comprenant : - un dispositif de commande (9) configuré pour générer des signaux de commande ; et - une résistance, dite résistance de grille (Rg, Rgon, Rgoff), disposée entre le dispositif de commande (9) et une borne de sortie du circuit de commande.
- 5. Circuit de commande selon la revendication 4, dans lequel le dispositif de commande (9) est configuré pour générer des signaux de commande ayant au moins deux niveaux de tension distincts correspondant à un même état de commutation dudit transistor commandé (5), chacun desdits niveaux de tension correspondant à un desdits niveaux de courant.
- 6. Circuit de commande (10) selon la revendication 4, le circuit de commande (10) étant configuré pour modifier la valeur de la résistance de grille (Rg, Rgon, Rgofï) afin de modifier le niveau de courant du signal de sortie.
- 7. Circuit de commande (10) selon la revendication 6 comprenant une résistance de grille additionnelle (Rgon_2, Rgoff_2) disposée dans une branche parallèle à la résistance de grille (Rgonl, Rgoffl), ladite branche parallèle comprenant également un interrupteur (13) configuré pour mettre en conduction électrique ou non la branche parallèle.
- 8. Circuit de commande (10) selon la revendication 7, dans lequel l'unité de traitement (6, 17) est configurée pour commander l'ouverture et la fermeture de l’interrupteur (13) et dans lequel le circuit de commande (10) comprend un élément d'isolation électrique, ou un circuit de décalage de niveau, entre l'unité de traitement (6) et l’interrupteur (13).
- 9. Circuit de commande (10) selon l’une des revendications précédentes et les revendications 2 et 3, comprenant : - une première branche comprenant : - une première résistance de grille (Rgon, Rgon l, Rgon_2) configurée pour transmettre le signal de sortie commandant un état passant du transistor commandé (5) et, - une première diode (lia) disposée en série de la première résistance de grille (Rgon, Rgon l, Rgon_2), - une deuxième branche disposée en parallèle de la première branche et comprenant : - une deuxième résistance de grille (Rgoff, Rgoffl, Rgoff_2) configurée pour transmettre le signal de sortie commandant un état bloquant du transistor commandé (5) et, - une deuxième diode (11b) disposée en série de la deuxième résistance de grille (Rgoff, Rgoff_l, Rgoff_2) et dont le sens passant est opposé à celui de la première diode (lia).
- 10. Circuit électronique comprenant : - au moins un transistor (5), dit transistor commandé, et - un circuit de commande (10) selon les revendications 1 et 2 pour commander ledit transistor, dans lequel l'unité de traitement (6, 17) est configurée pour sélectionner le premier niveau de courant d’ouverture lorsque la température du transistor commandé (5) est en-dessous du seuil, et le deuxième niveau de courant d’ouverture lorsque la température de transistor commandé (5) est au-dessus du seuil, ledit premier niveau de courant d’ouverture, ledit deuxième niveau de courant d’ouverture, et ledit seuil étant sélectionnés pour limiter les oscillations de courant lors du passage d’un état bloquant à un état passant.
- 11. Circuit électronique comprenant : - au moins un transistor (5), dit transistor commandé, et au moins une diode (7) montée en anti-parallèle dudit transistor ; - un circuit de commande (10) selon les revendications 1 et 3 pour commander ledit transistor, dans lequel l'unité de traitement (6, 17) est configurée pour sélectionner le premier niveau de courant de fermeture lorsque la température du transistor commandé (5) est en-dessous du seuil et le deuxième niveau de courant de fermeture lorsque la température de transistor commandé (5) est au-dessus du seuil, ledit premier niveau de courant de fermeture, ledit deuxième niveau de courant de fermeture, et ledit seuil étant sélectionnés en fonction des tensions de claquage du transistor commandé (5) et de la diode (7) associée.
- 12. Circuit électronique selon la revendication 10 ou 11 comprenant un capteur de température (23) disposé au niveau du transistor commandé (5) et connecté au circuit de commande (10) pour transmettre le signal représentatif de la température du transistor commandé (5).
- 13. Procédé de commande d'au moins un transistor, dit transistor commandé (5), comprenant une électrode de commande sur laquelle est transmise des signaux de commande, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape de détection de la température du transistor commandé (5), - une étape de comparaison entre ladite température et au moins un seuil (SI), ledit seuil étant compris entre 0°C et 70°C, - une étape de sélection d'un niveau de courant, parmi au moins deux niveaux de courant distincts correspondant à un même état de commutation du transistor commandé, en fonction du résultat de l'étape de comparaison, - une étape de transmission audit transistor commandé d’au moins un signal de commande avec le niveau de courant sélectionné.
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