FR3058850A1 - Commutateur de puissance comportant une pluralite de transistors a effet de champ montes en parallele - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un commutateur de puissance comportant : une pluralité de transistors à effet de champ de puissance (101) montés en parallèle entre des première (D) et deuxième (S) bornes de conduction du commutateur ; et pour chaque transistor (101), un condensateur (C2) reliant un noeud de grille (g) du transistor à la première borne de conduction (D) du commutateur.

Description

Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public, D C N S Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : CABINET BEAUMONT.
COMMUTATEUR DE PUISSANCE COMPORTANT UNE PLURALITE DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP MONTES EN PARALLELE.
FR 3 058 850 - A1 comportant:
une pluralité de transistors à effet de champ de puissance (101) montés en parallèle entre des première (D) et deuxième (S) bornes de conduction du commutateur; et pour chaque transistor (101), un condensateur (C2) reliant un noeud de grille (g) du transistor à la première borne de conduction (D) du commutateur.
B14912 - DD16475ST
COMMUTATEUR DE PUISSANCE COMPORTANT UNE PLURALITE DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP MONTES EN PARALLELE
Domaine
La présente demande concerne le domaine des circuits électroniques de façon générale, et vise plus particulièrement un commutateur comportant une pluralité de transistors à effet de champ montés en parallèle. La présente demande concerne plus particulièrement les applications de puissance.
Exposé de l'art antérieur
Il existe de nombreuses applications dans lesquelles plusieurs transistors à effet de champ identiques ou similaires assemblés en parallèle se voient appliquer ensemble un courant relativement élevé par rapport aux courants individuels que sont susceptibles de supporter les différents transistors. C'est en particulier le cas d'un commutateur de puissance comportant une pluralité de transistors MOS de puissance montés en parallèle entre deux bornes d'application d'une haute tension, typiquement de quelques dizaines de volts à quelques centaines de volts. A l'état passant, chaque transistor voit un courant inférieur au courant total circulant dans l'assemblage. Idéalement, le courant vu par chaque transistor correspond au courant total divisé par
0 le nombre de transistors. En pratique, pour des raisons de dispersions technologiques dans la réalisation des transistors,
B14912 - DD16475ST il peut exister un déséquilibre des courants entre les différents transistors. Ceci peut notamment conduire à une situation dans laquelle l'un des composants est traversé par un courant qui excède le courant maximal qu'il peut supporter. Pour des transistors MOS, cette dispersion des courants peut s'autoéquilibrer en régime de conduction établi.
On s'intéresse ici plus particulièrement au déséquilibre des courants susceptible de survenir pendant les phases de commutation de l'interrupteur (de l'état bloqué vers l'état passant ou de l'état passant vers l'état bloqué), du fait notamment des dispersions de tension de seuil entre les différents transistors.
La figure 1 est un schéma électrique d'un exemple d'un commutateur comportant une pluralité (trois dans l'exemple représenté) de transistors MOS de puissance 101 identiques ou similaires montés en parallèle entre une borne de conduction S et une borne de conduction D de l'interrupteur. Chaque transistor MOS 101 a un noeud de source (s) relié à la borne de conduction S de l'interrupteur, et un noeud de drain (d) relié à la borne de conduction D de l'interrupteur. Pour chaque transistor 101, le commutateur comprend une résistance de grille Rg reliant un noeud de commande ou noeud de grille (g) du transistor à une borne de commande G du commutateur. Les résistances de grille Rg ont par exemple sensiblement la même valeur. A titre d'exemple, les résistances de grille Rg sont identiques aux dispersions de fabrication près.
Pour répondre à la problématique du déséquilibre des courants pendant les phases de commutation de 1'interrupteur, on peut prévoir de faire un tri parmi les composants, après leur fabrication, pour n'assembler en parallèle que des composants ayant des dispersions de tension de seuil plus restreintes que les dispersions de fabrication.
Une autre solution est de sur-dimensionner le commutateur, c'est-à-dire d'assembler en parallèle au moins un transistor de plus que le nombre de transistors qu'il conviendrait
B14912 - DD16475ST de prévoir pour supporter le courant maximal de l'application considérée si tous les composants avaient des caractéristiques identiques.
Ces deux solutions ont toutefois un coût non négligeable. En outre, la solution de trier les composants à l'assemblage ne permet pas d'empêcher que des déséquilibres ne se produisent sur le long terme, dans la mesure où des caractéristiques des différents transistors peuvent évoluer différemment dans le temps lors du vieillissement du dispositif.
Une autre solution est de jouer sur la valeur des résistances de grille Rg du commutateur. En particulier, diminuer la valeur des résistances de grille Rg permet d'augmenter la vitesse de commutation des transistors 101, c'est-à-dire de réduire la durée des phases de commutation des transistors à la fermeture et à l'ouverture du commutateur. Ainsi, un déséquilibre des courants dans les transistors pendant les phases de commutation aura un impact limité dans la mesure où les pertes globales en commutation seront limitées.
Diminuer la valeur de la résistance de grille Rg conduit toutefois à augmenter la vitesse de variation dVds/dt de la tension drain-source des transistors lors des phases de commutation. Ceci peut conduire à générer des perturbations électromagnétiques gênantes pour les circuits ou équipements électroniques présents dans l'environnement du commutateur, par exemple le circuit de commande du commutateur.
La figure 2 est un schéma électrique d'un autre exemple d'un commutateur comportant une pluralité de transistors à effet de champ de puissance montés en parallèle.
Le commutateur de la figure 2 comprend les mêmes éléments que le commutateur de la figure 1, agencés sensiblement de la même manière que dans l'exemple de la figure 1.
Le commutateur de la figure 2 comprend en outre, pour chaque transistor 101, un circuit RC d'aide à la commutation reliant le drain (d) du transistor 101 à la source (s) du transistor 101. Plus particulièrement, pour chaque transistor 101,
B14912 - DD16475ST le commutateur comprend, montée en parallèle du transistor 101 entre les noeuds de source (s) et de drain (d) du transistor 101, une association série d'un condensateur Cl et d'une résistance RI. Dans l'exemple représenté, le condensateur Cl a une première électrode reliée au drain (d) du transistor 101 et une deuxième électrode reliée à une première extrémité de la résistance RI, la deuxième extrémité de la résistance RI étant reliée à la source (s) du transistor 101.
Les circuits RC drain-source permettent de limiter la vitesse de variation dVds/dt de la tension drain-source des transistors lors des phases de commutation. On peut ainsi prévoir une valeur de résistance de grille Rg faible pour limiter les pertes à la commutation, et donc l'impact des déséquilibres de courant à la commutation, tout en prévenant l'apparition de perturbations électromagnétiques indésirables.
Un inconvénient de cette solution réside toutefois dans le fait que les condensateurs Cl et les résistances RI sont relativement encombrants. En particulier, le condensateur Cl doit avoir une capacité supérieure à la capacité parasite drain-source du transistor 101 à l'état bloqué, qui peut être relativement élevée. En outre, la résistance RI doit pouvoir supporter des courants relativement élevés.
Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'un commutateur de puissance comportant une pluralité de transistors à effet de champ de puissance montés en parallèle, ce commutateur palliant tout ou partie des inconvénients des commutateurs existants.
Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un commutateur de puissance comportant :
une pluralité de transistors à effet de champ de puissance montés en parallèle entre des première et deuxième bornes de conduction du commutateur ; et
B14912 - DD16475ST pour chaque transistor, un condensateur reliant un noeud de grille du transistor à la première borne de conduction du commutateur.
Selon un mode de réalisation, les transistors ont leurs noeuds de grille reliés à une même borne de commande du commutateur.
Selon un mode de réalisation, le commutateur comprend en outre, pour chaque transistor, une première résistance reliant le noeud de grille du transistor à la borne de commande du commutateur.
Selon un mode de réalisation, les premières résistances ont sensiblement la même valeur.
Selon un mode de réalisation, chaque condensateur a une capacité supérieure à la capacité parasite formée par le transistor auquel il est associé entre le noeud de grille du transistor et la première borne de conduction du commutateur.
Selon un mode de réalisation, chaque condensateur a une capacité au moins dix fois supérieure à la valeur minimale que peut prendre la capacité parasite formée par le transistor auquel il est associé entre le noeud de grille du transistor et la première borne de conduction du commutateur, sur une plage nominale de tension de fonctionnement du transistor.
Selon un mode de réalisation, les condensateurs ont sensiblement la même capacité.
Selon un mode de réalisation, le commutateur comporte en outre, pour chaque transistor, une deuxième résistance montée en série avec le condensateur associé au transistor, entre le noeud de grille du transistor et la première borne de conduction du commutateur.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes résistances ont sensiblement la même valeur.
Selon un mode de réalisation, les transistors sont identiques aux dispersions de fabrication près.
Selon un mode de réalisation, les transistors sont des transistors MOS.
B14912 - DD16475ST
Selon un mode de réalisation, les transistors sont des transistors tels que la capacité parasite formée par chaque transistor entre le noeud de grille du transistor et la première borne de conduction du commutateur varie d'un facteur supérieur ou égal à 100 sur une plage nominale de tension de fonctionnement du transistor.
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, précédemment décrite, est un schéma électrique d'un exemple d'un commutateur comportant une pluralité de transistors à effet de champ de puissance montés en parallèle r
la figure 2, précédemment décrite, est un schéma électrique d'un autre exemple d'un commutateur comportant une pluralité de transistors à effet de champ de puissance montés en parallèle ; et la figure 3 est un schéma électrique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un commutateur comportant une pluralité de transistors à effet de champ de puissance montés en parallèle. Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, un commutateur de puissance selon un mode de réalisation peut comporter un circuit de commande isolé permettant d'appliquer des signaux de commande de niveau de tension relativement élevé, par exemple compris entre 5 et 25 volts, sur la borne de commande G du commutateur. Le circuit de commande n'est toutefois pas détaillé dans la présente demande, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les circuits de commande usuels des commutateurs de puissance à base de
B14912 - DD16475ST transistors à effet de champ de puissance. De plus, les utilisations qui peuvent être faites d'un commutateur de puissance comportant un assemblage parallèle de transistors à effet de champ de puissance n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles utilisant plusieurs transistors à effet de champ de puissance de même type reliés en parallèle. Dans la présente description, on utilise le terme connecté pour désigner une liaison électrique directe, sans composant électronique intermédiaire, par exemple au moyen d'une ou plusieurs pistes conductrices ou fils conducteurs, et le terme couplé ou le terme relié, pour désigner une liaison électrique qui peut être directe (signifiant alors connecté) ou indirecte (c'est-à-dire via un ou plusieurs composants intermédiaires). Sauf précision contraire, les expressions approximativement, sensiblement, et de l'ordre de signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Dans la présente description, on entend par transistor de puissance un transistor ayant une tenue en tension à l'état bloqué supérieure à 50 volts, par exemple supérieure à 500 volts, et capable, à l'état passant, de supporter sans dégradation un courant maximal supérieur à 1 ampère, par exemple supérieur à 10 ampères. Dans un commutateur de puissance selon un mode de réalisation, le nombre de transistors de puissance montés en parallèle entre les bornes de conduction du commutateur dépend du courant maximal que le commutateur doit pouvoir supporter sans dégradation à l'état passant. A titre d'exemple, un commutateur de puissance peut comporter 5 à 50 transistors de puissance montés en parallèle entre les bornes de conduction du commutateur, les grilles de commande des transistors étant reliées à une même borne de commande du commutateur.
La figure 3 est un schéma électrique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un commutateur comportant une pluralité de transistors à effet de champ montés en parallèle.
Le commutateur de la figure 3 comprend les mêmes éléments que le commutateur de la figure 1, agencés sensiblement
B14912 - DD16475ST de la même manière que dans l'exemple de la figure 1. Les transistors 101 du commutateur de la figure 3 sont par exemple identiques aux dispersions de fabrication près.
Le commutateur de la figure 3 comprend en outre, pour chaque transistor 101, un circuit d'aide à la commutation reliant le drain (d) du transistor 101 à la grille (g) du transistor 101. Plus particulièrement, pour chaque transistor 101, le commutateur comprend une association série d'un condensateur C2 et d'une résistance R2, reliant le drain (d) du transistor 101 à la grille (g) du transistor 101. Dans l'exemple représenté, le condensateur C2 a une première électrode reliée au drain (d) du transistor 101 et une deuxième électrode reliée à une première extrémité de la résistance R2, la deuxième extrémité de la résistance R2 étant reliée à la grille (g) du transistor 101. Les condensateurs C2 associés aux différents transistors 101 ont par exemple sensiblement la même valeur. A titre d'exemple, les condensateurs C2 associés aux différents transistors 101 sont identiques aux dispersions de fabrication près. Les résistances R2 associées aux différents transistors 101 ont par exemple sensiblement la même valeur. A titre d'exemple, les résistances R2 associées aux différents transistors 101 sont identiques aux dispersions de fabrication près.
Les circuits d'aide à la commutation formés par les condensateurs C2 et par les résistances R2, permettent de limiter la vitesse de variation dVdg/dt de la tension drain-grille des transistors 101 lors des phases de commutation, et par conséquent la vitesse de variation dVds/dt de la tension drain-source des transistors 101 (la tension grille-source étant sensiblement constante pendant les phases de variation de la tension drainsource) . On peut ainsi prévoir une valeur de résistance de grille Rg faible pour limiter les pertes à la commutation, et donc l'impact des déséquilibres de courant à la commutation, tout en prévenant l'apparition de perturbations électromagnétiques indésirables.
B14912 - DD16475ST
Ainsi, un avantage du mode de réalisation de la figure 3 est qu'il permet de dissocier :
le contrôle des variations de courant lors des phases de commutation, réalisé par le choix de la valeur des résistances Rg ; et le contrôle des variations de tension lors des phases de commutation, réalisé par le choix du circuit d'aide à la commutation grille-drain.
Par rapport au commutateur de la figure 2, un avantage du mode de réalisation de la figure 3 est que les condensateurs C2 et les résistances R2 du commutateur de la figure 3 sont moins encombrants que les condensateurs Cl et les résistances RI du commutateur de la figure 2. Pour une même vitesse de variation dVds/dt le condensateur C2 de la figure 3 sera de plus faible valeur que le condensateur Cl de la figure 2, et la puissance dissipée dans la résistance R2 de la figure 3 sera inférieure à celle dissipée dans la résistance RI de la figure 2. De plus, le courant traversant les composants R2 et C2 de la figure 3 étant inférieur à celui traversant les composants RI et Cl de la figure 2, les valeurs d'inductance de câblage à ne pas dépasser sont supérieures, ce qui simplifie la réalisation.
Pour obtenir une diminution de la vitesse de variation dVds/dt de la tension drain-source lors des commutations, il est préférable que la capacité du condensateur C2 soit supérieure à la capacité parasite grille-drain du transistor 101. La capacité parasite grille-drain est toutefois généralement faible devant la capacité parasite drain-source du transistor. A titre d'exemple, la capacité du condensateur C2 est comprise entre 20 et 100 pF. La valeur de la résistance R2 est par exemple comprise entre 10 et 100 ohms.
En pratique, la capacité parasite grille-drain du transistor 101 est variable en fonction de la tension à ses bornes, et sa valeur peut fortement chuter pour certaines plages de valeurs de tension. Ceci peut générer des variations dV/dt transitoires élevées qui sont sources de perturbations pour la
B14912 - DD16475ST commande des transistors ou pour d'autres équipements. De préférence, la capacité du condensateur C2 est au moins dix fois supérieure à la valeur minimale de la capacité parasite grilledrain du transistor 101 sur toute la plage de tension autorisée aux bornes du transistor (ou plage nominale de tension de fonctionnement du transistor).
On notera que la variation de capacité parasite grilledrain en fonction de la tension appliquée est tout particulièrement importante pour les transistors dits à superjonction qui ont une structure verticale constituée de plots P et N en parallèle et qui ont pour avantage de présenter une résistance parasite à l'état passant bien plus faible que les technologies traditionnelles. A titre d'exemple, les transistors 101 sont des transistors à superjonction, ou, plus généralement, des transistors dans lesquels la capacité parasite grille-drain varie d'un facteur supérieur ou égal à 100 sur la plage nominale de tension de fonctionnement du transistor.
A titre de variante, les résistances R2 peuvent être omises, les électrodes de chaque condensateur C2 étant alors reliées respectivement au drain (d) et à la grille (g) du transistor 101 auquel il est associé. En effet, même en l'absence de la résistance R2, la prévision, entre la grille et le drain du transistor 101, d'une capacité externe C2 supérieure à la capacité parasite grille-drain du transistor 101, permet de diminuer la vitesse de variation dVds/dt de la tension drain-source lors des commutations du transistor. La prévision de la résistance R2 présente toutefois l'avantage supplémentaire d'éviter d'éventuelles oscillations de la tension appliquée sur la grille (g) du transistor.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de valeurs numériques mentionnés dans la présente description.
B14912 - DD16475ST
En outre, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples représentés sur les figures, dans lesquels les transistors de puissance du commutateur sont des transistors MOS. Plus généralement, les modes de réalisation décrits peuvent être mis en oeuvre en remplaçant les transistors MOS par des transistors à effet de champ d'un autre type, par exemple des transistors HEMT.
B14912 - DD16475ST

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Commutateur de puissance comportant :
    une pluralité de transistors à effet de champ de puissance (101) montés en parallèle entre des première (D) et deuxième (S) bornes de conduction du commutateur ; et pour chaque transistor (101) , un condensateur (C2) reliant un noeud de grille (g) du transistor à la première borne de conduction (D) du commutateur.
  2. 2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel lesdits transistors (101) ont leurs noeuds de grille (g) reliés à une même borne de commande (G) du commutateur.
  3. 3. Commutateur selon la revendication 2, comprenant en outre, pour chaque transistor (101), une première résistance (Rg) reliant le noeud de grille (g) du transistor à la borne de commande (G) du commutateur.
  4. 4. Commutateur selon la revendication 3, dans lequel les premières résistances (Rg) ont sensiblement la même valeur.
  5. 5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque condensateur (C2) a une capacité supérieure à la capacité parasite formée par le transistor (101) auquel il est associé entre le noeud de grille (g) du transistor et la première borne de conduction (D) du commutateur.
  6. 6. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque condensateur (C2) a une capacité au moins dix fois supérieure à la valeur minimale que peut prendre la capacité parasite formée par le transistor (101) auquel il est associé entre le noeud de grille (g) du transistor et la première borne de conduction (D) du commutateur, sur une plage nominale de tension de fonctionnement du transistor.
  7. 7. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les condensateurs (C2) ont sensiblement la même capacité.
  8. 8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant en outre, pour chaque transistor
    B14912 - DD16475ST (101) , une deuxième résistance (R2) montée en série avec le condensateur (C2) associé au transistor, entre le noeud de grille (g) du transistor et la première borne de conduction (D) du commutateur.
    5
  9. 9. Commutateur selon la revendication 8, dans lequel les deuxièmes résistances (R2) ont sensiblement la même valeur.
  10. 10. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel lesdits transistors (101) sont identiques aux dispersions de fabrication près.
    10
  11. 11. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel lesdits transistors (101) sont des transistors MOS.
  12. 12. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel lesdits transistors (101) sont
  13. 15 des transistors tels que la capacité parasite formée par chaque transistor (101) entre le noeud de grille (g) du transistor et la première borne de conduction (D) du commutateur varie d'un facteur supérieur ou égal à 100 sur une plage nominale de tension de fonctionnement du transistor.
    B14912
    DD16475ST
    101
    1/1
    101
    101
    Rg Xj(d) Rg Sj(d) Rg SJ(d) (s)
    AJ (s)
    AJ (s)
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