FR3075508A1 - Dispositif de commutation autoalimente et procede de fonctionnement d'un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un dispositif de commutation (1) d'une charge comprenant : - deux bornes de commutations (2a, 2b) ; - un transistor haute tension en mode déplétion (5) et un transistor basse tension en mode enrichissement (6) disposés en série entre les deux bornes de commutation (2a, 2b) et définissant un point milieu (M) ; - un circuit de commande (4) générant un signal de commande (IN) de la grille du transistor basse tension (5) pour sélectivement placer le dispositif (1) dans un état passant ou dans un état bloquant ; - un circuit d'alimentation (7) comprenant une entrée (7a) reliée au point milieu (M) et une sortie (7b) pour fournir une tension d'alimentation (Va) au circuit de commande (4). Le circuit d'alimentation comprend une capacité réservoir (Cm) reliée à un interrupteur normalement passant (7c) pour charger la capacité réservoir (Cm) et fournir la tension d'alimentation (Va) au circuit de commande (4) lorsque le dispositif de commutation (1) est relié à la charge.
Description
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de commutation d'une charge électrique. Plus précisément, elle vise un dispositif de commutation comprenant un circuit de commande et un circuit d'alimentation de ce circuit de commande.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
On dispositifs montage en déplétion enrichissement.
connaît de l'état de la technique des associant, dans un un transistor haute tension en mode de commutation d'une charge série, et un transistor basse tension en mode sélectivement conduction extérieur ou de
Les transistors sont commandés un la état valeur à une pour placer passant de d'un signal broche du dispositif.
intégré dans un système dans lequel il relié à une charge constituée d'un circuit d'un générateur, et permet de transférer générateur au circuit de puissance conduction.
usuellement plus.
Les cascode, et tension est le dispositif dans un état bloquant selon commutation, appliqué
Le dispositif de commutation est destiné à être est électriquement de puissance de 1'énergie les périodes générateur 400V, 600V
La tension fournie de forte valeur, deux transistors dans ce cas la et du par pendant par le exemple de est ou en peuvent être montés source du transistor basse électriquement haute tension. Un circuit reliée à la grille du transistor de commande du dispositif peut sélectivement placer ce dispositif dans un état passant ou un état bloquant par l'intermédiaire d'un signal de commande appliqué à la grille du transistor basse tension.
Les deux transistors peuvent alternativement être montés en cascade, et dans ce cas le circuit de commande génère un premier et un deuxième signal de commande appliqués respectivement à la grille du transistor basse tension et à la grille du transistor haute tension pour sélectivement placer ce dispositif dans l'état passant ou l'état bloquant.
Dans les deux cas, le dispositif de commutation est normalement bloquant, c'est-à-dire qu'en l'absence d'alimentation du dispositif, et notamment en l'absence d'alimentation du circuit de commande, le dispositif de commutation est dans un mode inactif, à l'état bloquant. On évite ainsi de refermer le dispositif sur la charge de manière intempestive, ce qui pourrait causer de graves problèmes de sécurité.
Outre ses fonctions de commande de l'état de conduction du dispositif de commutation, le circuit de commande veille au bon fonctionnement de celui-ci. En cas de détection d'un dysfonctionnement ou d'un événement susceptible de provoquer un tel dysfonctionnement, il génère le ou les signaux de commande pour placer le dispositif dans un mode inactif, dans lequel il est rendu bloquant. C'est le cas notamment lorsque la température de fonctionnement du dispositif est excessive ou que certaines tensions s'écartent de leurs tensions de consigne.
Le circuit de commande est réalisé sous forme intégrée, par exemple sous la forme d'un système de portes logiques programmables, sous la forme de composants discrets ou sous la forme d'un microcontrôleur convenablement programmé. Dans tous les cas le circuit de commande met en œuvre le séquencement approprié des signaux de commande selon la valeur d'un signal externe de commutation et de l'état interne du dispositif.
Le circuit de commande doit être alimenté électriquement et, à cet effet, le dispositif est usuellement muni d'une broche d'alimentation sur lequel on applique une tension d'alimentation qui provient d'un circuit dédié du système. Ce circuit met en œuvre des composants haute tension tels que des diodes, des inductances et/ou des capacités en vue de prélever de l'énergie à la charge commutée du système et en vue de conditionner cette énergie pour fournir au dispositif une tension d'alimentation de relativement faible amplitude (quelques volts) et stable. Un tel circuit d'alimentation externe est complexe à réaliser et onéreux.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de l'un de ces buts, l'objet de l'invention propose un dispositif de commutation d'une charge comprenant deux bornes de commutations, un transistor haute tension en mode déplétion et un transistor basse tension en mode enrichissement disposés en série entre les deux bornes de commutation et définissant un point milieu, un circuit de commande générant un signal de commande de la grille du transistor basse tension pour sélectivement placer le dispositif dans un état passant ou dans un état bloquant, et un circuit d'alimentation comprenant une entrée reliée au point milieu et une sortie pour fournir une tension d'alimentation au circuit de commande.
Selon l'invention, le circuit d'alimentation comprend une capacité réservoir reliée à un interrupteur normalement passant pour charger la capacité réservoir et fournir la tension d'alimentation au circuit de commande lorsque le dispositif de commutation est relié à la charge.
On dispose de la sorte d'un circuit d'autoalimentation du circuit de commande, et il n'est pas nécessaire de prévoir un circuit d'alimentation externe au dispositif.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- la grille du transistor haute tension est électriquement reliée à la source du transistor basse tension ;
- le circuit de commande génère un deuxième signal de commande de la grille du transistor haute tension ;
- le circuit d'alimentation comprend une diode électriquement reliée à l'entrée du circuit ;
- le circuit d'alimentation comprend également un circuit de régulation de la tension d'alimentation ;
- Le circuit de commande est configuré pour générer un signal de désactivation de l'interrupteur tant que le premier siqnal de commande est généré pour placer le dispositif à l'état passant ;
- le transistor haute tension présentant une tension seuil supérieure en valeur absolue à la tension d'alimentation suffisante pour rendre le dispositif de commande fonctionnel ;
- le circuit de commande est configuré pour générer un signal de désactivation de l'interrupteur lorsque la tension d'alimentation (Va) excède une tension seuil ;
- le circuit de commande est configuré pour placer le dispositif dans une configuration de sécurité lorsque la tension d'alimentation franchit à la baisse une tension seuil minimale.
L'invention concerne également un procédé de commande de ce dispositif de commutation, le procédé comprenant :
- une phase bloquante pendant laquelle le circuit de commande génère un signal de commande pour ouvrir le transistor basse tension ;
- une phase passante pendant lequel le circuit de commande génère un signal de commande pour fermer le transistor basse tension.
Selon l'invention, le procédé comprend la génération par le circuit de commande d'un signal de désactivation pour ouvrir l'interrupteur du circuit d'alimentation au moins pendant la phase passante du dispositif de commutation.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 représente un exemple de mise en œuvre d'un dispositif de commutation conforme à l'invention ;
- la figure 2 représente un chronogramme des tensions se développant dans un dispositif conforme à l'invention au cours de son fonctionnement;
- les figures 3a à 3d représentent schématiquement l'état d'un dispositif conforme à l'invention à différentes étapes de son fonctionnement ;
- la figure 4 représente une version améliorée d'un dispositif de commutation 1 conforme à l'invention ;
- La figure 5 représente un exemple de mise en œuvre d'un circuit de régulation de la tension d'alimentation.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On a représenté sur la figure 1 un exemple de mise en œuvre d'un dispositif de commutation 1 conforme à 1'invention.
Il comprend deux bornes de commutation 2a, 2b auxquelles peut être relié, comme cela est représenté en pointillés sur cette figure, une charge P et un générateur G symbolisant un circuit de puissance auquel le dispositif de commutation 1 est connecté. La tension Vbus du générateur G peut être importante, par exemple de 400V ,600 V ou plus, et le courant susceptible de circuler dans le dispositif de puissance de forte intensité, par exemple supérieur à 1 A.
Comme cela est bien connu en soi, le dispositif de commutation 1 permet de sélectivement appliquer la tension du générateur G à la charge P selon l'état d'un signal de commutation COM qui peut être appliqué à une broche du dispositif pour être fourni à un circuit de commande 4. On peut également envisager que ce signal de commutation COM soit généré par le dispositif de commutation 1 lui-même, ou plus précisément par le circuit de commande 4 de ce dispositif 1.
Le dispositif de communication 1 comprend un transistor haute tension 5 en mode déplétion.
Par « transistor haute tension », on désigne un transistor comprenant un drain, une source et une grille, la tension de faible amplitude appliquée sur la grille (de l'ordre de quelques volts) permettant de rendre électriquement passant ou bloquant la liaison entre le drain et la source. À l'état bloqué, la tension se développant entre le drain et la source peut être de forte amplitude, par exemple de 400V, 600 V ou plus, sans endommager le transistor.
Un transistor en mode déplétion présente une tension seuil négative (typiquement comprise dans le cadre de la présente invention entre -8V et -5V) . La tension entre la grille et la source doit donc être négative, inférieure à cette tension seuil, pour rendre bloquant ce transistor.
Le transistor à haute tension en mode enrichissement 5 peut être un transistor HEMT par exemple à base de GaN ou de Sic. Ce type de transistor présente une tension d'avalanche (c'est-à-dire la tension maximale applicable entre le drain et la source du transistor sans qu'il soit endommagé, il peut s'agir d'une tension de claquage) de forte amplitude, choisie pour être supérieure à la tension du générateur du circuit de puissance, par exemple de plus de 400V ou 600V.
Le dispositif de commutation 1 comprend également un transistor basse tension 6 en mode enrichissement, comprenant un drain, une source et une grille.
Un transistor en mode enrichissement présente une tension seuil positive. La tension entre la grille et la source doit donc être positive et supérieure à cette tension seuil, pour rendre passant ce transistor.
Le transistor basse tension 6 peut-être un transistor MOSFET à base de silicium. La tension d'avalanche du transistor basse tension est inférieure à
| celle du exemple de | transistor l'ordre de | haute tension. 30 V. | Elle | peut | être | par |
| Le | transistor | basse tension | 6 et | le | transistor | |
| haute tension 5 sont | disposés en | série | entre | les | deux | |
| bornes de | commutations 2a, 2b. | Ainsi, | le | drain | du |
transistor haute tension est relié à une de ces deux de ces bornes, et la source du transistor basse tension est reliée à l'autre de ces bornes. La source du transistor haute tension 5 est reliée au drain du transistor basse tension 6 au niveau d'un point milieu M. Dans l'exemple représenté, la première borne 2a est reliée à la charge et la seconde borne 2b à une masse électrique du système, mais l'invention n'est nullement limitée à cette configuration particulière.
Dans l'exemple représenté le transistor basse tension 5 et le transistor haute tension 5 sont montés en cascode, c'est-à-dire que la source du transistor basse tension, ici reliée à la masse du système, est également électriquement reliée à la grille du transistor haute tension 5.
Dans cette configuration, l'état passant ou bloquant du dispositif 1 est déterminé par la tension appliquée sur la grille du transistor basse tension 6. Une tension supérieure la tension seuil Vt de de ce transistor le rendant passant, et une tension inférieure à cette tension seuil Vt le rendant bloquant.
Poursuivant la description du dispositif de commutation 1 de la figure 1, celui-ci comprend également un circuit de commande 4. Comme on l'a vu, ce circuit peut recevoir un signal de commutation COM élaboré à l'extérieur du dispositif 1. Alternativement, le circuit de commande 4 peut élaborer lui-même ce signal de commutation selon l'état du dispositif, c'est à dire à partir de mesures de certaines tensions ou certains courants prélevées dans le dispositif, et qui lui sont communiquées par l'intermédiaire de liaisons électriques (non représentées sur la figure 1 de principe) . Quelle que soit la manière dont le circuit de commande 4 reçoit ou élabore un signal de commutation COM, le circuit de commande traite ce signal pour établir et générer un signal de commande IN qui est appliqué à la qrille du transistor basse tension 6, pour effectivement placer le dispositif 1 dans un état passant ou bloquant.
Comme on l'a vu, le circuit de commande 4 est un circuit actif qui nécessite donc d'être alimenté électriquement. À cet effet, le dispositif 1 est pourvu d'un circuit d'alimentation 7. Ce circuit comprend une entrée 7a reliée électriquement au point milieu M définit entre le transistor haute tension 5 et le transistor basse tension 6. Il dispose également d'une sortie 7b, délivrant une tension d'alimentation Va, et électriquement reliée au circuit de commande 7. La tension électrique d'alimentation Va est de faible valeur, en comparaison avec les tensions qui peuvent apparaître au niveau des bornes de commutations 2a, 2b ou du pont milieu M. Elle est de l'ordre de quelques volts, comme par exemple 5V.
Le circuit d'alimentation 7 comprend une capacité réservoir Cm dont une des électrodes est reliée à la sortie 7b et l'autre à la masse électrique du système ou à une autre tension de référence de ce système. Cette capacité Cm a pour fonction de stocker des charges prélevées au niveau du point milieu M afin d'établir la tension date d'alimentation Va qui sera fournie au circuit de commande.
La tension Vm au point milieu M varie au cours du fonctionnement du dispositif entre la masse électrique du système, lorsque le dispositif est passant, et la tension d'avalanche du transistor basse tension lorsque le dispositif est bloquant. Le circuit d'alimentation 7 comprend une diode reliée entre l'entrée 7a et la borne de la capacité réservoir Cm portant la tension d'alimentation Va. On évite ainsi de décharger la capacité réservoir Cm dans l'un des transistors haute ou basse tension 5, 6, et donc de préserver les charges, dans le cas où la tension du
| point milieu | M venait | à passer sous | la | tension |
| d'alimentation | disponible | aux bornes de | la | capacité |
| réservoir Cm. |
Le circuit d'alimentation 7 comprend également un interrupteur 7c disposé en série avec la diode, c'est à dire entre l'entrée 7a et la borne de la capacité réservoir Cm portant la tension d'alimentation Va, correspondant à la sortie 7b. L'interrupteur 7c est normalement passant, c'est-à-dire que l'interrupteur est fermé en l'absence de toute commande et la capacité réservoir est bien reliée dans ce cas au point milieu M du dispositif 1.
La caractéristique « normalement passante » de l'interrupteur 7c est importante, car elle assure qu'au démarrage du dispositif 1, c'est-à-dire au moment où il est mis en contact électrique avec la charge au niveau des deux bornes de commutation 2a, 2b, le circuit d'alimentation puisse prélever des charges au niveau du point milieu M pour emplir la capacité réservoir Cm, élaborer et fournir une tension d'alimentation Va suffisante, pour qu'elle puisse activer le dispositif de commande 7. Le fonctionnement du dispositif sera explicité plus en détail dans la suite de cet exposé.
L'interrupteur 7c est rendu ouvert par l'intermédiaire d'un signal de désactivation DIS élaboré par le circuit de commande 4. Lorsque le circuit de commande 4 est alimenté et en fonctionnement, il établit et génère le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c lorsque le signal de commande IN est généré pour placer le dispositif 1 dans un état passant. On isole ainsi le circuit d'alimentation 7 des transistors haute et basse tension 5, 6 pendant cette période de temps. Plus spécifiquement, on isole électriquement la capacité réservoir Cm du point milieu, celui-ci étant traversé par un courant de forte intensité pendant la phase de conduction du dispositif qu'il ne faudrait pas dévier vers le circuit d'alimentation 7.
On a représenté, à titre d'illustration, sur la figure 2 un chronogramme des tensions se développant dans le dispositif 1 au cours de son fonctionnement.
D'une manière très générale le dispositif 1 est commandé par le circuit de commande 4 pour alterner :
- une phase bloquante pendant laquelle le circuit de commande 4 génère un signal de commande IN pour ouvrir le transistor basse tension 6. Ce signal est à 0V sur le chronogramme de la figure
2. Il est inférieur à la tension seuil Vt du transistor basse tension 6 pour le rendre bloquant.
- une phase passante (ou de conduction) pendant lequel le circuit de commande 4 génère un signal de commande pour fermer le transistor basse tension 6. Ce signal peut être de quelques volts, mais dans tous les cas, supérieur à la tension seuil Vt du transistor basse tension 6 pour le rendre passant. Pendant cette phase également le circuit de commande génère un signal de désactivation DIS pour que l'interrupteur 7c du circuit d'alimentation 7 soit ouvert.
Revenant à la description de la figure 2, on définit l'instant tO comme l'instant auquel on connecte physiquement le dispositif 1 à sa charge. À cet instant tO, la capacité réservoir Cm est donc totalement déchargée, la tension alimentation Va est nulle. Le circuit de commande 4 n'est pas en mesure de fonctionner, c'est-à-dire de fournir les commandes telles que la commande de la grille du transistor basse tension IN ou la commande de l'interrupteur DIS. La configuration « cascode » des transistors basse et haute tension 5, 6 assure toutefois que le dispositif 1 est bien dans un état bloquant.
La figure 3a représente schématiquement l'état de ce dispositif à cet instant de démarrage tO. Le circuit de commande 4 n'est pas alimenté, le signal de command IN présente une tension nulle inférieure à la tension seuil Vt du transistor basse tension en mode enrichissement, ce transistor est donc ouvert. L'interrupteur normalement passant 7c du circuit d'alimentation 7 est fermé, le circuit de commande 4 étant dans l'incapacité de fournir un signal de désactivation DIS. La tension de la source du transistor haute tension en mode déplétion 6 (correspondant à la tension de commande Vgs de ce transistor) est également sensiblement nul à l'instant tO de démarrage, mais toutefois supérieure à la tension de seuil Vt' de ce transistor (cette tension seuil étant négative) qui est donc passant. Au cours des instants qui suivent l'instant tO, on prélève donc des charges au niveau du point milieu grâce à un courant I circulant dans le transistor haute tension 5, on charge la capacité réservoir Cm et on établit progressivement une tension d'alimentation Va. La tension aux bornes du transistor haute tension VDM, celui-ci étant passant, est sensiblement nulle (et en tout état de cause au moins un ordre de grandeur plus faible que la tension du générateur Vbus) si l'on néglige la résistance drain-source de ce transistor.
Lorsque cette tension d'alimentation Va est suffisante, par exemple lorsqu'elle atteint une tension d'alimentation nominale du circuit de commande 4 qui peut être, par exemple, de 5v, le circuit de commande 4 s'active et devient fonctionnel. En d'autres termes, le circuit de commande 4 est alors alimenté électriquement par le circuit d'alimentation 7, il est donc fonctionnel et prêt à générer les commandes permettant d'opérer le dispositif 1.
Bien entendu, on a choisi la tension seuil Vt' du transistor haute tension pour qu'elle soit supérieure (en valeur absolue) à une tension d'alimentation Va suffisante pour que le dispositif de commande 4 soit fonctionnel.
La tension du point milieu Vm est équivalente à la tension d'alimentation. Cette tension s'élève donc progressivement avec la tension d'alimentation. On désigne t0', l'instant auquel la progression de la tension du point milieu est telle que la tension de commande Vgs (correspondant à l'opposé de la tension Vm du point milieu) passe sous la tension seuil Vt' du transistor haute tension. À partir de cet instant t0', le transistor haute tension 5 s'ouvre, et la tension s'appliquant entre ses bornes VDM s'établit sensiblement à la tension du générateur Vbus). Toutefois, le courant de fuite traversant ce transistor conduit à poursuivre l'élévation de la tension du point milieu jusque-là la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. L'état schématique du dispositif 1 à partir de cet instant t0' est représenté sur la figure 3b.
Pour éviter de continuer à charger la capacité réservoir Vm jusqu'à la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6, ce qui pourrait être excessif, on peut prévoir que le dispositif de commande 4 génère une commande d'ouverture de l'interrupteur DIS à son démarrage, et tant que la tension d'alimentation Va est suffisante. Dans l'exemple représenté à titre d'illustration du fonctionnement du dispositif 1 sur les figures 2 et 3b, le dispositif de commande génère le signal DIS de désactivation de l'interrupteur 7c à l'instant tl, postérieur à l'instant auquel le point milieu a atteint la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. En conséquence, l'interrupteur 7c est ouvert, et les charges de la capacité réservoir Cm prélevée pour alimenter le circuit de commande ne sont pas renouvelées. La tension d'alimentation Va s'affaiblit donc à partir de cet instant tl.
A l'instant t2, le circuit de commande 4 génère une commande de la grille du transistor basse tension IN visant à le rendre fermé et à faire entrer le dispositif 1 dans une phase de conduction. Comme on l'a vue, ceci peut être provoqué par le basculement du signal externe de commutation COM. Le circuit de commande 4 a pris soin de faire précéder cet évènement par la désactivation de l'interrupteur 7c du circuit d'alimentation 7 à l'instant tl pour, comme on l'a vu, éviter de maintenir connecter ce circuit au point milieu M pendant cette phase. D'une manière générale donc, et si ce n'est déjà pas le cas, le circuit de commande 4 est configuré pour désactiver l'interrupteur 7c du circuit d'alimentation en générant une commande d'ouverture DIS de cet interrupteur, avant de générer le signal de commande de la grille du transistor basse tension IN pour le rendre fermé.
Le dispositif de commande 4 génère le signal de commande IN de la grille du transistor basse tension 6 pour placer le dispositif 1 dans un état passant pendant une période de temps s'étendant jusqu'à un instant t3, comme cela est représenté sur les figures 2 et 3c. Pendant toute cette période de temps, entre l'instant t2 et t3, le circuit de commande 4 maintient le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c pour qu'il soit ouvert. La capacité réservoir Cm continue donc à se décharger au fur et à mesure de la consommation de charges alimentant le circuit de commande.
A l'instant t3, le dispositif de commande 4 fait basculer la commande IN de la grille du transistor basse tension 6 pour le rendre ouvert, et interrompre la phase de conduction du dispositif 1. Cet instant t3 peut être provoqué par le basculement du signal de commutation externe COM au dispositif 1 ou établit par le circuit de commande 4 lui-même, par exemple à l'issue d'une durée déterminée de la phase de conduction.
Peu après cet instant t3, le dispositif de commande 4 fait basculer le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c, à un instant t4, de manière à remettre en contact la capacité réservoir Cm avec le point milieu M et permettre son rechargement. Entre les instants t3 et t4, qui sont très proches l'un de l'autre, la tension du point milieu s'élève peu à peu vers la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. Le transistor haute tension 5 est maintenu fermé et, en négligeant la résistance drain source du transistor haute tension 5, la tension s'appliquant entre ses bornes VDM est sensiblement nulle. L'état du dispositif entre les instants t3 et t4 est schématiquement représenté sur la figure 3d.
A l'instant t4, le dispositif se retrouve dans un similaire à celui dans lequel il se trouvait à l'instant tO ou tO' . Les phases passantes et bloquantes du dispositif peuvent alors se succéder (selon l'état du signal de commutation COM) et reproduire le cycle qui vient d'être présenté.
Dans une illustration complémentaire du fonctionnement d'un dispositif 1 conforme à l'invention, on représenté sur la figure 2 une situation où à un instant t5 le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c est généré lorsque la tension d'alimentation Va atteint une valeur seuil Vamax prédéterminée, inférieure à la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. Cette tension Vamax est choisie pour être supérieure à la tension nominale d'alimentation du circuit de commande 4. Afin d'éviter de charger la capacité réservoir de manière excessive, jusqu'à la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6, le circuit de commande est configuré pour générer le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c pour l'ouvrir et cesser de charger la capacité réservoir Cm, dès que la tension d'alimentation Va délivrée par le circuit d'alimentation 7c excède cette valeur seuil Vamax.
On observe ainsi sur la figure 2, à partir de cet instant t5, que l'ouverture de l'interrupteur 7c entraîne la remontée brutale de la tension de point milieu Vm à la tension d'avalanche du transistor basse tension VBR. On note également que dans le même temps, tension grillesource Vgs du transistor haute tension 5 passe sous la tension seuil Vt' de ce transistor, ce qui conduit à le rendre ouvert et à appliquer la tension du générateur Vbus entre ses bornes. La consommation électrique du circuit de commande 4 se poursuit, ce qui conduit à faire baisser la tension d'alimentation Va délivrée par le circuit d'alimentation.
Selon une variante non représentée, on peut également prévoir que le circuit de commande soit configuré pour détecter le passage de la tension d'alimentation Va sous une valeur seuil minimale Vamin prédéterminée. Sous cette tension seuil d'alimentation, le bon fonctionnement du circuit de commande n'est plus garanti. Aussi, le circuit de commande est configuré pour que cette détection entraîne le passage du dispositif 1 dans une configuration de sécurité. Il peut s'agir par exemple de faire basculer ou maintenir le signal de commande de la grille du transistor basse tension 6 dans un état ouvert dès lors que la tension d'alimentation franchit à la baisse ce seuil minimum Vamin. Le dispositif 1 est alors placé dans un état bloquant et sécurisé.
La figure 4 représente une version améliorée d'un dispositif de commutation 1 conforme à l'invention, sur laquelle on a omis de placer les transistors haute tension 5 et basse tension 6 pour plus de visibilité.
Outre les éléments déjà décrits en relation avec le dispositif de la figure 1, le circuit d'alimentation 7 de la version améliorée du dispositif 1 comprend, dans le circuit d'alimentation, un régulateur de tension
LDO disposé entre la capacité réservoir Vm et une capacité régulée
Cr connectée à la sortie 7b du circuit et fournissant la tension d'alimentation Va au circuit de commande.
Ces composants additionnels permettent de délivrer une tension d'alimentation Va bien moins oscillante que celle apparaissant aux bornes de la capacité réservoir Cm et qui fluctue selon les cycles de chargementdéchargement liée aux phases bloquantes passantes du dispositif 1.
On notera que la tension apparaissant aux bornes de la capacité réservoir Cm est néanmoins fournie au circuit de commande 4, au niveau d'une entrée de mesure haute impédance de ce circuit, la mesure de cette tension pouvant être utile, comme on l'a explicité précédemment, pour générer le signal de désactivation de l'interrupteur 7c lorsque la tension mesurée dépasse un seuil prédéterminé Vamax ou pour placer le dispositif dans une configuration de sécurité si la tension mesurée est inférieure à la tension seuil minimum Vamin.
Comme cela est bien connu en soi, et représenté sur la figure 5, le circuit de régulation LDO comprend typiquement un transistor dont la grille est connectée à la sortie d'un comparateur d'une tension de référence (telle qu'une tension de bandgap) et d'une tension représentative de celle apparaissant aux bornes de la capacité régulée Cr. Le comparateur rend passant ou bloquant le transistor de manière à transférer des charges de la capacité réservoir Cm à la capacité régulée Cr selon le besoin de manière à ce que la tension Va aux bornes de la capacité régulée Cr soit sensiblement égale à une tension de consigne suffisante pour alimenter le circuit de commande 4 et le rendre fonctionnel. Cette tension de consigne est déterminée par la valeur des résistances d'un pont diviseur dont la tension de point milieu est comparée à la tension de référence.
Plutôt que d'intégrer cette fonction de régulation de la tension d'alimentation Va dans le circuit d'alimentation 7 comme cela est proposé ici, on peut prévoir d'intégrer cette fonction dans le circuit de commande 4. On retrouve alors une configuration similaire à celle représentée sur la figure 1.
D'une manière générale, un dispositif de commutation conforme à l'invention permet donc d'accumuler des charges dans la capacité réservoir Cm du circuit d'alimentation 7 pendant les phases où le dispositif 1 est bloquant. Pendant les phases où le dispositif 1 est passant, le circuit d'alimentation est isolé des nœuds où circule un fort courant. On choisira donc la capacité réservoir Cm pour qu'elle accumule suffisamment de charges pour alimenter le circuit de commande lorsque le circuit d'alimentation 7 est isolé. Similairement, on maintiendra l'interrupteur 7c fermé suffisamment longtemps, pendant les phases où le dispositif 1 est bloquant, pour charger suffisamment la capacité réservoir Cm. Dans la pratique, cette durée pendant laquelle l'interrupteur 7c est fermé peut-être très courte (par exemple de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes par exemple), de manière à ne pas limiter la faculté du dispositif 1 à commuter d'une phase à l'autre à très qrande fréquence.
On notera que le circuit d'alimentation n'est exposé qu'a des tensions de faible grandeur (de l'ordre de la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6), si bien qu' il peut être constitué de composant qu' il ait aisé de fabriquer ou de se fournir, et donc peu onéreux. On peut donc se passer, à faible cout, d'une alimentation externe au dispositif.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Ainsi, bien que l'on ait représenté le transistor basse tension 6 et le transistor basse tension 5 reliés en configuration cascode, un dispositif de commutation 1 conforme à l'invention peut être mis en œuvre dans une configuration « cascade ». Dans cette configuration, la grille du transistor haute tension 5 n'est pas reliée à la source du transistor basse tension 6, et le circuit de commande 4 élabore alors un deuxième signal de commande IN' pour commander la grille du transistor haute tension 5. On contrôlera les deux signaux IN, IN' pour permettre d'accumuler des charges dans le circuit d'alimentation 7 pendant les phases ou le dispositif 1 est bloquant comme cela a bien été illustré dans la présente description.
Un dispositif de commutation conforme à l'invention peut être employé dans un système de conversion d'énergie, en configuration de demi-pont. Comme cela est bien connu en soi, un tel système comprend un commutateur haut et un 5 commutateur bas (chacun de ces commutateurs pouvant être conforme à l'invention) reliés à deux bornes de connexion. Une de ces bornes est reliée à une source de haute tension continue, et l'autre à la masse. Les deux commutateurs définissent un point milieu auquel est connectée une charge 10 résonnante.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de commutation (1) d'une charge comprenant deux bornes de commutations (2a, 2b) ;un transistor haute tension en mode déplétion (5) et un transistor basse tension en mode enrichissement (6) disposés en série entre les deux bornes de commutation (2a, 2b) et définissant un point milieu (M) ;un circuit de commande (4) générant un signal de commande (IN) de la grille du transistor basse tension (5) pour sélectivement placer le dispositif (1) dans un état passant ou dans un état bloquant ;un circuit d'alimentation (7) comprenant une entrée (7a) reliée au point milieu (M) et une sortie (7b) pour fournir une tension d'alimentation (Va) au circuit de commande (4) ;le circuit d'alimentation comprenant une capacité réservoir (Cm) reliée à un interrupteur normalement passant (7c) pour charger la capacité réservoir (Cm) et fournir la tension d'alimentation (Va) au circuit de commande (4) lorsque le dispositif de commutation (1) est relié à la charge.
- 2. Dispositif de commutation (1) selon la revendication précédente dans lequel la grille du transistor haute tension (5) est électriquement reliée à la source du transistor basse tension (6).
- 3. Dispositif de commutation (1) selon la revendication 1 dans lequel le circuit de commande génère un deuxième signal de commande de la grille du transistor haute tension (5).
- 4. Dispositif de commutation (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le circuit d'alimentation (7) comprend une diode électriquement reliée à l'entrée (7a) du circuit.
- 5. Dispositif de commutation (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le circuit d'alimentation (7) comprend également un circuit de régulation de la tension d'alimentation.
- 6. Dispositif de commutation (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le circuit de commande (4) est configuré pour générer un signal de désactivation (DIS) de l'interrupteur (7c) tant que le premier siqnal de commande est généré pour placer le dispositif (1) à l'état passant.
- 7. Dispositif de commutation (1) selon l'une des revendications précédentes, le transistor haute tension (5) présentant une tension seuil (Vt' ) supérieure en valeur absolue à la tension d'alimentation (Va) suffisante pour rendre le dispositif de commande (4) fonctionnel.
- 8. Dispositif de commutation (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le circuit de commande (4) est configuré pour générer un signal de désactivation (DIS) de l'interrupteur (7c) lorsque la tension d'alimentation (Va) excède une tension seuil (Vamax).
- 9. Dispositif de commutation (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le circuit de commande (4) est configuré pour placer le dispositif dans une configuration de sécurité lorsque la tension d'alimentation (Va) franchit à la baisse une tension seuil minimale (Vamin).
- 10. Procédé de commande d'un dispositif de 5 commutation (1) selon l'une des revendications précédentes, le procédé comprenant :- une phase bloquante pendant laquelle le circuit de commande (4) génère un signal de commande pour ouvrir le transistor basse tension (6) ;10 - une phase passante pendant lequel le circuit de commande (4) génère un signal de commande pour fermer le transistor basse tension (6) ;le procédé comprenant la génération par le circuit de commande (4) d'un signal de désactivation 15 (DIS) pour ouvrir l'interrupteur (7c) du circuit d'alimentation (7) au moins pendant la phase passante du dispositif de commutation (1).
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