WO2004098057A2 - Interrupteur electrique a semi-conducteurs, et application - Google Patents
Interrupteur electrique a semi-conducteurs, et application Download PDFInfo
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- H03K17/122—Modifications for increasing the maximum permissible switched current in field-effect transistor switches
Definitions
- the invention relates generally to the field of electrical control.
- the invention relates, according to a first of its aspects, an electrical switch comprising an input, an output, and at least a first branch connecting the output to the input and selectively authorizing the circulation of an electric current, according to either of two opposite directions, between entry and exit.
- the switches meeting this definition include in particular switches of the mechanical type with movable contacts controlled by an electrical signal acting on an electromagnet, well known to those skilled in the art for being robust and of very low impedance in the on state, which allows them to be crossed by high intensity currents without having to have a large footprint.
- switches with movable contacts have high time constants on opening and closing, that is to say that the transition from their state passing to their blocked state or the reverse passage are relatively slow.
- a mechanical type switch can typically have an impedance of 10 m ⁇ and a time constant of 1 s.
- Switches meeting the generic definition above also include type switches electronics, well known to those skilled in the art for their very low time constant, but on the other hand having threshold voltages deemed to be inevitable and relatively high.
- the known blockable assemblies use diodes and components of the transistor type, which typically have a time constant of 1 order of the microsecond.
- the object of the present invention is to propose an electronic type switch having, in the on state, a reduced threshold voltage.
- the switch of the invention is essentially characterized in that it comprises at least one second branch selectively authorizing the circulation of a electric current in one or other of the two opposite directions between the input and the output of this switch, in that each branch is constituted by a corresponding pair of field effect semiconductor components mounted between the input and the output of the switch and each of which comprises at least one drain, one source and one grid, in that the components of each pair are connected to each other by their respective sources, and in that this switch comprises polarization means controlled to selectively adopt a first or a second state in which they apply respectively, between the grid and the source of each component of each pair of components, a first bias voltage value simultaneously placing the components of each pair in a passing state, or a second bias voltage value simultaneously placing the components of each pair in a blocked state.
- each transistor of each pair of this assembly is controlled individually for or not be connected in parallel on one of two corresponding main transistors.
- the switch of the invention is advantageously usable in a configuration in which its input and its output form in operation two points of an active conducting wire of an electric line.
- Each aforementioned component can be constituted by a field effect and metal oxide transistor, comprising for example a negatively doped channel.
- the switch of the invention is particularly suitable for the production of a circuit breaker.
- FIG. 1 is a diagram showing a circuit breaker implementing a switch according to a first possible embodiment of the invention.
- FIG. 2 is a switch according to a second possible embodiment of the invention.
- the invention relates to an electrical switch provided with one or more branches, such as Bl (FIG. 1), B2, or Bn (FIG. 2) connecting an output S to an input E of this switch.
- branches such as Bl (FIG. 1), B2, or Bn (FIG. 2) connecting an output S to an input E of this switch.
- Each branch is designed to adopt, at will, a passing state in which it authorizes, between the entry E and the output S, the circulation through it of an electric current such as Idl, indifferently according to one or the other of two opposite directions XI and X2, that is to say a blocked state in which it prohibits the circulation of this current .
- the input E and the output S of the switch are two points of the active conductor wire L1.
- a varistor R0 can be connected between input E and output S to limit the overvoltage created by the line choke when the current is blocked.
- the first branch Bl consists of a first pair of field effect semiconductor components, T11 and T12, mounted between the input E and the output S of the switch.
- the components T11 and T12 illustrated are field effect and metal oxide transistors, known to those skilled in the art under the name MOSFET, and of type "N", that is to say having a negatively doped channel.
- the transistors Tll and T12 have respective drains dll and dl2 respectively connected to the input E and to the output S of the switch, respective sources sll and sl2 by which these transistors are connected to each other, and respective grids gll and gl2 controlled by a polarization circuit POL.
- the polarization circuit POL comprises for example a control unit COM provided with a terminal cl delivering a controlled electrical potential, a polarization resistance Rpoll connected to the terminal cl and the gate gll of the transistor Tll, and a polarization resistance Rpol2 connected at terminal cl and at gate gl2 of transistor T12.
- the COM control unit for example constituted by a microcontroller, is supplied between its terminals cO and c4 by a supply circuit ALIM connected to the line wires L0 and Ll.
- the COM control unit also receives on a terminal c5 the voltage of the active wire L1, the potential difference between the terminals c4 and c5 thus allowing the COM control unit to detect the zero crossing of the voltage of the line L0-L1 and measure the instantaneous tension of the active wire L1.
- this COM control unit has a terminal c2 on which it receives a signal emitted by a differential current sensor Kdiff and representative of a possible difference in the currents flowing in the wires L0 and Ll, as well as a terminal c3 on which it receives a signal emitted by a total current sensor Ktot and representative of the total current flowing in the active wire L1.
- control unit COM When the control unit COM receives on its terminals c2 and c3 signals whose level indicates no electrical anomaly, this unit delivers on its terminal cl a voltage which brings to a value VI the voltage Vgs existing between the gate and the source of each of the transistors Tll and T12, that is to say both the voltage between the gate gll and the source sll of transistor T11 as the voltage between gate gl2 and source sl2 of transistor T12.
- the value VI is for example chosen on the order of a few volts, typically up to ten volts, so that the transistors T11 and T12 are then simultaneously placed in their on state.
- each of the transistors T11 and T12 works in its resistive zone, defined by:
- Vds Rdson * Idl, where Idl is the drain current flowing through the branch Bl, where Vds is the drain-source voltage of this transistor, and where Rdson is the drain-source resistance of this same transistor in the on state.
- the impedance of the branch Bl is reduced to the sum of the drain-source resistances of two transistors T11 and T12 in the conducting state, that is to say twice the drain-source resistance Rdson of each of them in the preferred case where these transistors are identical,
- the control unit COM When, on the other hand, the control unit COM receives on one and / or the other of its terminals c2 and c3 a signal whose level indicates the appearance of an electrical anomaly, this unit delivers on its terminal cl a voltage which brings to a value V0 the voltage Vgs existing between the gate and the source of each of the transistors Tll and T12, that is to say both the voltage between the gate gll and the source sll of the transistor Tll as the voltage between gate gl2 and source sl2 of transistor T12.
- the value V0 of the voltage Vgs existing between the gate and the source of each of the transistors Tll and T12 is then for example set to zero, the transistors Tll and T12 thus being simultaneously placed in their blocked state.
- the switch of the invention instead of comprising only a single branch B1, can comprise a plurality of branches denoted B1, B2, etc. up to Bn, where "n" denotes an integer at least equal to two.
- Each branch fulfills a primary function identical to that which has just been described for the branch Bl, namely that each branch such as B2 or Bn selectively authorizes circulation, between the input E and the output S of the switch, and indifferently in one or other of the directions XI and X2, of an electric current, such as Id2 or Idn, representing in 1 occurrence a fraction of the total current Id flowing between the input E and the output S of l 'light switch.
- Each branch such as Bl, B2, or Bn is for example constituted by a corresponding pair of transistors
- MOSFETs such as Tll, T12, T21, T22 or Tnl, Tn2, mounted between the input E and the output S of the switch and each of which comprises a drain such as dll, dl2, d21, d22, or dnl, dn2, a source such as sll, sl2, s21, s22 or snl, sn2, and a grid such as gll, gl2, g21, g22, or gnl, gn2, the transistors of each pair being connected to one another by their respective sources.
- the polarization circuit POL is connected to these different transistors so as to apply, between the gate and the source of each of these transistors, a polarization voltage Vgs taking the value VI or the value V0 depending on whether the control unit COM does detects no anomaly on any of its terminals c2 and c3, or on the contrary detects an anomaly on at least one of these same terminals.
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Abstract
L'invention concerne un interrupteur électrique dont une branche active (B1) autorise sélectivement la circulation d'un courant électrique (Id1) bidirectionnel entre une entrée (E) et une sortie (S) de cet interrupteur. Selon l'invention, la branche active (B1) comprend deux composants semi-conducteurs (T11, T12) à effet de champ dotés chacun d'un drain (d11, d12), d'une source (s11, s12) et d'une grille (g11, g12) et connectés par leurs sources respectives (s11, s12), un circuit de polarisation (POL) étant prévu pour appliquer sélectivement, entre la grille et la source de chacun des deux composants, une tension de polarisation (Vgs) plaçant simultanément ces deux composants dans un état passant, ou dans un état bloqué.
Description
INTERRUPTEURELECTRIQUEA SEMI-CONDUCTEURS, ETAPPLICATION.
L'invention concerne, de façon générale, le domaine de la commande électrique.
Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, un interrupteur électrique comprenant une entrée, une sortie, et au moins une première branche reliant la sortie à l'entrée et autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique, suivant l'une ou l'autre de deux directions opposées, entre l'entrée et la sortie.
Les interrupteurs répondant à cette définition incluent notamment les interrupteurs de type mécanique à contacts mobiles commandés par un signal électrique agissant sur un électro-aimant, bien connus de l'homme de métier pour être robustes et de très faible impédance à 1 ' état passant, ce qui leur permet d'être traversés par des courants de forte intensité sans pour autant devoir présenter un encombrement important .
En revanche, les interrupteurs à contacts mobiles présentent des constantes de temps élevées à l'ouverture et à la fermeture, c'est-à-dire que le passage de leur état passant à leur état bloqué ou le passage inverse sont relativement lents .
Un interrupteur de type mécanique peut typiquement présenter une impédance de 10 mΩ et une constante de temps de 1 s .
Les interrupteurs répondant à la définition générique ci- dessus incluent également les interrupteurs de type
électronique, bien connus de l'homme de métier pour leur constante de temps très faible, mais présentant en revanche des tensions de seuil réputées inévitables et relativement élevées .
En effet, les montages bloquables connus utilisent des diodes et des composants du type transistors, qui présentent typiquement une constante de temps de 1 ' ordre de la microseconde.
En revanche, les montages connus à base de composants électroniques, utilisés pour la réalisation d'interrupteurs bidirectionnels, font toujours apparaître une force contre-électromotrice équivalente qui accroît de façon irrémédiable la tension de déchet de ces interrupteurs .
Des montages de ce type sont par exemple décrits dans les documents de brevets DE 19548612 et WO 9311608.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un interrupteur de type électronique présentant, à l'état passant, une tension de seuil réduite.
A cette fin, l'interrupteur de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins une deuxième branche autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique suivant l'une ou l'autre des deux directions opposées entre l'entrée et la sortie de cet interrupteur, en ce que chaque branche est constituée par une paire correspondante de composants semi-conducteurs à effet de champ montés entre 1 ' entrée et la sortie de l'interrupteur et dont chacun comprend au moins un drain, une source et une grille, en ce que les composants de
chaque paire sont connectés l'un à l'autre par leurs sources respectives, et en ce que cet interrupteur comprend des moyens de polarisation commandés pour adopter sélectivement un premier ou un second états dans lesquels ils appliquent respectivement, entre la grille et la source de chaque composant de chaque paire de composants, une première valeur de tension de polarisation plaçant simultanément les composants de chaque paire dans un état passant, ou une seconde valeur de tension de polarisation plaçant simultanément les composants de chaque paire dans un état bloqué .
Bien que l'homme du métier connaisse, par l'article de W. Heinzer : « Don't trade off analog-s itch specs », Electronic Design., vol.25, No.15, 19 juillet 1977, pages 56-61, des montages en parallèle de paires de composants semi-conducteurs à effet de champ, cet article préconise l'emploi de montages dans lesquels les sources de ces différents composants sont portées à des potentiels différents et/ou flottants, de tels montages s 'avérant impropres à remplir le rôle d'interrupteur notamment lorsqu'ils sont associés à des charges capacitives.
Par ailleurs, bien que l'homme du métier connaisse, par la figure 8 du document de brevet WO 99 29040, un montage comprenant des paires de transistors reliés par leurs sources, en fait chaque transistor de chaque paire de ce montage est commandé individuellement pour être, ou non, connecté en parallèle sur l'un de deux transistors principaux correspondants .
Ce document, qui détourne donc l'homme du métier d'appliquer une même valeur de tension de polarisation entre la grille et la source de chaque composant de chaque paire de composants, vise en fait à proposer un circuit dont la tolérance de conductance peut être
ajustée par contrôle individuel de la tension de grille de chaque transistor.
Contrairement aux circuits décrits dans les documents antérieurs précités, l'interrupteur de l'invention est avantageusement utilisable dans une configuration dans laquelle son entrée et sa sortie forment en fonctionnement deux points d'un fil conducteur actif d'une ligne électrique.
Chaque composant précité peut être constitué par un transistor à effet de champ et à oxyde métallique, comportant par exemple un canal dopé négativement .
L ' interrupteur de 1 ' invention est particulièrement adapté à la réalisation d'un disjoncteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma représentant un disjoncteur mettant en oeuvre un interrupteur conforme à un premier mode de réalisation possible de l'invention ; et
- la figure 2 est un interrupteur conforme à un second mode de réalisation possible de l'invention.
Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un interrupteur électrique doté d'une ou plusieurs branches, telles que Bl (figure 1), B2 , ou Bn (figure 2) reliant une sortie S à une entrée E de cet interrupteur.
Chaque branche est conçue pour adopter, à volonté, soit un état passant dans lequel elle autorise, entre l'entrée
E et la sortie S, la circulation à travers elle d'un courant électrique tel que Idl, indifféremment suivant l'une ou l'autre de deux directions opposées XI et X2 , soit un état bloqué dans lequel elle interdit la circulation de ce courant.
Dans le cas, illustré à la figure 1, où l'interrupteur est intégré à un disjoncteur contrôlant l'état d'une ligne électrique comprenant par exemple un fil conducteur neutre L0 et un fil conducteur actif Ll, l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur sont deux points du fil conducteur actif Ll .
Une varistance R0 peut être branchée entre l'entrée E et la sortie S pour limiter la surtension créée par la self de ligne au moment du blocage du courant .
Comme le montre la figure 1, la première branche Bl est constituée par une première paire de composants semi- conducteurs à effet de champ, Tll et T12, montés entre l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur.
En l'occurrence, les composants Tll et T12 illustrés sont de transistors à effet de champ et à oxyde métallique, connus de l'homme de métier sous la dénomination MOSFET, et de type "N" c'est-à-dire présentant un canal dopé négativement .
Les transistors Tll et T12 présentent des drains respectifs dll et dl2 respectivement connectés à l'entrée E et à la sortie S de l'interrupteur, des sources respectives sll et sl2 par lesquelles ces transistors sont connectés l'un à l'autre, et des grilles respectives gll et gl2 commandées par un circuit de polarisation POL.
Le circuit de polarisation POL comprend par exemple une unité de commande COM dotée d'une borne cl délivrant un potentiel électrique contrôlé, une résistance de polarisation Rpoll reliée à la borne cl et la grille gll du transistor Tll, et une résistance de polarisation Rpol2 reliée à la borne cl et à la grille gl2 du transistor T12.
L'unité de commande COM, par exemple constituée par un microcontrôleur, est alimentée entre ses bornes cO et c4 par un circuit d'alimentation ALIM relié aux fils de ligne L0 et Ll .
L'unité de commande COM reçoit par ailleurs sur une borne c5 la tension du fil actif Ll, la différence de potentiel entre les bornes c4 et c5 permettant ainsi à l'unité de commande COM de détecter le passage par zéro de la tension de la ligne L0-L1 et de mesurer la tension instantanée du fil actif Ll .
Enfin, cette unité de commande COM présente une borne c2 sur laquelle elle reçoit un signal émis par un capteur de courant différentiel Kdiff et représentatif d'une éventuelle différence des courants circulant dans les fils L0 et Ll, ainsi qu'une borne c3 sur laquelle elle reçoit un signal émis par un capteur de courant total Ktot et représentatif du courant total circulant dans le fil actif Ll .
Lorsque l'unité de commande COM reçoit sur ses bornes c2 et c3 des signaux dont le niveau n'indique aucune anomalie électrique, cette unité délivre sur sa borne cl une tension qui porte à une valeur VI la tension Vgs existant entre la grille et la source de chacun des transistors Tll et T12 , c'est-à-dire aussi bien la tension entre la grille gll et la source sll du
transistor Tll que la tension entre la grille gl2 et la source sl2 du transistor T12.
La valeur VI est par exemple choisie de l'ordre de quelques volts, typiquement jusqu'à une dizaine de volts, de manière que les transistors Tll et T12 soient alors simultanément placés dans leur état passant.
Dans ce cas, chacun des transistors Tll et T12 travaille dans sa zone résistive, définie par :
Vds = Rdson * Idl, où Idl est le courant de drain parcourant la branche Bl, où Vds est la tension drain- source de ce transistor, et où Rdson est la résistance drain-source de ce même transistor à l'état passant.
Dans le mesure où à la fois le sens du courant Idl et la polarité de la tension drain-source Vds diffèrent d'un transistor à l'autre, l'impédance de la branche Bl se réduit à la somme des résistances drain-source des deux transistors Tll et T12 à l'état passant, c'est-à-dire au double de la résistance drain-source Rdson de chacun d'eux dans le cas préféré où ces transistors sont identiques,
Lorsqu'en revanche l'unité de commande COM reçoit sur l'une et / ou l'autre de ses bornes c2 et c3 un signal dont le niveau indique l'apparition d'une anomalie électrique, cette unité délivre sur sa borne cl une tension qui porte à une valeur V0 la tension Vgs existant entre la grille et la source de chacun des transistors Tll et T12, c'est-à-dire aussi bien la tension entre la grille gll et la source sll du transistor Tll que la tension entre la grille gl2 et la source sl2 du transistor T12.
Cette situation apparaît donc soit lorsque le signal émis par le capteur de courant différentiel Kdiff prend une valeur sensiblement différente de zéro, révélatrice d'une mise à la masse accidentelle d'un récepteur électrique alimenté par le fil actif Ll, soit lorsque le signal émis par le capteur de courant total Ktot prend une valeur supérieure à un seuil prédéterminé, révélatrice d'une surcharge du circuit alimenté par le fil actif Ll, soit a fortiori lorsque les signaux reçus sur chacune des bornes c2 et c3 se situent tous les deux hors de leurs plages normales .
La valeur V0 de la tension Vgs existant entre la grille et la source de chacun des transistors Tll et T12 est alors par exemple mise à zéro, les transistors Tll et T12 étant ainsi simultanément placés dans leur état bloqué.
Comme le montre la figure 2 , 1 ' interrupteur de l'invention, au lieu de ne comprendre qu'une seule branche Bl, peut comprendre une pluralité de branches notées Bl, B2 , etc. jusqu'à Bn, où "n" désigne un nombre entier au moins égal à deux.
Chaque branche remplit une fonction première identique à celle qui vient d'être décrite pour la branche Bl, à savoir que chaque branche telle que B2 ou Bn autorise sélectivement la circulation, entre l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur, et indifféremment dans l'une ou l'autre des directions XI et X2 , d'un courant électrique, tel que Id2 ou Idn, représentant en 1 ' occurrence une fraction du courant total Id circulant entre l'entrée E et la sortie S de l'interrupteur.
Chaque branche telle que Bl, B2 , ou Bn est par exemple constituée par une paire correspondante de transistors
MOSFET tels que Tll, T12, T21, T22 ou Tnl, Tn2 , montés
entre 1 ' entrée E et la sortie S de 1 ' interrupteur et dont chacun comprend un drain tel que dll, dl2 , d21, d22, ou dnl, dn2, une source telle que sll, sl2, s21, s22 ou snl, sn2 , et une grille telle que gll, gl2 , g21, g22, ou gnl, gn2 , les transistors de chaque paire étant connectés l'un à 1 ' autre par leurs sources respectives .
Le circuit de polarisation POL est relié à ces différents transistors de manière à appliquer, entre la grille et la source de chacun de ces transistors, une tension de polarisation Vgs prenant la valeur VI ou la valeur V0 selon que l'unité de commande COM ne détecte aucune anomalie sur aucune de ses bornes c2 et c3 , ou au contraire détecte une anomalie sur l'une au moins de ces mêmes bornes .
Claims
1. Interrupteur électrique comprenant une entrée (E) , une sortie (S) , et au moins une première branche (Bl) reliant la sortie (S) à l'entrée (E) et autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique (Idl), suivant l'une ou l'autre de deux directions opposées (XI, X2), entre l'entrée et la sortie, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une deuxième branche (B2) autorisant sélectivement la circulation d'un courant électrique (Id2) suivant l'une ou l'autre des deux directions opposées (XI, X2) entre l'entrée (E) et la sortie (S) de cet interrupteur, en ce que chaque branche (Bl, B2) est constituée par une paire correspondante de composants semi-conducteurs (Tll, T12 ; T21, T22) à effet de champ montés entre l'entrée (E) et la sortie (S) de l'interrupteur et dont chacun comprend au moins un drain (dll, dl2 ; d21, d22), une source (sll, sl2; s21, s22) et une grille (gll, gl2 ; g21, g22), en ce que les composants (Tll, T12 ; T21, T22) de chaque paire sont connectés l'un à l'autre par leurs sources respectives (sll, sl2 ; s21, s22), et en ce que cet interrupteur comprend des moyens de polarisation (POL) commandés pour adopter sélectivement un premier ou un second états dans lesquels ils appliquent respectivement, entre la grille (gll, gl2 ; g21, g22) et la source (sll, sl2 ; s21, s22) de chaque composant (Tll, T12 ; T21, T22) de chaque paire de composants, une première valeur (VI) de tension de polarisation (Vgs) plaçant simultanément les composants de chaque paire dans un état passant, ou une seconde valeur (V0) de tension de polarisation (Vgs) plaçant simultanément les composants de chaque paire dans un état bloqué.
2. Interrupteur électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que son entrée (E) et sa sortie (S) forment en fonctionnement deux points d'un fil conducteur actif (Ll) d'une ligne électrique.
3. Interrupteur électrique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque composant (Tll, T12 ; T21, T22) est un transistor à effet de champ et à oxyde métallique.
4. Interrupteur électrique suivant la revendication 3 , caractérisé en ce que chaque transistor (Tll, T12 ; T21, T22) comporte un canal dopé négativement.
5. Application d'un interrupteur électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'un disjoncteur.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW |
|
| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| DPEN | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101) | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |