FR2538632A1 - Procede et circuit de commande de transistor de puissance - Google Patents

Abstract

On détecte la dérivée du potentiel collecteur-émetteur du transistor T par rapport à l'intensité de base, de préférence en effectuant un balayage linéaire de l'intensité de base, on compare la valeur de cette dérivée dans un étage comparateur 5 à une valeur limite inférieure et une valeur limite supérieure déterminant une zone de fonctionnement optimale du transistor au voisinage de sa quasi-saturation et l'on asservit l'intensité de base au résultat de la comparaison. On obtient un gain important et un fonctionnement optimal du transistor de puissance T. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

Procédé et circuit de commande de transistor de puissance.

La présente invention a trait à un procédé de commande d'un transistor de puissance destiné à l'asservir dans sa zone optimale de fonctionnement L'invention a également trait à un circuit pour la mise en oeuvre de

ce procédé.

D'une façon -générale, les commandes de base de transistors de puissance, par exemple des transistors de commande d'une alimentation d'un moteur, d'un dispositif à actionnement périodique etc, utilisent un courant de base fixe, d'une intensité suffisante pour permettre

la commande du transistor compte tenu des variations éventuel-

les du courant collecteur Ces commandes correspondent

à un gain de l'ordre de 10 considéré pour le courant collec-

teur maximal.

Ce gain est considéré généralement comme satisfai-

sant Cependant, si le courant collecteur varie dans une large mesure, ou bien si la température du transistor de puissance est susceptible de varier, ces commandes deviennent beaucoup moins satisfaisantes et correspondent

alors à des gains réduits.

La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients et de fournir un procédé de commande d'un transistor de puissance autorisant de larges variations de courant collecteur et de température tout en conservant

un gain élevé dans toutes les circonstances de fonctionne-

ment. Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un tel procédé qui permette une élévation

substantielle du gain.

Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un tel procédé qui puisse être adapté à des circuits de commande ne consommant qu'une quantité minimale

d'énergie et ne dissipant qu'une faible quantité de chaleur.

L'invention a également -pour but de fournir

des circuits permettant la mise en oeuvre de ce procédé.

L'invention a pour objet un procédé de commande de base d'un transistor de puissance, caractérisé en ce que l'on détecte la dérivée du potentiel collecteur-émetteur du transistor de puissance par rapport à l'intensité de base de ce transistor et que l'on asservit le courant de base, de façon à maintenir la valeur de la dérivée entre deux limites, l'une supérieure, l'autre inférieure choisies de façon à délimiter une zone optimale de fonctionnement

du transistor.

La zone de fonctionnement optimale du transistor est considérée comme celle dans laquelle le courant de

base est minimum tout en maintenant le potentiel collecteur-

émetteur à un niveau faible Si l'on trace des courbes montrant la variation du potentiel collecteur-émetteur en fonction de l'intensité de base pour une intensité collecteur déterminée, cette zone de fonctionnement optimale se trouve au voisinage du point de plus grande courbure

de ces courbes.

Dans un mode de mise en oeuvre préféré de l'inven-

faire tion, on peut/varier de façon continue, le courant de base afin de provoquer une variation correspondante du potentiel collecteur-émetteur qui est mesuré, et dont on calcule la dérivée par rapport au temps Dans un but

de simplification, on préfère que la variation de l'intensi-

té de base soit obtenue par un balayage dans le temps, de façon à faire croître puis décroître alternativement l'intensité de base, de préférence de façon linéaire ou sensiblement linéaire. On est ainsi dispensé de la mesure de l'intensité de base elle-même, connaissant la variation de cette

intensité dans le temps.

De préférence, la détection de la valeur de la dérivée s'effectue de façon analogique par obtention d'une image de cette dérivée, comparaison de cette dérivée auxdites valeurs inférieure et supérieure, asservissement de la valeur de l'intensité de base en fonction de ladite comparaison, ces opérations s'effectuant tout en conservant de préférence un balayage de l'intensité de base comme

il a été dit précédemment.

Ainsi, si l'on réalise un balayage linéaire de l'intensité de base, il suffit de réaliser une image électrique de la dérivée du potentiel collecteur-émetteur,

ce qui donne,à une constante près, l'image de la dérivée.

Ainsi, on peut dériver le potentiel collecteur-

émetteur dans un étage dérivateur, comparer cette dérivée dans un étage comparateur, puis intégrer le résultat de la comparaison de façon à générer la rampe de balayage

de l'intensité de base.

Cependant,le procédé peut également être mis en oeuvre de façon numérique Dans ce cas, on effectue une exploration pas à pas du potentiel collecteur-émetteur en fonction de l'intensité de base, on calcule la dérivée pour chacun des points de mesure, on compare le résultat du calcul à des valeurs préétablies inférieure et supérieure

et l'on commande l'intensité de base de façon correspondante.

Grâce à l'invention, il est facile d'obtenir des gains en courant situés entre 15 et 20 pour une tension de saturation tout à fait convenable En outre, le fait

que le transistor fonctionne près de sa zone de quasi-

saturation, favorise l'ouverture du transistor du fait

que les charges qui sont stockées dans la base sont minima-

les. L'invention a également pour objet -un circuit pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour détecter la dérivée du potentiel collecteur-émetteur du transistor par rapport à l'intensité de base de celui-ci, des moyens pour comparer les valeurs détectées à des valeurs inférieure et supérieure déterminées et des moyens d'asservissement de l'intensité de base pour maintenir la valeur de la dérivée à l'intérieur

desdites limites.

Lesdits moyens peuvent être, totalement ou en partie, de type numérique, mais on préfère utiliser des

moyens de type analogique.

De préférence, le dispositif comporte des moyens de balayage en intensité de base de façon à faire varier constamment le potentiel collecteurémetteur, afin de pouvoir dériver celui-ci par rapport au temps, lesdits moyens de étant de préférence prévus pour un balayage

linéaire ou quasi-linéaire.

Les moyens permettant de détecter la dérivée du potentiel collecteurémetteur sont de préférence des

moyens dérivateurs permettant de détecter la dérivée du-

dit potentiel dans le temps.

Ainsi, le circuit peut avantageusement comporter

un étage dérivateur sensible au potentiel collecteur-

émetteur et comprenant de préférence un amplificateur différentiel suivi du dérivateur proprement dit, puis un étage comparateur permettant de comparer la valeur de dérivée recueillie aux deux valeurs limites inférieure et supérieure, l'étage comparateur pouvant avantageusement comprendre un double comparateur, et des moyens de réglage en intensité comprenant un intégrateur sensible au résultat de la comparaison pour générer une rampe alternativement ascendante et descendante en agissant sur une source de

courant convenable.

L'interrupteur et la source de courant peuvent, le *cas échéant, être remplacés par un circuit à découpage

de courant.

Dans une autre forme de réalisation, l'in tégrateur ou générateur de rampe et la source de courant peuvent être remplacés par une commande de base du type décrit dans la demande de brevet français 82 16592 déposée le 4 octobre 1982 Un tel dispositif génère une intensité de

commande alternativement croissante et décroissante mais -

non linéaire, de sorte que l'on en tiendra compte dans la détermination des limites maximales et minimales

en les corrigeant par des coefficients.

D'autres avantages et caractéristiques de l'inven-

tion apparaîtront à la lecture *de la description suivante,

faite à titre d'exemple non limitatif et se référant au dessin annexé dans lequel

La figure 1 représente une vue des courbes carac-

téristiques VCE/IB-

La figure 2 représente un bloc schéma d'un circuit

selon l'invention.

La figure 3 représente un schéma d'un tel circuit.

La figure 4 représente une vue des signaux élec-

triques au niveau des différents points du circuit.

La figure 5 représente une vue d'un circuit

selon une forme perfectionnée selon l'invention.

Èn se réfère tout d'abord à la figure 1.

Sur cette figure on a représenté un graphique

comprenant en abscisse l'intensité de base IB d'un transis-

tor de puissance, par exemple du type BUX 20, en ampères et en ordonnée le potentiel collecteur-émetteur Vc E en volts Les différentes courbes représentées correspondent

à des intensités de courant collecteur Tc constantes.

Plus précisément, on a figuré les quatre cou Aes fk V ur

C ic 30 ampères, 20 ampères, 15 ampères et 10 ampères.

Lorsque, de façon classique, le transistor de puissance est commandé avec une intensité de base IB est e constante qui, pour un transistor/de l'ordre de 3 ampères, on se rend compte que les performances, moyennes pour un courant collecteur de 30 ampères, deviennent très faibles

pour un courant collecteur de 10 ampères Les points cor-

respondants sur les courbes sont référencés bl, b 2, b 3 et b 4. Si de façon plus perféctionnée mais classiqte, on travaille à gain constant, les points de fonctionnement se trouveront cette fois-ci sur la droite rejoignant les points al, a 2, a 3 et a 4 = b 4 On obtient, dans ce cas, de meilleures performances puisque l'intensité de base diminue lorsque l'intensité collecteur i C diminue Cependant, même dans ce cas de fonctionnement, le transistor reste

loin de sa zone optimale de saturation.

C'est pourquoi, conformément à l'invention, on désire travailler dans une zone optimale de fonctionnement dont la limite inférieure en intensité est définie par les points c 5, c 6, c 7, c 8, c'est-à-dire les points o la courbe IC = constante, possède une pente de tangente (négative) ayant la même valeur pour chacun des points c 5 à c 8 et une valeur absolue limite au-delà de laquelle on considère que l'augmentation de potentiel liée à une diminution d'intensité devient trop importante, alors que la limite supérieure en intensité est définie par les points cl, c 2, c 3, c 4 ayant tous la même pente de tangente (négative) de valeur absolue inférieure à celle des points c 5 à c 8 précités, la ligne cl, c 2, c 3, c 4, étant choisie assez proche de la ligne c 5, c 6, c 7, c 8, de façon à travailler dans une zone de fonctionnement de faible dimension étant entendu quepar contre, la différence des pentes de tangente aux points tels que c 4 et c 5 doit être suffisante pour que les deux valeurs limites inférieure et supérieure correspondantes soientsuffisamment différentes pour le fonctionnement d'un circuit selon l'invention Dans

la pratique, l'amplitude en intensité de la zone, c'est-

la à-dire /différence des abscisses des couples de points cl c 8, c 2 -c 7, c 4 -c 5, peut être comprise par exemple entre 0,1 et 0,3 ampère Conformément à l'invention, le procédé de commande

de base de transistor de puissance va comparer, à l'inté-

rieur de la zone optimale de fonctionnement hachurée sur le dessin, la valeur détectée de la dérivée d YCE d IB qui est matérialisée sur le graphique par la pente de

la tangente au point considéré sur la courbe Ic en fonc-

tionnement, aux valeurs 'des pentes des tangentes sur les lignes cl à c 4 et c 5 à c 8, le résultat de la comparaison étant utilisé pour commander l'intensité de base IB de façon que le point de fonctionnement reste constamment

dans ladite zone.

On voit, en se référant à la figure 2, un bloc schéma d'un circuit selon l'invention o l'on remarque

le transistor de puissance T avec sa base B, son collec-

teur C et son émetteur E, le périmètre contenant le transistor comprenant des moyens permettant 'de capter la valeur instantanée VCE qui est adressée par une ligne 2 à des moyens de dérivation 3 de façon à obtenir sur la ligne de sortie 4, la dérivée du potentiel collecteur-émetteur par rapport à l'intensité de base,

cette valeur instantanée étant adressée auxmoyensde compa-

raison 5 dans lesquels on a affiché la valeur de la limite supérieure (pente des tangentes aux points c 5, c 6, c 7 ou c 8) et la valeur limite inférieure correspondant à la pente ou tangente auxpointscl, c 2, c 3 ou c 4 Le résultat de la comparaison est adressé par la ligne 6 à un circuit

de balayage qui provoque un balayage alternativement crois-

sant et décroissant de l'intensité IB, cette intensité IB étant adresséepar la ligne 8 à la base B du transistor T. Ainsi, en supposant que l'intensité collecteur ic soit constante, l'intensité IB varie très légèrement de part et d'autre de la valeur moyenne correspondant àcdte intensité collecteur pour le potentiel VCE asservi entre les valeurs telles que cl, c 8, etc correspondant à la courbe IC en question. Si l'intensité collecteur Ic a varié pour une raison quelconque, le dispositif selon l'invention, détectant une variation de pente, va réagir et maintient l'intensité IB et donc le potentiel VCE dans la zone

optimale de fonctionnement.

La réalisation des moyens de dérivation 3 permet-

tant d'obtenir la valeur de la dérivée d VCE d IB peut être, selon le cas de figure, relativement complexe et nécessiter éventuellement un passage par une

voie numérique qui est forcément assez lente.

En -conséquence, on préfère dériv Er simplement VCE par rapport au temps, ce qui peut être fait par des moyens classiques de dérivation en réalisant un balayage linéaire. En effet, dans ce cas d VCE = d VCE d Il = k DVCE dt d IB dt d IB

o k est une constante.

En se référant aux figures 3 et 4, on voit un

circuit selon l'invention ainsi constitué de façon analogi-

que. La tension VCE est détectée par les conducteurs 2 a, 2 b, pour être adressée à un amplificateur différentiel 9 comprenant un amplificateur proprement dit et son montage

de résistances RI, R 2, R 3 et R 4 La sortie 10 de l'amplifica-

teur différentiel aboutit au dérivateur proprement dit

il, l'ensemble 9 et 11 formant les moyens dérivateurs 3.

L'ensemble 11 est un dérivateur classique avec son ampli-

ficateur, sa capacité C 1 et ses résistances R 5 et R 6.

La sortie 4 du dérivateur est adressée à l'étage compara-

teur 5 qui comporte lescomparateurs 5 a, 5 b montésen parallèle de façon opposée, le comparateur Sa permettant d'effectuer par la comparaison du signal adressé/la ligne 4 avec la limite supérieure affichée en 12 alors que le comparateur 5 b voit la limite inférieure affichée en 13 Les affichages des limites peuvent être avantageusement assurés par des potentiomètres réglables permettant un réglage facile

et une modification facile des valeurs des limites.

La sortie 6 du comparateur est adressée à un intégrateur classique avec son amplificateur, sa résistance Rio et sa capacité C 2 L'intégrateur 14 ainsi constitué agissant sur la base d'un transistor de commande Ta d'une source de courant 15 génère, dans le conducteur de sortie

8, une intensité IB en forme de rampe dont le sens crois-

sant ou décroissant dépend du signe de la comparaison

effectuéedans l'étage 5 Bien entendu, lorsque cette inten-

sité a varié de façon telle que l'une des valeurs limi-

tes se trouve atteinte, le basculement du comparateur provoque l'inversion de la croissance de la rampe. On a représenté sur la figure 4, les graphiques suivants Graphique I Courbe IB sur le conducteur 8 Graphique II Courbe d VCE d IB Graphique III Allure de VCE sur les conducteurs de détection 2 Graphique IV d VCE en fonction du montage; dt Graphique V: Commande de balayage, détectée sur le

conducteur 6.

On voit quepourue intensité de courant collecteur IC bien déterminée sur le graphique III, VCE varie entre sa valeur maximale VCEM et sa valeur minimale VC Em, d'une façon non linéaire en alternant des zones

de croissance et de décroissance.

En raison de la variation linéaire de l'intensité IB occasionnée par le montage, la dérivée représentée sur le graphique II peut être remplacée par la dérivée sortant du dériveur 11 et représentée graphiquement sur

le graphique IV.

Sur le graphique V, on voit le résultat de la comparaison qui, grâce à l'intégrateur, commande l'allure du courant de base IB de façon linéaire et alternativement croissante et décroissante entre les valeurs maximale IBM et minimale I Bm correspondant aux valeurs VCEM

et Vc Em du potentiel collecteur-émetteur.

On comprend par ailleurs que, si l'intensité de collecteur IC change, le fonctionnement se poursuivra, étant simplement entendu que, pendant la variation de l'intensité IC qui en général est très rapide, le balayage

se poursuivra dans le sens opposé a cette variation.

On se réfère maintenant à la figure 5.

Dans cette forme de réalisation, le circuit de ne la figure 3/comporte plus de générateur de rampe qui est remplacé par un circuit tel que celui décrit dans la demande de brevet français précitée 82 16592 de la déposante.

- O On a représenté le transistor T destiné, à l'ali-

mentationd'unecharge M sous une tension d'alimentation +W La sortie 6 du comparateur aboutit à un transistor auxiliaire de commande Tl relié d'une part à la ligne d'alimentation +W et d'autre part à l'entrée d'une self L dont la sortie est reliée, par une résistance R, à la base B du transistor de puissance T Une diode D est également reliée, en opposition, à la borne commune au transistor Tl et à la self L.

De cette façon, quand le transistor Tl est déblo-

qué par la sortie 6 du comparateur, l'intensité traversant le transistor Tl se met à croître de façon sensiblement

linéaire, la pente étant déterminée par la valeur de poten-

tiel W et la valeur de la self L et de la résistance R, ce courant se retrouvant sur la base B Lorsque, à

la suite de l'inversion du sens de croissance, le compara-

teur bloque le transistor Tl, il s'étab Lit un courant de décharge de la self par la diode D et l'on obtient alors une diminution progressive de l'intensité traversant

la self, c'est-à-dire de IB En d'autrestermes le courant-

de base IB du transistor T a alors une forme en dents

de scie dont les valeurs de crête sont fixées par l'hys-

térésis amenée par la présence de la self L Ce montage joue donc le rôle du générateur de rampe et de la source de courant en présentant des avantages particuliers, à savoir une consommation extrêmement faible d'énergie et

une dissipation tout aussi faible de chaleur.

On peut choisir les valeurs de la self L et de la résistance R de façon à obtenir un balayage TB relativement proche d'un balayage linéaire Si le balayage n'est pas linéaire, on peut, par différents artifices, utiliser ce montage, par exemple en modifiant suffisamment les valeurs limites inférieure et supérieure, ou bien en

disposant devant le dérivateur 3 une interface appropriée.

Quelle que scitlaforme de réalisation, on préfère d'une façon générale, que Ja fréquence du dispositif soit au moins égale à 1 k Hz et de préférence inférieure à k Hz Cette fréquence peut être déterminée par la pente

donnée à l'intégrateur.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1 Procédé de commande de base d'un transistor de puissance (T), caractérisé en ce que l'on détecte la dérivée du potentiel collecteurémetteur du transistor de puissaice par rapport à l'intensité de base de ce tran- sistor et que l'on asservit le courant de base, de façon à maintenir la valeur de la dérivée entre deux limites, l'une supérieure, l'autre inférieure, choisies de façon

à délimiter une zone optimale de fonctionnement du transis-

tor dans laquelle le courant de base est minime alors

que le potentiel collecteur-émetteur est faible.

2 Proeédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait varier de façon continue le courant de base pour provoquer une variation correspondante du

potentiel collecteur-émetteur.

3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé

en ce que l'on calcule la dérivée du potentiel collecteur-

émetteur par rapport au temps.

4 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 2 et 3, caractérisé en ce que l'on effectue un

balayage alternativement croissant et décroissant dans.

le temps, de l'intensité de base.

Procédé selon la revendication 4, caractérisé

en ce que l'on effectue un balayàge linéaire.

6 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que l'on obtient la valeur

de la dérivée de façon analogique.

7 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que l'on effectue la déter-

mination de la dérivée de façon numérique.

8 Procédé selon l'une quelconque des revendications

4 et 5, caractérisé en ce que l'on obtient le balayaqe en commanaant des moyens utilisant Bene hystérésis de courant

-dans une self.

9 Circuit pour la mise en oeuvre du procédé

selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, carac-

térisé en ce qu'il comporte des moyens ( 3) pour détecter la dérivée du potentiel collecteur-émetteur du transistor par rapport à l'intensité de base de celui-ci, des moyens ( 5) pour comparer les valeurs détectées à des valeurs inférieure et supérieure déterminées et des moyens d'asservissement de l'intensité de base pour maintenir la valeur

de la dérivée à l'intérieur desdites limites.

Circuit selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 7,T 1 + L) de balayage

en intensité de base.

11 Circuit selon la revendication 10, caractérisé

en ce que lesdits moyens de balayagecoc&portent un intégra-

teur ( 14) générant une rampe linéaire.

12 Circuit selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de balayage comportent un montage d'un transistor auxiliaire (Tl) dont le collecteur est relié à une self (L) reliée à la base du transistor de puissance

(T) avec un retour par une diode (D) en position.

13 Circuit selon l'une quelconque des revendica-

tions 9 à 12, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous

forme analogique.

14 Circuit selon la revendication 13, caracté-

risé en ce qu'il comporte un amplificateur différentiel ( 9) sensible au potentiel collecteur-émetteur du transistor de puissance suivi d'un dérivateur ( 11), la sortie du

dérivateur étant adressée à un étage comparateur ( 5) -com-

prenant deux comparateurs (Sa, 5 b) dont l'un affiche ladite valeur inférieure et l'autre ladite valeur supérieure, la sortie de l'étage de comparaison pilotant des moyens

de balayage'd'intensité de base ( 7, Tl + L).