FR2601831A1

FR2601831A1 - Circuit de protection contre les surintensites pour transistors de puissance

Info

Publication number: FR2601831A1
Application number: FR8617229A
Authority: FR
Inventors: John Michael Leuthen
Original assignee: Hughes Tool Co
Current assignee: Hughes Tool Co
Priority date: 1985-12-09
Filing date: 1986-12-09
Publication date: 1988-01-22
Also published as: GB8628772D0; GB2183955A; SE8605203L; US4680664A; JPS62138013A; SE8605203D0

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN CIRCUIT DE PROTECTION POUR UN TRANSISTOR DE PUISSANCE. CE CIRCUIT DE PROTECTION EST CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND DES TRANSISTORS DE COMMANDE POSITIF ET NEGATIF 63, 79, LA BASE B DU TRANSISTOR DE PUISSANCE 19 ETANT CONNECTEE A CHACUN DES TRANSISTORS DE COMMANDE 63, 79 AFIN DE RECEVOIR UN COURANT POSITIF LORSQUE LE TRANSISTOR DE COMMANDE POSITIF 63 EST CONDUCTEUR ET UN COURANT NEGATIF LORSQUE LE TRANSISTOR DE COMMANDE NEGATIF 79 EST CONDUCTEUR, DES MOYENS DE COMMANDE 39, 49, 71, POUR APPLIQUER DES SIGNAUX DE COMMANDE AUX TRANSISTORS DE COMMANDE 63, 79, DES MOYENS DE VERROUILLAGE 83 AYANT UNE ENTREE S CONNECTEE AU TRANSISTOR DE PUISSANCE 19 AFIN DE SURVEILLER LA TENSION ENTRE LE COLLECTEUR C ET L'EMETTEUR E DU TRANSISTOR DE PUISSANCE 19, ET DES MOYENS DE FIXATIONS 119, 121, 123, 125 POUR MAINTENIR L'ENTREE S DES MOYENS DE VERROUILLAGE 83 A UNE VALEUR BASSE INFERIEURE AU NIVEAU DE SEUIL.

Description

La présente invention concerne d'une manière générale un circuit

électronique destiné à assurer une protection contre les courants excessifs passant h travers un transistor de puissance et plus particulièrement un circuit 5 qui surveille la tension aux bornes du transistor afin de

déterminer un courant excessif.

Des transistors de puissance de grande capacités sont utilisés dans des systèmes d'entraînement à vitesse variable pour des moteurs puissants à courant alternatif. 10 Dans un système d'entraînement à vitesse variable de ce type, une alimentation triphasée est redressée pour être

appliquée à des rails à courant continu positif et négatif.

Les trois lignes d'alimentation pour les trois phases du moteur à courant alternatif sont connectées à ces rails par 15 l'intermédiaire de transistors de puissance. Lorsqu'un

transistor de puissance est conducteur, il applique la tension d'alimentation, à partir de l'un des rails, au moteur. Un circuit de commande est utilisé pour commander la fréquence et la séquence de fonctionnement des transistors 20 de puissance.

Les transistors de puissance fonctionnent à l'état de saturation. Autrement dit une augmentation du courant de base au delà du point de saturation ne se traduit pas par un qt-lconque accroissement additionnel du courant de collec25 teur. Si le courant de collecteur devient excessif par rapport au courant de base, ceci indique que le transistor est en train de sortir de l'état de saturation. Normalement ceci arrive uniquement si un défaut de fonctionnement est en train d'apparaître. Il peut arriver que plus d'un transistor 30 se trouvent être conducteurs d'une manière erronnée en

même temps.

Un circuit de protection est prévu pour les transistors de puissance afin d'empêcher un courant de collecteur excessif. Le circuit de protection comporte un circuit de 35 verrouillage qui surveille la tension entre le collecteur et l'émetteur. Si cette tension dépasse un niveau de seuil provoquant l'enclenchement du circuit de verrouillage, un signal de sortie de blocage est fourni par ce circuit de

verrouillage. La tension entre collecteur et émetteur se trouvant audessus du niveau de seuil indique que le transistor est en train de quitter l'état de saturation.

Le signal de sortie de blocage est app]iqué à des 5 transistors de commande qui -sont connectés à la base de chaque transistor de puissance afin de fournir un courant de base positif pour rendre conducteur le transistor de puissance et un courant de base négatif pour rendre ce transistor bloqué. Le signal de blocage du circuit de ver10 rouillage amène les transistors de commande à délivrer un

courant négatif à la base du transistor de puissance, afin de bloquer ce transistor. Un circuit de fixation assure le maintien de l'entrée du circuit de verrouillage ' une valeur basse, en dessous du niveau du seuil, tandis que le transis15 tor de puissance se trouve dans son état bloqué normal.

On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif.

une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est-un schéma synoptique d'un système 20 d'entraînement à vitesse variable pour un moteur à courant alternatif, ce schéma montrant des circuits de protection

construits suivant l'invention.

La figure 2 est un schéma électrique montrant les

composants de l'un des circuits de protection de la figure 25 1.

Si on se référe à la figure 1, on peut voir que le système ll d'entraînement à fréquence variable comporte un redresseur 13 qui reçoit une alimentation électrique triphasée et qui la convertit en une alimentation continue posi30 tive et négative respectivement sur des rails à courant

continu 15 et 17. Il y a six transistors de puissance 19.

Dans la forme d'exécution préférée, chaque transistor de puissance 19 est connecté en montage Darlington, avec trois transistors 19a, 19b, 19c connectés ensemble. Chacun des 35 transistors 19 a une base 21, un collecteur 23 et un émetteur 25. L'émetteur du transistor de puissance 19a est connecté à la base du transistor 19b. L'émetteur de ce transistor de puissance 19b est connecté à la base du transistor

19c. Trois des transistor de puissance 19 ont leurs collecteurs connectés au rail positif 15. Les trois autres transistor de puissance 19 ont chacun leur transistor 19c connecté par son émetteur au rail négatif 17.

Il y a trois lignes d'alimentation 27 pour le moteur triphasé 29. Chaque ligne 27 est connectée à une paire des transistor 19 afin de recevoir alternativement la tension positive et la tension négative. Un circuit de commande 31 commande la cadence à laquelle les transistors 19 sont 10 conducteurs et bloqués, ainsi que la séquence. L'amplitude peut être commandée par un circuit de commande de largeur d'impulsion 33 qui excite un commutateur d'amplitude 35 afin de faire varier le potentiel continu entre les rails 15 et 17. Un circuit de protection 37 est connecté entre le cir15 cuit de commande 31 et les transistors de puissance 19 pour

chacun de ces transistors de puissance 19.

Le circuit de protection est représenté d'une manière détaillé sur la figure 2. Ce circuit de protection surveille la tension entre le collecteur C et l'émetteur E 20 du transistor de puissance 19, et il provoque le blocage du transistor de puissance 19 si une tension excessive apparait alors que le transistor de puissance 19 est conducteur. Le circuit de protection comprend un photocoupleur 39 qui a des cc- ducteurs d'entrée connectés au circuit de commande 31 25 (figure 1) pour recevoir les impulsions destinées à faire passer le transistor de puissance 19 à l'état de saturation et de blocage. Le photocoupleur 39 est un élément conventionnel comportant une diode photoluminescente 41 qui se trouve du côté entrée. La diode photoluminescente commande 30 un phototransistor 43 dont l'émetteur est relié à une source

négative de 5 volts. Son collecteur est connecté, à travers une résistance 45, à une source positive de 5 volts. Ce collecteur est également relié, à travers une diode 47, à un inverseur 49. La diode 47 est connectée de manière à laisser 35 passer une tension négative en direction de l'inverseur 49.

Cet inverseur 49 est alimenté par la sourceà 5 volts et son entrée est également connectée, à travers une résistance 51, à la source positive 5 volts. Un condensateur 53 est branché entre l'entrée de l'inverseur 49 et une source

négative 5 volts.

Le circuit de protection 37 est conçu de telle façon 5 que, lorsque l'entrée appliquée à l'inverseur 49 est basse, elle amène le transistor de puissance 19 à la saturation. Le niveau bas à l'entrée de l'inverseur 49 est inversé en un niveau haut qui est appliqué, à travers une résistance 55, à un second inverseur 57. Cet inverseur 57 est branché en 10 parallèle avec un autre inverseur 59 qui fonctionne simultanément avec l'inverseur 57 et qui ne sera pas mentionné davantage. L'inverseur 57 inverse le niveau haut à son entrée en un niveau bas qui est transmis, à travers une

résistance 61, à un transistor de commande 63.

Le transistor de commande 63 est de préférence un transistor à effet de champ à canal P. Ce transistor de commande 63 a sa source reliée à une tension d'alimentation positive de 5 volts, sa grille connectée à la résistance 61 et son drain connecté à une résistance 65. Un condensateur 20 67 est branché en parallèle sur la résistance 65 et ces deux éléments sont connectés à une ligne 69 qui s'étend jusqu'h la base transistor de puissance 19. Lorsque l'inverseur 49 reçoit une entrée de niveau bas, 1'inverseur 57 délivre une sortie de niveau bas qui provoque à son tour le passage du 25 transistor de commande 63 à l'état de saturation, en établissant une tension positive, et ainsi un courant de base

pour le transistor de puissance 19 (figure 1).

- Le circuit de protection 37 comporte également un inverseur 71 qui est connecté entre le collecteur du photo30 transistor 43 et la diode 47. Tandis que le transistor de puissance 19 (figure 1) est saturé, l'inverseur 71 a une entrée à un niveau bas et une sortie à un niveau haut qui est transmise, à travers une résistance 63, à un second inverseur 75. Sur cet inverseur 75 est branché également en 35 parallèle un autre inverseur 77 qui ne sera pas décrit davantage. L'inverseur 75 inverse le niveau haut à son entrée en un niveau bas qui est appliqué à un second transistor de commande 79. Ce transistor de commande 79 est également un transistor h effet de champ mais cependant ce transistor est du type h canal N. Sa source est connectée h une tension d'alimentation négative de 5 volts, sa grille est reliée h la sortie l'inverseur 75, et son drain est connecté, par 5 l'intermédiaire d'une résistance 81, au conducteur 69. Le

transistor de commande 79 exige un niveau haut pour être conducteur. Tandis que le transistor 63 est conducteur, avec un niveau bas h sa grille, le transistor-79 est bloqué puisqu'il reçoit également un niveau bas h sa grille.

Lorsque le transistor de puissance 19 doit être bloqué, le phototransistor 43 est bloqué par un signal émis par le photocoupleur 39. Ceci ambne un niveau haut h l'entrée de l'inverseur 71, ce qui produit une sortie de niveau bas. L'inverseur 75 délivre alors une sortie de niveau haut 15 qui fait passer le transistor de commande 79 h l'état conducteur. La tension négative de 5 volts est alors appliquée h la ligne 69 et h la base B du transistor de puissance 19 afin de bloquer ce transistor de puissance 19. Il y a également un niveau haut h l'entrée de l'inverseur 49 lorsqu'un 20 niveau haut existe h l'entrée de l'inverseur 71. Ceci se traduit par une sortie de niveau haut h partir de l'inverseur 49, sortie qui fait passer le transistor de commande 63 h l'état bloqué. Le circuit de protection 37 comprend ainsi des moyens de commande pour bloquer l'un des transistor 63, 25 79 tandis que l'autre est conducteur, afin de fournir alternativement une tension positive et une tension négative h la

base B du transistor de puissance 19.

Un circuit de verrouillage 83 est utilisé pour surveiller la tension entre le collecteur C et l'émetteur E du 30 transistor de puissance 19 et pour fournir une sortie de blocage afin de bloquer le transistor 19 si cette tension dépasse un niveau de seuil alors que ce transistor 19 est conducteur. Le circuit de verrouillage 23 est un multivibrateur bistable conventionnel et de préférence un circuit de 35 verrouillage de donnée du type CD 4013 CMOS. Le circuit de

verrouillage 83 a une entrée d'enclenchement S qui est connectée, h travers une résistance 85, h des résistance de division de tension 87,89. La résistance 87 est une résis-

tance d'un mégohm connectée au collecteurC du transistor de puissance 19. La résistance 89 a de préférence une valeur de 470 kiloohms et elle est connectée à l'émetteur E du transistor de puissance 19. Le circuit de verrouillage 83 est 5 également connecté à l'émetteur afin de détecter une différence de potentiel à l'entrée d'enclenchement. L'émetteur E du transistor de puissance 19 est considéré comme étant

commun pour ce circuit.

Une diode Zener 91 est branchée entre l'émetteur E 10 et l'entrée d'enclenchement S. Normalement, pendant la

conduction du transistor de puissance 19, il y a seulement une différence de potentiel d'environ 2,5 volts entre le collecteur C et l'émetteur E. Le niveau de seuil pour faire basculer.le circuit de verrouillage 83 est seulement légère15 ment supérieur à 2,5 volts.

Si le niveau de seuil est dépassé, l'entrée d'enclenchement S du circuit de verrouillage 83 fait passer la sortie Q-non à un niveau bas, sortie qui est normalement à un niveau haut. Ce niveau bas rend conducteur un transistor 20 de blocage 95 qui est du type PNP et qui est connecté, à

travers une résistance 93, à la sortie Q-non. Le transistor 95 a son collecteur qui est connecté, à travers une résistance 99, à la base d'un autre transistor de blocage 97.

Lorsque le transistor 95 est conducteur, il rend conducteur 25 le transistor de blocage 97, ce qui applique un niveau bas à l'entrée des inverseurs 57 et 75. Le niveau bas présent en ces points entraîne le blocage du transistor de commande 63 et le passage à l'état conducteur du transistor de commande 79, afin de fournir un courant de base négatif provoquant le 30 blocage du transistor de puissance 19. Des diodes 101 et 102

sont connectées entre le collecteur du transistor 97 et les entrées des inverseurs 57 et 75, afin de permettre l'établissement de la condition de niveau bas. Les diodes 101 et 102 empêchent des sorties de niveau élevé des inverseurs 49 35 et 71 à partir du collecteur du transistor de blocage 97.

En même temps que la sortie Q-non passe à un niveau bas, la sortie Q passe à un niveau haut. La sortie Q est connectée, à travers une résistance 105 et un condensateur

103, à l'alimentation de +5 volts pour le circuit de verrouillage 83. Ceci se traduit par la décharge du condensateur 103, décharge qui est détectée par l'entrée de déclenchement R du circuit de verrouillage 83, afin de dé5 clencher ou remettre à zéro ce circuit de verrouillage 83.

Lorsque le circuit de verroullage 83 bascule, une aelarme est produite afin d'informer l'opérateur de l'apparition de cet événement. Le collecteur du transistor de blocage 97 est connecté à une source de +5 volts, à travers une 10 résistance 106. Une résistance 107 connecte ce collecteur à un photocoupleur 109. Ce photocoupleur 109 comporte une diode photoluminescente conventionnelle 111 et un phototransistor 113. Lorsque le collecteur du transistor 97 passe à un niveau bas, ceci entraîne la conduction de la diode 15 photoluminescente 111 afin de produire un signal. De même une lampe témoin d'alarme 115 s'allume, cette lampe étant connectée à travers une résistance 117, au collecteur du

transistor de blocage 97.

Tant que le transistor de puissance 19 est bloqué, 20 une tension élevée est présente entre son collecteur C et son émetteur E. Le diode Zener 91 empêche que la tension à l'entrée d'enclenchement S du circuit de verrouillage 83 ne dépasse environ 10 volts à n'importe quel instant mais ceci est bien au-dessus du niveau de seuil nécessaire pour faire 25 basculer le circuit de verroullage 83 et l'amener à émettre un signal de sortie de blocage. Le circuit de verrouillage 83 doit être empêché de basculer pour bloquer le fonctionnement du transistor de puissance 19 tandis que ce transistor de puissance 19 se trouve dans sa condition de blocage nor30 male. Un circuit de fixation empêche l'apparition de cet

événement. Ce circuit de fixation comporte un conducteur de fixation 119 qui s'étend à partir de la sortie de l'inverseur 49, à travers une résistance 121, jusqu'à l'entrée d'enclenchement S du circuit de verrouillage 83. Lorsque le 35 transistor de puissance 19 est bloqué, la sortie de l'inverseur 49 est à un niveau bas. Cette sortie de niveau bas qui est appliquée à l'entrée d'enclenchement S du circuit de verrouillage 83, maintient la valeur de la tension en des-

sous du niveau de seuil et empêche le basculement. Des diodes 123 et 125 sont connectées de manière h permettre au niveau bas de passer jusqu'h l'entrée d'enclenchement du circuit de verrouillage 83, tout en empêchant cependant 5 n'importe quel niveau haut à la sortie de l'inverseur 49 d'influencer le circuit de verrouillage 83.

Il y a également un dispositif de retardement destiné à empêcher que le circuit de verrouillage 83 ne bascule au moment o le transistor de puissance 19 est en train de 10 passer à l'état conducteur. Le transistor de puissance 19 peut être rendu conducteur à raison d'environ 60 périodes par secondes et il est possible qu'il puisse y avoir une tension suffisante entre son collecteur et son émetteur, au moment o le transistor de puissance 19 est rendu conduc15 teur, pour faire basculer d'une manière erronée le circuit de verrouillage 83. Ce circuit de retardement comporte une résistance 127 et un condensateur 129. La résistance 127 est branchée en parallèle sur la diode 123, dans le conducteur de fixation 119. Le condensateur 129 est branché en série 20 avec la résistance 127 et il est relié à l'émetteur E du

transistor 19. Lorsque l'inverseur 49 passe au niveau haut, le condensateur 129 se charge à travers la résistance 127.

Ceci exige que l'entrée d'enclenchement S du circuit de verrouillage 83 demeure à un niveau bas pendant une période 25 de retard préférée de deux microsecondes tendis que la

charge du condensateur 129 a lieu.

Après que le condensateur 129 a été totalement chargé, le conducteur de fixation 119 n'a alors plus d'effet sur l'entrée d'enclenchement du circuit de verrouillage 83, 30 puisqu'un niveau élevé sur ce conducteur est bloqué par les diodes 123 et 125. Ces diodes 123 et 125 servent également de circuit de dérivation afin d'empêcher que le condensateur 129 n'ait un quelconque effet lorsque le transistor de puissance 19 est en train d'être bloqué. Lorsque ce transistor 35 est bloqué, la sortie de l'inverseur 49 est commutée à un niveau bas. Ce niveau bas passe immédiatement h travers les diodes 123 et 125 afin de maintenir à un niveau bas l'entrée du circuit de verrouillage 83, en mettant en courtcircuit le circuit de retardement à travers la résistance 127 et le

condensateur 129.

Pendant le fonctionnement normal les transistors de 5 commande 63 et 79 sont commutés alternativement à l'état conducteur et à l'état bloqué, l'un d'entre eux étant toujours conducteur tandis que l'autre est bloqué. Afin de fournir un courant positif à la base B du transistor de puissance 19, le photocoupleur 39 est excité ce qui se tra10 duit par une sortie de niveau bas de l'inverseur 57, sortie provoquant le passage du transistor de commande 63 à l'état conducteur. La sortie d'un niveau bas provenant du photocoupleur 39 se traduit par une sortie de niveau haut de l'inverseur 75, ce qui provoque le passage du transistor de 15 commande 79 à l'état bloqué. Lorsque le photocoupleur 39 est bloqué, l'inverse se produit, le transistor de commande 79 étant conducteur afin de fournir un courant négatif pour

bloquer le transistor de puissance 19.

Si la tension entre le collecteur C et l'émetteur E 20 dépasse un niveau de seuil alors que le transistor de puissance 19 se trouve être conducteur, le circuit de verrouillage 83 délivre une sortie afin de rendre conducteurs les transistors de blocage 95 et 97. Ceci se traduit par un n.,eau bas appliqué aux inverseurs 57 et 75. Il en résulte 25 que le transistor de commande 79 devient conducteur tandis que le transistor de commande 63 est bloqué, afin de bloquer

le transistor de puissance 19 et d'éviter des dommages.

L'invention présente des avantages significatifs. En surveillant la tension entre collecteur et émetteur, le 30 transistor de puissance peut être protégé à l'encontre de

toute condition de surintensité. Le circuit évite également des faux basculements qui pourraient avoir lieu au moment o le transistor est rendu conducteur. Le circuit permet également d'émettre une alarme pour d'autres investigations.

Claims

REVENDICATIONS

1.- Circuit de protection pour un transistor de puissance du type ayant son collecteur et son émetteur connectés à des lignes d'alimentation séparés, et ayant une 5 base qui, lorsqu'elle est alimentée avec un courant positif, amène le transistor de puissance à être conducteur et, lorsqu'elle est alimentée avec un courant négatif, amène ce transistor de puissance à être bloqué, caractérisé en ce qu'il comprend des transistors de commande positif et néga10 tif (63,79), l'un de ces transistors (63) ayant une entrée connectée à une source de tension positive tandis que l'autre transistor (79) a une entrée connectée à une source de tension négative, la base (B) du transistor de puissance (19) étant connectée à chacun des transistors de commande 15 (63,79) afin de recevoir un courant positif lorsque le transistor de commande positif (63) est conducteur et un courant négatif lorsque le transistor de commande négatif (79) est conducteur, des moyens de commande (39,49,71) pour appliquer des signaux de commande aux transistors de comman20 de (63,79), de manière à rendre alternativement l'un conducteur tandis que l'autre est bloqué, des moyens de verrouillage (83) ayant une entrée (S) connectée au transistor de puissance (19) afin de surveiller la tension entre le collecteur (C) et l'émetteur (E) du transistor de puissan25 ce (19), et afin de fournir, si cette tension dépasse un niveau de seuil tandis que le transistor de puissance (19) est conducteur, un signal de sortie de blocage aux moyens de commande de manière à bloquer le transistor de commande positif (63) et à rendre conducteur le transistor de comman30 de négatif (79), et des moyens de fixations (119,121,123,125) pour maintenir l'entrée (S) des moyens de verrouillage (83) à une valeur basse inférieure au niveau de seuil, tandis que les moyens de commande fournissent un signal de commande pour rendre conducteur le transistor de 35 commande négatif (79), afin d'empêcher le basculement des

moyens de verrouillage (83) tant que le transistor de puissance (19) est normalement bloquée.

2.- Circuit de protection suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les lignes d'alimentation séparées sont des rails continus positif et négatif (15,17), le transistor de commande positif (67) est connecté à une source de tension positive et le transistor de commande négatif (79) est relié à une source de tension négative, et chaque transistor de commande (63,79) a une sortie connectée à l'autre transistor, le point de jonction des sorties de ces transistors étant connecté à la base (8) du transistor 10 de puissance (19),-afin de fournir le courant positif tant que le transistor de commande positif (63) est conducteur et à fournir le courant négatif tant que le transistor de commande négatif (79) est conducteur, les moyens de commande (39,49,69,71) fournissent des signaux de commande d'excita15 tion aux transistors de commande (63,79), afin de rendre conducteur le transistor de commande positif (63) et de bloquer le transistor de commande négatif (79), et ils fournissent des signaux de commande de désexcitation aux transistors de commande (63,79), afin de bloquer le transis20 tor de commande positif (63) et de rendre conducteur le transistor de commande négatif (79), des moyens à transistor de blocage (95,97) sont connectés entre les moyens de verrouillage (83) et les moyens de commande (39,49,71) et is comprennent une base connectée aux moyens de verrouil25 lage (83) de manière à recevoir le signal de sortie de blocage, pour empêcher ainsi que les moyens de commande (39,69, 71) ne fournissent les signaux de commande d'excitation aux transistors de commande (63,79) tandis que les moyens à transistors de blocage (95,97) se trouvent rece30 voir le signal de sortie de blocage en provenance des moyens

de verrouillage (83).

3.- Circuit de protection suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens de fixation comportent un conducteur de fixation (119) s'étendant à partir des 35 moyens de commande (49) jusqu'à l'entrée (s) des moyens de verrouillage (83), et des moyens de blocage (123,125) prévus dans le conducteur de fixation (119) afin de bloquer les signaux d'excitation provenant de l'entrée des moyens de o c)' C> AS- H H H H Ici u f-I r-in ol l lI I i I i --61 ú1! I Il I. Ag %r, -,