FR3004019A1

FR3004019A1 - Composant de protection contre des surtensions

Info

Publication number: FR3004019A1
Application number: FR1352864A
Authority: FR
Inventors: Jerome Heurtier; Guillaume Bougrine; Arnaud Florence
Original assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Current assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-03
Also published as: CN109327011B; CN109327011A; CN104078925B; US20140293493A1; CN104078925A; CN203826923U; US9461466B2; US20160248244A1; US9531187B2

Abstract

L'invention concerne un composant de protection contre des surtensions adapté à la protection d'une ligne d'alimentation comprenant en parallèle une diode à retournement (D), un commutateur commandé (SW), et un circuit de commande (CONTROL) du commutateur.

Description

B12542 - 13-T0-0179 1 COMPOSANT DE PROTECTION CONTRE DES SURTENSIONS Domaine La présente description concerne un composant de protection contre des surtensions et plus particulièrement un composant de protection contre des surtensions adapté à la 5 protection d'une ligne d'alimentation. Exposé de l'art antérieur Un composant de protection contre des surtensions est un composant qui devient passant quand la tension à ses bornes dépasse un certain seuil, appelé tension de claquage couramment 10 désignée par l'abréviation VBR. Un premier type de composant de protection est du type diode à avalanche dont la caractéristique courant-tension est illustrée en figure 1. Quand la tension aux bornes de ce composant dépasse la tension de claquage VBR, le composant devient 15 passant. Idéalement, la tension aux bornes du composant reste égale à VBR tandis que le courant augmente. En fait, comme cela est représenté en figure 1, la caractéristique n'est pas verticale et la tension aux bornes du composant dépasse la valeur VBR tandis que la surtension est absorbée, c'est-à-dire qu'un 20 courant I de forte valeur traverse le composant. Un inconvénient de ce type de composant est que pendant la phase d'absorption de la surtension, la tension aux B12542 - 13-T0-0179 2 bornes du composant demeure supérieure ou égale à la tension de claquage VBR, c'est-à-dire que, pendant cette phase, le composant doit absorber une puissance supérieure à VBRxI. Ceci conduit à devoir réaliser un composant de dimension suffisamment importante pour qu'il puisse absorber cette puissance sans être détruit. Couramment, pour des tensions VBR supérieures à 100 volts, par exemple de l'ordre de 300 volts, ceci conduit à des dimensions de composants supérieures à plusieurs cm2, par exemple de l'ordre de 10 cm2. De tels composants sont parfois réalisés sous forme d'un empilement de puces de diodes, par exemple un empilement de quatorze puces élémentaires ayant chacune une surface de 8,6 x 8,6 mm2 pour atteindre une tension de claquage de 430 V. De tels composants sont donc coûteux et encombrants.

Un second type de composant de protection est du type à retournement, de type diode de Shockley ou thyristor sans gâchette. La caractéristique courant-tension d'un composant à retournement est illustrée en figure 2. Quand la tension aux bornes du composant dépasse la tension de claquage VBR, cette tension chute rapidement puis se déplace le long d'une caractéristique 1 sensiblement verticale. Un avantage de ce second type de composant est que la puissance dissipée par la surtension dans le composant est faible devant la puissance dissipée dans un dispositif du type diode à avalanche étant donné que la tension aux bornes du composant est très faible pendant l'écoulement de la surintensité. Un inconvénient de ce second type de composant est que, tant qu'il existe une tension aux bornes du composant, celui-ci reste passant, le composant de protection ne se rebloquant que si la tension à ses bornes est telle que le courant dans ce composant devient inférieur à un courant de maintien Ih. Pour un composant de protection dont la tension de claquage VBR est de l'ordre de 50 à 1000 volts, ce courant de maintien a couramment une valeur de l'ordre de 100 mA à 1 A selon la tension de claquage du composant.

B12542 - 13-T0-0179 3 En conséquence, les composants de protection de type à retournement sont réservés à des circuits dans lesquels ces composants sont destinés à protéger une ligne dont le potentiel de fonctionnement passe par des valeurs nulles - c'est en parti- culier le cas d'une ligne de transmission de données. Comme l'illustre la figure 3, si on veut protéger une ligne Li constituant une ligne d'alimentation connectée à la sortie d'un dispositif d'alimentation tel qu'une centrale solaire 10, reliée par exemple à un onduleur 12, on ne pourra normalement pas utiliser un composant de protection à retournement car, après l'apparition d'une surtension, correspondant par exemple à un coup de foudre sur la ligne Li, le potentiel sur cette ligne Li reste positif et le composant de protection reste passant.

Comme l'illustre la figure 4A, après application de la surtension, la tension Vbc à la sortie de la source d'alimentation 10 est en court-circuit et il y circule un courant de court-circuit Isc La source voit à ses bornes sa résistance - interne Ri et la résistance à l'état passant RD de la diode de 20 protection. Il existe alors aux bornes de la diode de protection un potentiel VD = VDC (RD/(Ri+RD)). La figure 4B représente une portion de la courbe caractéristique de la diode correspondant à ce cas particulier. Dans la plupart des configurations pratiques, le potentiel VD 25 correspondant au courant de court-circuit Isc est nettement supérieur au potentiel Vh correspondant au courant de maintien Ih du composant à retournement. A titre d'exemple, pour un courant de maintien Ih de 150 mA, la tension Vh peut être de l'ordre de 2 V. Il n'est donc a priori pas possible d'utiliser 30 un composant à retournement pour protéger une ligne d'alimentation continue. On se trouve donc amené, comme on l'a indiqué précédemment, à utiliser des dispositifs de protection de type diodes à avalanche qui doivent avoir des surfaces importantes et donc un coût élevé. 35 On cherche ici à résoudre cet inconvénient.

B12542 - 13-T0-0179 4 Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un composant de protection contre des surtensions adapté à la protection d'une ligne d'alimentation comprenant en parallèle une diode à retour- nement, un commutateur commandé, et un circuit de commande du commutateur. Selon un mode de réalisation, la diode à retournement est en série avec une diode à avalanche de tension de claquage au moins dix fois plus faible que la tension de retournement de 10 la diode à retournement. Selon un mode de réalisation, le composant de protection a une tension de claquage comprise entre 50 et 1000 volts. Selon un mode de réalisation, le circuit de commande comprend un détecteur de surtension et est adapté à fermer le 15 commutateur pendant une durée déterminée, un certain temps après que la surtension aura été détectée, puis à ouvrir le commutateur au bout d'un temps déterminé. Selon un mode de réalisation, le circuit de commande comprend un détecteur de la tension aux bornes de la diode et 20 est adapté à fermer le commutateur quand la tension aux bornes de la diode se trouve dans une certaine plage, correspondant à la valeur de la tension aux bornes de la diode quand celle-ci est en court-circuit, puis à ouvrir le commutateur au bout d'un temps déterminé. 25 Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 30 la figure 1, décrite précédemment, représente la caractéristique courant-tension d'un dispositif de protection du type diode à avalanche ; la figure 2, décrite précédemment, représente la caractéristique courant-tension d'un dispositif de protection de 35 type à retournement ; B12542 - 13-T0-0179 la figure 3, décrite précédemment, représente une diode de protection de type à retournement connectée à une ligne d'alimentation continue ; la figure 4A, décrite précédemment, représente un 5 schéma équivalent du montage de la figure 3 en court-circuit ; la figure 4B, décrite précédemment, représente la caractéristique d'un dispositif à retournement dans le cas de la figure 4A ; la figure 5 représente un premier mode de réalisation 10 d'un dispositif de protection ; la figure 6 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de protection ; et la figure 7 représente un exemple de circuit de commande d'un dispositif de protection du type des figures 5 et 15 6. Description détaillée La figure 5 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif de protection. Ce dispositif de protection comprend entre deux bornes A et B le montage en parallèle : 20 - d'une diode de protection de type à retournement D, - d'un commutateur SW, et - d'un circuit de commande (CONTROL) du commutateur SW. Le fonctionnement du dispositif de protection de la figure 5 est le suivant. 25 Au repos, le commutateur SW est ouvert. Les bornes A et B sont connectées aux bornes d'une ligne d'alimentation continue, de sorte que l'ensemble du dispositif de protection est connecté par exemple comme la diode D de la figure 3. Tant que la tension aux bornes AB reste inférieure à la tension de 30 claquage de la diode à retournement D, le dispositif de protection est non passant. Quand une surtension apparaît, la diode de protection devient passante et l'on se retrouve dans la configuration de la figure 4A, c'est-à-dire que l'alimentation reliée entre les bornes AB est en court-circuit. Une fois la surtension 35 passée, on retrouve dans la diode D un courant de court-circuit B12542 - 13-T0-0179 6 Isc tel que défini en relation avec la figure 4A. A ce moment, on ferme le commutateur SW de sorte que le courant entre les bornes A et B est dérivé par le commutateur SW. Si la résistance à l'état passant Ron du commutateur SW est suffisamment faible, la tension entre les bornes AB devient inférieure à la tension Vil définie en relation avec la figure 4B. Divers types de circuits de commande (CONTROL) pourront être utilisés pour commander la fermeture et l'ouverture du commutateur SW. Ces circuits de commande pourront 10 comprendre un processeur ou autre programmateur. Selon une première possibilité, le circuit de commande comprend un détecteur de surtension et ferme automatiquement le commutateur SW pendant une durée déterminée, un certain temps après que la surtension aura été détectée, puis ouvre le commu- 15 tateur SW au bout d'un temps déterminé. Selon une autre possibilité, le circuit de commande comprend des moyens pour détecter la tension aux bornes de la diode D. Tant que cette tension est inférieure à VBR et supérieure à VD, le circuit de commande restera inactif. 20 Ensuite, après une première chute de tension, le circuit de commande déterminera si la tension aux bornes de la diode D se trouve dans une certaine plage, correspondant à la valeur VDC (RD/(Ri+RD)). Le circuit de commande détermine alors la fermeture puis l'ouverture du commutateur SW. 25 Le fonctionnement du circuit de la figure 5 repose sur le fait que, quand le commutateur SW est à l'état passant, la tension à ses bornes chute suffisamment pour devenir inférieure à la valeur Vil définie précédemment. Ceci implique que la résistance à l'état passant Ron du commutateur SW doit être nettement 30 inférieure à la résistance apparente RD de la diode D quand le dispositif est en court-circuit. On comprendra que cela oblige à utiliser un commutateur à très faible Ron, ce qui n'est pas toujours compatible avec le souhait que l'on a d'utiliser des commutateurs à faible coût, par exemple des transistors MOS de 35 petites dimensions. Si la condition RonxIsc < Vil est trop B12542 - 13-T0-0179 7 difficile à respecter, on pourra prévoir une variante de réalisation telle qu'illustrée en figure 6. La variante de la figure 6 comprend les mêmes éléments que la réalisation de la figure 5 mais comprend en outre une diode à avalanche d de tension de claquage Vbr, dont la tension de claquage Vbr est faible devant la tension de claquage VBR de la diode à retournement D. Par exemple, Vbr est inférieur à VBR/10. Le fonctionnement de l'ensemble en série de la diode à retournement D et de la diode à avalanche d sera peu différent pour l'absorption d'une surtension du fonctionnement de la diode D seule. Cette fois-ci, quand la surtension est passée et que la ligne se trouve en court-circuit, il faudra seulement que la condition RonxIsc < Vh + Vbr soit satisfaite, ce qui permet d'utiliser un commutateur dont le Ron est plus élevé que dans le cas du montage de la figure 5. La figure 7 représente un exemple de réalisation du circuit de commande CONTROL. Un premier comparateur COMP1 compare la tension sur l'anode de la diode à la masse et fournit un 1 quand cette tension est positive. Un deuxième comparateur COMP2 compare la tension sur l'anode de la diode à un seuil VD correspondant sensiblement à la tension aux bornes de la diode en court-circuit et fournit un 1 quand la tension aux bornes de la diode devient inférieure à une valeur peu supérieure à cette tension de court-circuit. Les sorties des deux comparateurs sont envoyées à une porte ET AND dont la sortie commande le commutateur SW par l'intermédiaire d'un amplificateur tampon AMP. L'amplificateur AMP est par exemple constitué d'une chaîne d'inverseurs en série. Ainsi, le commutateur SW est commandé à la fermeture pendant une brève période quand le premier comparateur COMP1 a vérifié que la tension aux bornes de la diode de protection D était positive et quand cette tension devient voisine d'une valeur VD prédéterminée. On notera que le comparateur COMP2 ne se déclenche pas pendant la brève période qui suit immédiatement l'arrivée de la surtension, pendant laquelle la tension chute B12542 - 13-T0-0179 8 brièvement en dessous de Vb avant de croître pendant l'absorption de la surtension. Ceci résulte ou bien du fait que le comparateur n'est pas assez rapide pour détecter cette brève transition, ou bien du fait que la tension de référence voisine de VD est fournie par une diode de référence en parallèle avec un condensateur qui dérive les transitions rapides. Ainsi, les dispositifs de protection du type décrit en relation avec les figures 5 et 6 présentent les avantages des dispositifs de protection à retournement en ce qu'il permettent d'utiliser une diode à retournement de relativement faible surface, par exemple 50 mm2, alors que comme on l'a indiqué précédemment, pour des tensions de protection supérieures de l'ordre de 50 à 1000 volts, des diodes de protection à avalanche devraient avoir des surfaces de l'ordre de 1 à 10 cm2.

L'ensemble du dispositif de commutation SW, par exemple un transistor MOS, et du circuit de commande aura par exemple une surface de l'ordre de seulement 10 à 15 mm2. Ainsi, la surface totale du dispositif de protection est inférieure à 65 mm2, et on pourra remplir la fonction assurée par un composant de protection à avalanche d'une surface de 1 à 10 cm2. Le dispositif comprend par exemple deux puces, l'une correspondant à la diode de protection et l'autre au commutateur et à son circuit de commande. Ces deux puces peuvent être montées sur un support unique et constituent un simple dipôle.

Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, on a décrit ici uniquement des diodes de protection unidirectionnelles. Bien entendu, on pourra également prévoir des diodes de protection bidirectionnelles (dont les caractéristiques sont illustrées en figures 1 et 2 bien que non décrites). De plus, on a décrit l'utilisation du composant de protection uniquement en association avec une ligne polarisée à une tension continue. Ce composant pourra également être utilisé 35 dans le cas où la ligne est une ligne d'alimentation alterna- B12542 - 13-T0-0179 9 tive, par exemple à 50 ou 60 Hz. En effet, si la surtension survient au début d'une alternance, on peut souhaiter que la diode de protection cesse d'être conductrice rapidement après la survenance d'une surtension sans attendre la fin d'une alter- nance, la durée d'une alternance étant de 10 ms dans le cas d'une alimentation à 50 Hz.

Claims

REVENDICATIONS1. Composant de protection contre des surtensions adapté à la protection d'une ligne d'alimentation comprenant en parallèle : une diode à retournement (D), un commutateur commandé (SW), et un circuit de commande (CONTROL) du commutateur.
2. Composant de protection selon la revendication 1, dans lequel la diode à retournement (D) est en série avec une diode à avalanche (d) de tension de claquage (Vbr) au moins dix fois plus faible que la tension de retournement (VBR) de la diode à retournement.
3. Composant de protection selon la revendication 1 ou 2, ayant une tension de claquage comprise entre 50 et 1000 volts.
4. Composant de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit de commande (CONTROL) comprend un détecteur de surtension et est adapté à fermer le commutateur (SW) pendant une durée déterminée, un certain temps après que la surtension aura été détectée, puis à ouvrir le commutateur (SW) au bout d'un temps déterminé.
5. Composant de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit de commande (CONTROL) comprend un détecteur de la tension aux bornes de la diode (D) et est adapté à fermer le commutateur (SW) quand la tension aux bornes de la diode (D) se trouve dans une certaine plage, correspondant à la valeur de la tension aux bornes de la diode quand celle-ci est en court-circuit, puis à ouvrir le commutateur (SW) au bout d'un temps déterminé.