DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS ET CIRCUIT ELECTRONIQUE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne un dispositif de protection contre des surtensions comportant au moins une entrée destinée à être connectée à un réseau d'alimentation électrique, au moins une sortie destinée à être connectée à un circuit électrique à protéger, des moyens de limitation de surtension connectés entre les entrées et les sorties pour protéger ledit circuit électrique contre des surtensions pouvant être appliquées sur les entrées.

L'invention concerne aussi circuit un électronique comportant un tel dispositif de protection.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les dispositifs de protection contre les surtensions connus comportent généralement des composants connectés en parallèle sur des lignes à protéger pour limiter des impulsions de tension en absorbant un courant de perturbation. Par exemple, de tels composants sont des varistances ou des éclateurs à gaz pouvant absorber une quantité très élevée d'énergie électrique.

Les composants doivent aussi être protégés en limitation de courant pour pouvoir passer les tests de validation sans être détruits. Ainsi de manière connue, des résistances de limitation de courant dans des varistances sont connectées en série sur des lignes d'alimentation de circuits électroniques.

Le schéma de la figure 1 montre un circuit électronique 1 comportant un dispositif de protection de l'état de la technique décrit dans la demande de brevet FR2795567. Sur ce schéma, un premier dispositif de protection 10 a des entrées 11 destinées à être connectées

à un réseau de distribution électrique, et des sorties 12 destinées à être connectées à des circuits électroniques en aval. Dans ce cas, les circuits sont un redresseur 13, un régulateur de tension 14 et un convertisseur 15. Sur ce schéma particulier, un second dispositif de protection contre les surtensions 17 est disposé en aval du redresseur pour améliorer la protection en tension. De manière connue, les dispositifs 10 et 17 comportent des résistances série connectées en série sur les lignes et des varistances connectées en parallèle en aval de résistances 18. Les résistances 18 protègent les varistances en limitant la puissance absorbée.

Les dispositifs de l'état de la technique absorbent l'énergie de perturbation dans des résistances et des varistances pour protéger les circuits électroniques. Ils sont, par conséquent, volumineux et très coûteux par rapport aux circuits électriques qu'ils protègent. De plus, les résistances série ont des valeurs, pouvant être relativement élevées et imposent une chute de tension en fonctionnement normal pouvant être aussi très élevée. Ainsi, en fonctionnement normal, le courant circulant dans les résistances série crée une dissipation de puissance qui chauffe les résistances de protection. Si les valeurs des résistances sont diminuées la protection des varistances n'est plus efficace.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention a pour but un dispositif de protection évitant les inconvénients des dispositifs de l'état de la technique en proposant une protection efficace et une dissipation d'énergie réduite, ainsi qu'un circuit électronique comportant un tel dispositif de protection.

Dans un dispositif selon l'invention, les moyens de limitation de surtension comportent :

- des moyens électroniques de limitation série bidirectionnels comportant au moins deux entrées/sorties, connectés en série avec au moins une desdites entrées, et conduisant en basse chute de tension lorsqu'un courant de circulation est inférieur à une valeur de limitation de courant, et limitant ledit courant de circulation en augmentant une chute de tension entre lesdites entrées/sorties, et

- des moyens électroniques de limitation parallèle connectés en aval desdits moyens électroniques de limitation série pour limiter en tension de protection au moins une sortie

en permettant une circulation de courant de perturbation limité par lesdits moyens électroniques de limitation série, lesdits des moyens électroniques de limitation parallèle protégeant ledit circuit électronique en dérivant un courant de perturbation.

De préférence, les moyens électroniques de limitation série comportent deux transistors à effet de champ connectés en série ayant leurs électrodes de référence connectées vers une partie centrale, leurs électrodes de sorties étant connectées entre lesdites entrées/sorties, et leurs électrodes de commande étant connectées à ladite partie centrale, ladite valeur de limitation de courant étant définie par un seuil de tension de commande entre les électrodes de commande et les électrodes de références respectives et des résistances internes des transistors.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation série comportent en leur partie centrale des résistances d'ajustement de la limitation connectées en série avec lesdites électrodes de référence, ladite valeur de limitation de courant étant définie aussi avec des valeurs desdites résistances d'ajustement.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation série comportent des diodes de protection des jonctions desdits transistors de limitation série à effet de champ connectées en parallèle sur lesdites résistances d'ajustement de la limitation.

De préférence, les moyens électroniques de limitation série ont une tension de limitation série définie par une tension d'avalanche ou une tension de claquage entre les électrodes de sortie et les électrodes de référence respectives desdits transistors de limitation série.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation série comportent des premières diodes de type avalanche connectées entre les électrodes de références et les électrodes de sortie de chaque transistor pour permettre la circulation directe du courant de circulation dans un sens et limiter une tension sur les transistors à une tension d'avalanche dans un sens opposé, ladite tension d'avalanche desdites premières diodes de type avalanche étant inférieure à une tension de claquage desdits transistors, ladite tension de limitation série étant définie par des tensions d'avalanche desdites premières diodes avalanche.

Pour augmenter la tension de protection, les moyens de limitation de surtension comportent au moins deux moyens électroniques de limitation série connectés en série.

De préférence, les moyens de limitation de surtension comportent au moins des moyens électroniques de limitation série connectés en série avec chaque des entrées.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation série limitent à une tension limitation supérieure à 1000 volts.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation série comportent des transistors supportant une tension supérieure ou égale à une tension de limitation supérieure à 1000 volts.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation série comportent des transistors à effet de champ ayant une résistance série à l'état passant inférieure à 10 ohms.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation série comportent des transistors à effet de champ en carbure de silicium.

^' Avantageusement, les moyens électroniques de limitation parallèle comportent au moins une diode à effet avalanche connectée en sortie des moyens électroniques de limitation série.

Un circuit électronique comportant des entrées de connexion à un réseau de distribution électrique, et un circuit électrique à protéger selon l'invention comporte au moins un dispositif de protection contre des surtensions tel que défini ci-dessus comportant des moyens de limitation de surtension connectés entre lesdites entrées de connexion à un réseau de distribution électrique et ledit circuit électrique pour le protéger contre des surtensions pouvant être appliquées sur les entrées.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le circuit électrique à protéger est un circuit d'alimentation électronique comportant un redresseur, un condensateur de filtrage, et un convertisseur connectés en aval des moyens électroniques de limitation série et en parallèle avec les moyens électroniques de limitation parallèle du dispositif de protection.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 représente un schéma d'un dispositif de protection de l'état de la technique dans un circuit électronique;

- la figure 2 représente un schéma d'un dispositif de protection selon un mode de réalisation de l'invention protégeant un circuit électronique ;

- la figure 3 représente une courbe de fonctionnement d'un dispositif de protection selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 4 représente un circuit électronique avec un dispositif de protection selon second un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 représente une variante d'un circuit électronique selon un mode de réalisation de la figure 4 ;

- les figures 6 et 7 représentent des circuits avec des dispositifs de protection triphasés selon des modes de réalisation de l'invention ;

- les figures 8, 9, 10, 11 et 12 représentent des variantes de dispositifs selon des modes de réalisation de l'invention ;

- les figures 13 et 14 illustrent des courbes de fonctionnent de dispositifs selon des modes de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PREFERES

Le schéma de la figure 2 montre un dispositif de protection 20 contre des surtensions. Il comporte une entrée 21 destinées à être connectées à un réseau d'alimentation électrique,

une sortie 22 destinées à être connectée à un circuit 23 électrique à protéger, un limiteur de courant supportant une surtension 25 connectés entre l'entrée 21 et la sortie pour protéger ledit circuit électrique contre des surtensions pouvant être appliquées sur l'entrée.

Le limiteur de courant 25 comporte un circuit électronique 26 bidirectionnel en courant et en tension de limitation série comportant au moins deux entrées/sorties 27, connectés en série avec l'entrée 21, et conduisant en basse chute de tension lorsqu'un courant de circulation est inférieur à une valeur de limitation de courant IHm, et limitant ledit courant de circulation en augmentant une chute de tension entre lesdites entrées/sorties.

Dans ce mode de réalisation, le circuit électronique 26 bidirectionnel de limitation série comporte deux transistors 30 et 31 à effet de champ connectés en série ayant leurs électrodes de référence ou sources connectées vers une partie centrale 33, leurs électrodes de sorties ou drains connectés entre lesdites entrées/sorties 27, et leurs électrodes de commande ou grilles connectées à ladite partie centrale, ladite valeur de limitation de courant Ilim étant définie par un seuil de tension de commande entre les électrodes de commande et les électrodes de références respectives et des résistances internes des transistors.

Avantageusement, le circuit électronique 26 comporte dans la partie centrale 33 des résistances 34 d'ajustement de la limitation connectées en série avec lesdites électrodes de référence, ladite valeur de limitation de courant Ilim étant définie aussi avec des valeurs desdites résistances d'ajustement 34. De préférence des diodes 35 de protection des jonctions desdits transistors 30 et 31 de limitation série à effet de champ sont connectées en parallèle sur lesdites résistances 34 d'ajustement de la limitation en courant. Les valeurs de résistances sont très basses de l'ordre de quelques ohms. La tension de référence d'un transistor est de l'ordre 0,5 volts correspondant à une tension directe de jonction qui est faible par rapport à une tension de réseau.

Sur le schéma de la figure 2, le circuit électronique 26 comporte dans la partie centrale 33 des premières diodes 36 de type avalanche connectées entre les électrodes de références et les électrodes de sortie de chaque transistor 30 et 31 pour permettre la circulation directe du

courant de circulation dans un sens et limiter une tension de limitation série VHm sur le transistor à une tension d'avalanche dans un sens opposé. Ladite tension d'avalanche desdites premières diodes de type avalanche est de préférence inférieure à une tension de claquage desdits transistors 30 et 31, et ladite tension de limitation série Vlim est définie par des tensions d'avalanche desdites premières diodes avalanche.

Sur la figure 2, le circuit électronique 23 comporte un redresseur, un condensateur de filtrage 38 connecté en aval du redresseur et un convertisseur 15. Ainsi, un tel circuit électrique 23 à protéger peut être un circuit d'alimentation électronique comportant un redresseur 13, un condensateur de filtrage 38, et un convertisseur 15 connectés en aval des moyens électroniques de limitation série et en parallèle avec les moyens électroniques de limitation parallèle du dispositif de protection.

La figure 3 montre une courbe de fonctionnement d'un circuit électronique 26 bidirectionnel de limitation série. Des valeurs de limitation de courant Ilim sont en positif et en négatif ainsi que les valeurs Vlim de limitation de tension. Une tension VN de fonctionnement normal est très basse tant que le courant est inférieur à une valeur de limitation.

Avec un dispositif de protection selon un mode de réalisation de l'invention, la chute de tension VN en fonctionnement normal est très basse. Ainsi le fonctionnement du circuit électronique n'est pas perturbé et la puissance dissipée est aussi très basse. Lorsqu'une perturbation en surtension est présente, le circuit 26 fonctionne rapidement en limitation de courant et la tension entre ses entrées/sorties augmente pour s'opposer au passage du courant de perturbation. Par exemple, le circuit 26 fonctionne comme un bouchon dynamique empêchant la perturbation de traverser. Il absorbe lui-même peu d'énergie électrique de perturbation. De plus, avec un schéma en limiteur de courant, le circuit 26 ne nécessite pas de résistance ou autre composant de polarisation parallèle.

La figure 4 montre un circuit électronique avec un dispositif de protection 20 avec un limiteur 25 comportant des circuits électroniques 26 bidirectionnels de limitation série disposés en série sur chaque ligne d'alimentation. Sur cette figure, le dispositif de

protection comporte aussi un circuit électronique de limitation parallèle 40 connecté en aval des deux circuits électroniques 26 bidirectionnels de limitation série. Le circuit 40 limite en tension de protection une sortie en permettant une circulation de courant de perturbation limité par les circuits électroniques de limitation série. Ainsi, le circuit 40 permet de créer une circulation de courant même si le circuit électronique aval consomme peu ou est absent. Sur la figure 5, le circuit 40 est connecté en aval redresseur 13. Ainsi, lesdits des moyens 40, 41 électroniques de limitation parallèle protègent ledit circuit électronique en dérivant directement un courant de perturbation excédentaire.

Sur les figures 4 et 5, un circuit électronique 26 bidirectionnel de limitation série est disposé en série sur la ligne phase et la ligne neutre du réseau d'alimentation. Les circuits 26 sont alors au nombre de deux pour supporter la surtension simple de la tension d'alimentation. Des différences dans les caractéristiques statiques des transistors des deux circuits électroniques 26 bidirectionnels de limitation série font que les seuils de courant Ilim pour chaque circuit 26 peuvent être ou ne pas être différents. Ainsi, selon le comportement statique des limiteurs, en cas de surtension, la montée en tension de la tension simple réseau peut se faire progressivement sur l'ensemble ou en cascade sur chaque limiteur. Cela signifie que le courant dans la maille qui subit la surtension réseau est également toujours limité par un des deux circuits 26. Ainsi, lorsque le premier circuit limiteur, qui avait initialement à supporter toute la surtension réseau, entre en avalanche, l'autre circuit limiteur prend le relais en supportant à son tour le résidu de surtension réseau sous courant réduit.

Les figures 6 et 7 montrent des circuits alimentés en triphasé. Ainsi, le limiteur 25 comporte trois circuits électroniques de limitation série 26. Sur la figure 6, le circuit 40 de limitation parallèle est connecté en sortie du limiteur 25 et comporte trois secondes diodes

41 bidirectionnelles en courant et en tension de type avalanche. Sur la figure 7, un filtre 42 contre des perturbations haute fréquence en mode conduit est disposé en aval du limiteur

25 et avant le pont redresseur. Dans cette disposition, le limiteur 25 protège en tension les composants du filtre en particulier des condensateurs connectés en parallèle sur les lignes.

Sur les figures 6 et 7, un circuit électronique 26 bidirectionnel de limitation série est disposé en série sur chaque ligne d'alimentation. Les circuits 26 sont alors au nombre de deux pour supporter la surtension composée des lignes d'alimentation triphasée. Selon le comportement statique des limiteurs, en cas de surtension, la montée en tension de la tension composée réseau se fait progressivement sur l'ensemble ou en cascade sur chaque limiteur. Cela signifie que le courant dans la maille qui subit la surtension réseau est également toujours limité par un des deux circuits 26.

Les figures 8 à 12 montrent des schémas de différents limiteurs 25 de dispositifs selon des modes de réalisation de l'invention. Avantageusement, sur la figure 8, ladite valeur de limitation de courant Ilim est définie par un seuil de tension de commande entre les électrodes de commande et les électrodes de références respectives et des résistances internes des transistors, et une tension de limitation série Vlim est définie par une tension d'avalanche entre les électrodes de sortie et les électrodes de référence respectives desdits transistors de limitation série.

Sur la figure 9, ladite valeur de limitation de courant Ilim est définie comme sur la figure 8, et une tension de limitation série Vlim est définie par des tensions d'avalanche de premières diodes avalanche 36. Ces diodes protègent aussi les transistors de limitation série d'un claquage en tension entre leurs électrodes de sortie et leurs électrodes de référence.

Sur la figure 10, ladite valeur de limitation de courant Ilim est définie par un seuil de tension de commande entre les électrodes de commande et les électrodes de références respectives, des résistances internes des transistors et des résistances 34 d'ajustement de la limitation connectées en série avec lesdites électrodes de référence, et une tension de limitation série Vlim est définie comme dans le circuit de la figure 8.

Sur la figure 11, ladite valeur de limitation de courant Ilim est définie par un seuil de tension de commande entre les électrodes de commande et les électrodes de références respectives, des résistances internes des transistors et des résistances 34 d'ajustement de la limitation connectées en série avec lesdites électrodes de référence, et une tension de

limitation série VHm est définie par des tensions d'avalanche de premières diodes avalanche 36.

Sur la figure 12, deux circuits électroniques 26 bidirectionnels de limitation série sont disposés en série sur chaque ligne d'alimentation. Les circuits 26 sont alors au nombre de quatre pour les deux lignes d'alimentation. Si les seuils de courant Ilim pour chaque circuit 26 sont différents, en cas de surtension, la montée en tension se fait progressivement sur l'ensemble ou en cascade sur chaque limiteur en fonction des caractéristiques des transistors.

Les figures 13 et 14 montrent la limitation de tension effectuée par des dispositifs selon des modes de réalisation de l'invention lors de l'application d'une impulsion perturbatrice. Une tension de réseau Vl et une tension V2 protégée en aval d'un limiteur 25 sont à environ la même valeur puisque la chute de tension est très basse. Puis, lorsqu'une surtension de perturbation VlP est présente la tension V2 de sortie est limitée et la différence de tension est limitée et contenue par les circuits 26 d'un limiteur 25.

De préférence, les circuits électroniques 26 bidirectionnels de limitation série limitent à une tension limitation supérieure à 1000 volts. Avantageusement, cette tension de limitation est supérieure 2500 volts ou de préférence supérieure à 3300 volts. La mise en série des transistors des circuits 26 permet d'augmenter la tension de limitation. Ainsi, les transistors utilisés dans les circuits 26 supportent des tensions égalent ou supérieures aux tensions de limitations Vlim respectivement supérieure à 1000, 2500 ou 3300 volts.

Avantageusement, les moyens électroniques 26 de limitation série comportent des transistors à effet de champ ayant une résistance série à l'état passant inférieure à 10 ohms. De préférence, ces transistors à effet de champ sont du type à carbure de silicium permettant d'avoir des tailles de composant réduites pour des tensions de fonctionnement élevées et des résistances à l'état passant faibles.

Avantageusement, les moyens électroniques de limitation parallèle comportent au moins une diode à effet avalanche 41 connectée en sortie des moyens électroniques de limitation

série. Ces diodes à avalanche permettent de dériver un courant de perturbation directement en amont du circuit à protéger.

Les transistors 30 ou 31 sont de préférence des transistors à effet de champ à jonction sur la grille permettant une tension négative de commande de conduction et un état passant en inverse. Cependant, d'autres types de transistors ou de semi-conducteurs de puissance peuvent être utilisés en adaptant les schémas à leurs caractéristiques fonctionnelles.