Brevet FR2586817A1 — publié le 19870306

j CAPTEUR DE COURANT ET SON PROCEDE DE MISE EN OEUVRE La présente invention se rapporte à un capteur de courant, destiné notamment à permettre la mesure isolée d'un courant alternatif ou continu de valeur élevée, par exemple plusieurs dizaines d'ampères, avec une dérive en température aussi faible que possible. Une telle mesure de courant trouve notamment application dans les équipements d'électronique de puissance destinés à la commande d'action- neurs électriques, en particulier pour des équipements destinés à l'automobile. Les capteurs de courant actuels utilisent trois principes fonda- mentaux qui sont la résistance série (shunt), la transformation courantchamp magnétique (transformateur), la transformation courant-induction (sondes Hall). La définition du capteur de courant dépend de trois paramètres essentiels: la nature du courant, alternatif ou continu, l'intensité de ce courant et la tension de fonctionnement associée. Le capteur de courant doit supporter des contraintes techniques qui sont principalement des contraintes d'environnement -température, bruit, isolation- et d'ordre topologique. Sa conception doit égalenient tenir compte de nécessités économi- ques, de fiabilité et de sécurité de fonctionnement qui prédominent notamment dans certains secteurs d'activité, tels que l'automobile. Si l'on reprend successivement les trois types de capteurs évoqués plus haut, le shunt est un capteur passif qui délivre une tension proportionnelle au courant, continu ou alternatif jusqu'à des fréquences relativement élevées. Bien qu'il soit très utilisé à cause de sa simpli- cité, il présente l'inconvénient majeur de ne pas être isolé du champ de mesure, contrairement aux capteurs de type inductif ou sensibles aux champs magnétiques. Le transformateur de courant ne peut être utilisé que pour les courants alternatifs. Il est également de type passif et permet une mesure de la dérivée du courant. Le capteur à effet Hall ou à magnétorésistance est au contraire du type actif et nécessite une alimentation en tension continue auxiliaire. Son avantage essentiel est de permettre une mesure isolée de forts courants continus ou alternatif. Cependant, il prOsente l'inconvénient d'une dérive en température et, pour minimiser celle-ci, il est nécessaire de lui associer des circuits de compensation parfois coûteux et complexes. Un autre inconvé- nient consécutif dû à la nécessité d'une alimentation auxiliaire est dû à la présence de quatre fils d'entrée-sortie. Un objet de l'invention est de réaliser de manière simple et économique la mesure d'un courant continu ou alternatif de valeur élevée -plusieurs dizaines d'ampères- dans des conditions d'isolation élec- trique et avec une dérive en température aussi faible que possible, en n'utilisant que deux fils d'alimentation. On notera qu'il s'agit de mesurer un courant et non de détecter un seuil pour réaliser, par exemple, une protection thermique d'un disposi- tif de puissance. Le capteur de courant selon l'invention, destiné à la mesure d'un courant alternatif ou continu de valeur élevé est caractérisé en ce qu'il comporte un premier bobinage pour un courant à mesurer de forte intensité, ayant pour noyau une portion d'un premier circuit magnétique fermé sur lui-même, et un second bobinage pour un courant de mesure de faible intensité, entourant un noyau formé d'une portion d'un second circuit magnétique également fermé sur lui-même, ces deux circuits magnétiques ayant une partie commune de croisement agencée de manière que, dans cette partie commune, les champs magnétiques créés dans chacun desdits circuits magnétiques par les bobinages traversés par leurs courants courants respectifs, soient orthogonaux. Cette disposition des champs permet, comme on le verra mieux plus loin, d'éliminer tout couplage direct entre le circuit de mesure et le circuit principal et, par conséquent, de supprimer tout effet de transfor- mateur. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue éclatée d'une forme de réalisation-du capteur selon l'invention; - la figure 2 montre ce même capteur assemble; - la figure 3- est un diagramme montrant la disposition des champs magnétiques créés dans le capteur selon l'invention, en correspondance avec les éléments de ce capteur représenté à la figure 1; - la figure 4 est une représentation plus détaillée dans un système de coordonnées rectangulairesde la composition des champs magnétiques prenant naissance dans le capteur selon l'invention; - la figure 5 illustre une variante de réalisation du capteur selon l'invention; - la figure 6 montre la disposition relative des champs magnétiques croisés créés dans ce capteur par le courant à mesurer et par le courant de mesure; et - la figure 7 montre très schématiquement la relation I = f(v), dans laquelle I est le courant à mesurer, et v la tension aux bornes du circuit de mesure, alimenté par un courant i. Dans la forme de réalisation choisie et représentée aux figures 1 et 2, le capteur selon l'invention comporte un premier élément 10, en forme de U, de section rectangulaire, réalisé en un matériau magnétique, par exemple en ferrite, facilement saturable pour de faibles valeurs du champ magnétique, à très grande perméabilité et faible anisotropie. Le choix porte avantageusement sur une ferrite dite "douce". Sur la portion centrale 11 de l'élément 10 est réalisé un bobi- nage 12 apte à supporter des courants élevés, comportant par exemple une dizaine de tours de fil. Ce bobinage est, en utilisation, parcouru par un courant I à mesurer. Dans chacune des extrémités des branches extrêmes 13, 14 de l'élément 10 est ménagée une encoche 15, 16 respectivement, pour le logement d'une plaque 17, de forme rectangulaire, dans le même matériau que ledit élément, cette plaque 17 formant pont entre les deux branches et dépassant latéralement de part et d'autre de cet élément, en 18 et 19. Le capteur comporte en outre un second élément 20, également en forme de U, formé dans le même matériau que l'élément 10 et sur la partie centrale 21 duquel est enroulé un second bobinage 22 pour un courant faible i, en série avec un circuit de mesure, non représenté. Ce second élément 20 est disposé en pont entre les extrémités 18 et 19 de la plaque 17 au-dessus de laquelle il est renversé. Son orien- tation est à angle droit par rapport au premier élément 10. La figure 1 montre, séparés, les éléments du capteur tandis que la figure 2 montre le capteur assemblé. Dans un exemple d'utilisation, le courant I est continu (on verra qu'il peut aussi bien s'agir d'un courant alternatif), tandis que le courant i est un courant sinusoidal, par exemple d'une fréquence de kHz et d'une valeur maximale iM de l'ordre de 100 mA. Cette valeur maximale, iM, est rendue constante au moyen d'une résistance R de valeur élevée par rapport à l'impédance de la bobine 22. Dans un matériau, tel que la ferrite, il existe une valeur du champ magnétique, notée ms, et correspondant à un courant Is, à partir de laquelle le matériau sature, c'est-a-dire que l'induction magnétique, notée t, ne peut dépasser une certaine valeur, notée Bs, quelle que soit l'intensité du champ t appliqué, supérieure à Hs. D'autre part, la faible anisotropie du matériau fait que les directions des valeurs t et A sont parallèles. Le circuit principal 12 sature donc l'élément 10 et la plaque 17 selon l'axe Oy (figures 3 et 4) à partir d'un seuil de courant Iseuil. Le champ A créé par le bobinage 12 est proportionnel à I. L'induction associée est en module égale à Bs dans la direction Oy quel que soit le courant I supérieur à Is. Le circuit de mesure comprenant le bobinage 22 exerce une action sur le second élément 20 et 'la plaque 17 selon l'axe 0x. Le champ t est x créé par le bobinage 22 et est l'imaae du courant i. t est donc sinu- soldal de valeur maximale hM. L'induction associée b est également sinusoidale de valeur maximale bM. Dans la zone de croisement des champs dans la plaque 17, A et t se composent en un vecteur résultant% faisant avec l'axe 0x un angle e (figure 4). Le vecteurj oscille entre (t +) et (t - SM). L'induction associée notée est parallèle aà. Ce concept de champs croisés est primordial. Il permet en effet de supprimer tout couplage entre les bobinages 12 et 22. Si cela avait été le cas -champs t et t parallèles par exemple-, il existerait soit un effet transformateur (circuit de mesure 22 passif), soit une détection de seuil par saturation (circuit de mesure 22 actif) fournissant une mesure imprécise. Lorsque le champ résultant(M = + hM devient en module égal à Hs, l'induction M devient en module égal à Bs et le reste même si l'on augmente le courant I à mesurer. Dans ces conditions, seule l'orientation du vecteur _M varie, parallèlement à3(M. Pour le matériau, le fait d'appliquer dans cette direction un champiM en module supérieur à Hs, et ce pour une même valeur de l'in- duction, va correspondre à une diminution de sa perméabilité notée "p". Cette diminution de p est fonction de l'augmentation du courant I à mesurer. Elle est effective dans toutes les directions du fait de l'isotropie de la ferrite, en particulier dans la direction Ox du circuit de mesure. Dans cette direction, le champ M est constant du fait qu'il est créé par le courant i dont la valeur maximale iM est rendue constante. La diminution de permeabilit6 va donc entraîner une diminution de l'induction bM dans la direction 0x. Elle s'accompagne egalement d'une diminution du flux traversant le bobinage 22, d'une diminution de son inductance propre, et par conséquent de la tension à ses bornes qui vaut: Lsin (wt). On voit ici la nécessité de prendre un courant de mesure alternatif. Il permet donc une mesure de tension alternative dont la valeur crête est l'image du courant I à mesurer, qui a été supposé continu. Dans le cas oO I est un courant alternatif, on observe des batte- ments de la tension de lecture à la fréquence du courant à mesurer: c'est un phénomène de modulation d'amplitude. Le principe même du capteur reste de toute facon inchargS. L'invention a pour application possible la mesure du courant dans les équipements d'électronique de puissance desp5tns à la commande d'actionneurs électriques. En fait, ce type d'application n'est pas limitatif. Le capteur convient dans tous les cas o l'on a besoin d'une mesure avec isolation électrique d'un fort courant continu ou alterna- tif, au moindre coût, sur une large étendue de température, et avec le minimum d'alimentation auxiliaire et de fils d'alimentation. Il constitue pour ces trois derniers points une très sensible amélioration du capteur à effet "Hall". La figure 5 illustre une autre forme de réalisation du capteur selon l'invention; l'un des circuits magnétiques, par exemple le circuit de mesure 30, consiste en un anneau de section carrée, sur lequel est enroulé le bobinage de mesure 32; une encoche 33 est ménagée dans cet anneau et recoit un barreau 34, disposé radialement par rapport à l'anneau et s'étendant de part et d'autre de celui-ci, vers l'intérieur et vers l'extérieur. Un demi-anneau 35, dans un plan perpendiculaire à celui de l'anneau 30 relie les extrémités du barreau; ce demi-anneau sur lequel est enroulé un bobinage 36, constitue avec le barreau.34 le circuit principal du courant à mesurer du capteur ainsi constitué. La partie commune de croisement des deux circuits est située en 37, à l'intersection du barreau 34 et de l'anneau 30, au droit de l'encoche 33 comblée par ce barreau. La figure 6 montre la disposition relative des champs A et M créés par les bobinages principal 36 et de mesure 32. La figure 7 illustre très schématiquement un exemple d'applica- tion. Dans le diagramme représenté, I = f(v), I est le courant à mesurer et v la tension aux bornes du circuit de mesure alimenté par un courant sinusoidal i. On voit que le seuil de mesure est d'environ 2,5 A, le courant i ayant une fréquence de 5 kHz, le courant i2 de 10 kHz. Entre 2,5 et 30 A, la variation de tension AVest de l'ordre de vO %, à partir d'une tension nominale v0 de 2 V pour i1, de 3,7 V pour i2. Bien entendu, la présente invention n'est pas limités aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Capteur de courant, destinA à la mesure d'un courant alterna- tif ou continu de valeur flevée, caractérisé en ce qu'il comporte un premier bobinage (12), ou bobinage principal, pour le courant de forte intensité (I) à mesurer, ayant pour noyau une portion d'un premier circuit magnétique (10, 17) fermé sur lui-même, et un second bobi- nage (22) pour un courant de mesure de faible intensité (i), entourant un noyau formé d'une portion d'un second circuit magnétique (20, 17) également fermé sur lui-même, ces deux circuits magnétiques ayant une partie commune de croisement (17) agencee de manière que, dans cette partie commune, les champs magnétiques (t et i) créés dans chacun desdits circuits magnétiques par les bobinages traversés par leurs courants respectifs, soient orthogonaux. 2.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique des deux circuits magnétiques, principal et de mesure, est faiblement anisotrope, facilement saturable et possède une très grande permeabilité. 3.- Capteur de courant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau magnétique est une ferrite, de préfé- rence "douce". 4.- Procédé de mise en oeuvre du capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage principal est choisi pour que le courant à mesurer qui la traverse sursature le matériau magnétique et modifie la perméabilité relative de celui-ci, de façon que l'inductance du bobinage de mesure, alimenté par un faible courant sinusoïdal, varie en fonction du courant à mesurer.