Brevet FR2686744A1 — publié le 19930730

- La présente invention concerne d'une façon générale les circuits régulateurs de la tension de charge d'une batterie par un alternateur, notamment dans un véhicule automobile. -5 Elle concerne plus particulièrement un nouveau circuit de gestion des commutations d'un élément interrupteur prévu en série avec l'enroulement d'excitation de l'alternateur en vue de commander le courant d'excitation. En référence à la figure 1 des dessins, on a représenté dans son ensemble un circuit électrique de véhicule automobile qui comprend une batterie B et un certain nombre de charges telles que CC commandées par des interrupteurs I Le réseau de bord du véhicule comporte par ailleurs par nature un certain nombre d'impédances à caractère selfique notées Zl, Z 2, Z 3 Un condensateur d'antiparasitage C est par ailleurs conventionnellement prévu pour atténuer les tensions parasites, notamment dans le domaine des radiofréquences, qui sont produites par ces impédances lors de variations brusques du courant consommé Ces variations brusques sont provoquées notamment par le découpage à fréquence élevée du courant d'excitation de l'alternateur, engendré par le circuit régulateur associé. Cependant, on observe dans la pratique que le condensateur C n'est pas à même d'atténuer suffisamment ces tensions parasites. La figure 2 montre l'apparition de telles composantes parasites dans la tension du réseau Vr à chaque interruption et rétablissement du courant It pris sur le réseau pour former le courant d'excitation. Une solution connue à ce problème consiste à accroître les temps de montée et de descente de la tension appliquée à l'enroulement d'excitation de l'alternateur On ralentit ainsi la vitesse de transfert 2 - du courant d'excitation entre le transistor et la diode de roue libre associée lors de l'ouverture du transistor, pour ainsi diminuer l'apparition de tensions parasites dans les radiofréquences Ceci est réalisé classiquement en plaçant une résistance de valeur appropriée en série avec la grille d'un transistor MOS de commutation du courant d'excitation La figure 3 illustre de haut en bas la tension d'excitation Vx (tension aux bornes de l'enroulement d'excitation), le courant It pris sur le réseau, la tension Vr du réseau et la puissance Pd dissipée dans le transistor au cours des phases de commutation On observe que les composantes radiofréquences de la tension Vr sont effectivement diminuées Cependant, on note également que la puissance dissipée par le circuit à chaque commutation est importante Cette puissance dissipée croît en outre avec la fréquence des commutations, et s'avère tout à fait gênante dans le cas o le régulateur associé est du type dit à "fréquence libre" et peut donner lieu à des fréquences de commutation élevées de l'ordre de 200 à 500 Hz Dans ce cas, la puissance dissipée par commutation peut atteindre 2 watts ou davantage. La présente invention a pour objet de limiter les composantes parasites de haute fréquence dans la tension du réseau, sans pour autant dissiper dans le circuit des puissances importantes. Elle concerne à cet effet un circuit de gestion des commutations d'un élément interrupteur à semi- conducteur assujetti à des signaux de commande pour30 alternativement établir et supprimer un courant d'excitation dans un enroulement d'excitation d'un alternateur d'un circuit électrique, notamment dans un véhicule automobile, une diode de roue libre étant montée en parallèle avec ledit enroulement Le circuit comprend35 des moyens de commande de courant pour appliquer à une borne de commande dudit élément interrupteur et/ou 3 - soutirer de ladite borne un faible courant donné lorsqu'une tension aux bornes de l'enroulement est inférieure à une valeur prédéterminée, de manière à obtenir des évolutions lentes du courant dans ledit5 élément interrupteur, et pour appliquer à ladite borne de commande ou soutirer de ladite borne un courant plus fort lorsque ladite tension aux bornes de l'enroulement est supérieure à ladite valeur prédéterminée. Les moyens de commande de courant peuvent être mis en oeuvre soit seulement lors de l'ouverture ou de la fermeture dudit élément interrupteur sous l'action des signaux de commande, soit à la fois lors de l'ouverture et de la fermeture dudit élément interrupteur. Dans un premier mode de réalisation concret, lesdits moyens de commande de courant comprennent un ensemble de moyens de commutation à semi-conducteurs dont des bornes de commande reçoivent ladite tension aux bornes de l'enroulement et un ensemble de résistances associées à ces moyens de commutation et capables d'être20 mises en série avec la borne de commande dudit interrupteur à semi-conducteur. Dans un deuxième mode de réalisation concret, lesdits moyens de commande de courant comprennent un circuit à miroir de courant incorporant une résistance25 exposée à une tension fixe, la valeur de ladite résistance déterminant la valeur du courant circulant vers et/ou à partir de ladite borne de commande, et des moyens de commutation pour faire varier la valeur de ladite résistance en fonction de la valeur de ladite30 tension aux bornes de l'enroulement. Le circuit comprend en outre de préférence des moyens d'inhibition au moins partielle des moyens de commande de courant lorsque la tension aux bornes d'une batterie dudit circuit électrique est faible, en vue35 d'appliquer audit élément interrupteur un courant au moins égal audit courant plus fort. 4 - Et notamment dans le cas o l'élément interrupteur est un semiconducteur de type D-MOS, il peut être prévu en outre une entrée pour un circuit à pompe de charge, en vue de solliciter la borne de commande de l'élément5 interrupteur sous une tension suffisante au moins pendant des périodes d'inhibition desdits moyens de commande de courant. Enfin le rapport entre la valeur du courant faible et la valeur du courant plus fort est préférentiellement de l'ordre de 1 à 10. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non15 limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue d'ensemble schématique d'un circuit électrique de véhicule automobile, la figure 2 illustre par une série de chronogrammes le comportement classique du circuit de la figure 1 lors de certaines commutations, la figure 3 illustre par une autre série de chronogramme le comportement d'un circuit réalisé selon un perfectionnement connu,25 la figure 4 illustre par une autre série de chronogrammes le comportement d'un circuit réalisé selon l'invention, la figure 5 est un schéma électrique détaillé d'un premier mode de réalisation d'un circuit de gestion des commutations selon l'invention, et la figure 6 est un schéma électrique détaillé d'un deuxième mode de réalisation d'un circuit de gestion des commutations selon l'invention. En référence à la figure 5, un circuit de gestion des commutations selon une première forme d'exécution de l'invention comprend une borne d'entrée El de commande - 5 d'excitation, appliquée à la grille d'un transistor MOS Tl Le drain de Tl est relié à la ligne d'alimentation B+ reliée à la tension de batterie (en l'espèce positive), et sa source est reliée à l'anode d'une diode Dl La cathode de Dl est reliée à une première borne d'une résistance R 2 et à la première borne d'une résistance R 3. La deuxième borne de R 3 est reliée via une résistance R 4 au drain d'un premier transistor T 2 d'une paire de transistors MOS T 2 et T 3 partageant la même grille Cette 1 o grille est reliée à une borne d'entrée E 2 pour une commande d'excitation inversée ou complémentaire. Les sources de T 2 et T 3 sont reliées à la masse. La deuxième borne de R 3 est également reliée via une résistance R 5 au collecteur d'un transistor bipolaire NPN T 4 dont l'émettteur est relié au drain de T 3 Une résistance R 6 est montée entre la base de T 4 et son émetteur. La deuxième borne de R 2 est reliée d'une part à l'anode d'une diode D 2 et d'autre part à une deuxième borne d'une résistance Rl dont la première borne est reliée à une borne d'entrée E 3 destinée à recevoir des signaux d'un circuit dit de pompe de charge. La cathode de D 2 est reliée au point commun entre R 3, R 4 et R 5, luimême relié à la grille d'un transistor MOS de puissance T 7. La deuxième borne de R 1 est en outre reliée au drain d'un transistor MOS T 5 dont la source est à la masse et dont la grille est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire NPN T 6 Une diode zéner DZ 2 est montée entre ladite grille de T 5 et la masse L'émetteur de T 6 est à la masse, tandis que sa base est reliée via une résistance R 10 à la source de T 7 Le collecteur de T 6 et la grille de T 5 sont reliés à la ligne B+ via, dans l'ordre, une résistance R 7 et une diode zéner DZ 3 Le point commun entre R 7 et DZ 3 est relié à la masse via une résistance R 8. 6 - La base du transistor T 4 précité est reliée à la source de T 7, via une résistance R 9 La source de T 7 est par ailleurs reliée à la cathode d'une diode de roue libre D 3 dont l'anode est à la masse. Le drain de T 7 est relié à la ligne B+, et une diode zéner DZ 1 est montée entre la grille et la source de T 7. L'enroulement d'excitation Ex de l'alternateur est relié entre la source de T 7 et la masse La tension à ses bornes est notée Vx Les capacités de grille de T 7 sont indiquées en C 7 et C 8. Le circuit dit "pompe de charge" (non représenté), dont la sortie est appliquée à l'entrée E 3, est de façon connue en soi un circuit multiplicateur de tension, destiné à appliquer à la grille de T 7 une tension suffisamment élevée pour provoquer sa fermeture et l'établissement du courant d'excitation même lorsque la batterie est déchargée On utilise conventionnellement ce type de circuit dans le cas o le transistor T 7 est de type "D-MOS", exigeant une tension de grille élevée pour sa fermeture. On va maintenant décrire en référence à la figure 4 le fonctionnement du circuit de la figure 5 La figure 4 illustre, du haut vers le bas, le comportement dans le temps de la tension d'excitation Vx, du courant d'excitation effectivement consommé par le circuit (courant It traversant T 7), de la tension Vr du réseau de bord et de la puissance Pd dissipée dans le circuit par commutation.30 On supposera dans un premier temps que la batterie du véhicule est convenablement chargée, le cas d'une batterie déchargée étant envisagé plus loin. On va tout d'abord considérer que la tension Vx est voisine de zéro et que le courant It est nul, le transistor T 7 étant ouvert (instant t O sur la figure 4). 7 - Lorsque le circuit de la figure 5 reçoit à un instant ti un signal correspondant à une demande d'accroissement du courant d'excitation (signal de niveau bas sur El et tension nulle sur E 2), alors Tl devient5 passant, tandis que T 2 et T 3 sont bloqués En outre, la tension d'excitation Vx étant voisine de zéro, T 6 est bloqué et T 5 est passant La diode D 2 est donc polarisée en inverse et aucun courant ne peut la traverser La grille de T 7 ne peut donc être chargée que via la10 résistance R 3 Cette résistance présente une valeur ohmique élevée, de manière que cette charge s'effectue lentement. Le courant It augmente donc lentement, comme illustré sur la figure 4, et l'on assiste également à un lent accroissement de la tension Vx Dès que la tension Vx a augmenté suffisamment (à l'instant t 2), T 6 est rendu passant, T 5 est bloqué et la grille de T 7 est chargée cette fois-ci non seulement via R 3, mais également via la résistance R 2, de valeur plus faible que R 3, et donc plus20 rapidement Par la suite, Vx et It restent à leur valeur maximale. Lorsque le circuit est commandé pour réduire l'excitation de l'alternateur, c'est-à-dire que la tension à l'entrée El est proche du potentiel25 d'alimentation B+, en vue d'ouvrir T 7, l'entrée E 2 étant à un niveau de tension haut (instant t 4), alors Tl est bloqué tandis que T 2 et T 3 sont rendus passants La tension Vx ayant avant l'ouverture de T 7 présenté une valeur élevée, T 4 est donc passant, et la grille de T 7 va30 pouvoir se décharger à travers R 5, T 4 et T 3 et accessoirement à travers R 4 et T 2 La valeur ohmique de R 5 est choisie faible de manière à ce que cette décharge ait lieu rapidement. On observe donc à partir de l'instant t 4 un abaissement rapide Vx, jusqu'à ce que sa valeur soit suffisamment faible pour que T 4 se bloque La grille de 8 - T 7 ne peut donc plus se décharger que via R 4, de plus forte valeur que R 5, c'est-à-dire beaucoup plus lentement Les variations de It sont donc lentes, comme illustré, à partir de t 5 et jusqu'à l'instant t 6 auquel ce courant devient nul. De préférence, le rapport entre la valeur de courant faible (cas o Vx est proche de zéro) et la valeur de courant fort auxquelles est soumise la grille de T 7 est de l'ordre de l à 10, ceci étant obtenu par un choix approprié des valeurs des résistances R 2, R 3, R 4 et R 5. Ainsi, aussi longtemps que Vx est faible, c'est- à-dire aussi longtemps qu'une mise en ou hors de conduction de la diode de roue libre D 3 est probable, le passage du courant d'excitation de T 7 dans D 3 ou réciproquement va se faire progressivement (période tl-t 2 ou t 5-t 6), et donc en limitant les parasites de haute fréquence dans la tension du réseau La figure 4 montre la très faible amplitude de ces parasites. En revanche, dès que Vx s'est accrue suffisamment, c'est-à-dire dès que le courant circule de façon stables des variations très rapides de cette tension deviennent possibles lors des commutations, de telle sorte qu'on peut ainsi diminuer la dissipation d'énergie lors de chaque commutation Ainsi la figure 4 montre que la dissipation d'énergie, pendant les intervalles de temps t 2-t 3 ou t 4-t 5, est bien plus faible que dans le cas de la solution de l'art antérieur (voir figure 3), o cette dissipation d'énergie serait prolongée dans le temps à cause de la croissance lente de Vx. On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit dans le cas o la batterie est déchargée, avec en conséquence une tension B+ réduite Dans ce cas, le circuit de pompe de charge applique à l'entrée E 3 une tension positive destinée à assurer le maintien à l'état passant du transistor T 7. 9 - Par ailleurs, la tension B+ étant réduite, le circuit constitué par DZ 3, R 7 et R 8 a pour effet d'abaisser la tension de grille de T 5 de manière à bloquer ce dernier En conséquence, la diode D 2 ne peut plus être polarisée en inverse et la grille de T 7 peut être chargée depuis l'entrée E 3, à travers Rl et D 2 On notera ici que la valeur de Rl est choisie suffisamment élevée pour éviter une décharge trop brutale du circuit de pompe de charge, qui serait susceptible à son tour d'engendrer des parasites dans le réseau de bord. Ainsi, lorsque la batterie est déchargée, le circuit construit autour de T 5 permet de rendre prioritaire la charge de la batterie, par maintien de T 7 à l'état fermé, par rapport au fonctionnement normal du circuit de commande de courant destiné à faire varier les vitesses de charge et de décharge de la grille de T 7 en fonction de la valeur de Vx. Au contraire, lorsque la tension de batterie est normale, le circuit DZ 3, R 7 et R 8 n'est plus capable en lui-même de bloquer T 5, les commutations de ce dernier étant normalement assurées via R 10 en fonction de la valeur de Vx. On observera par ailleurs que la diode Dl a pour effet d'éviter toute fuite du courant issu de Rl, D 2 à travers la diode parasite inverse que constitue le transistor MOS Tl. On va maintenant décrire en référence à la figure 6 une deuxième forme de réalisation de l'invention. Dans cette variante, les résistances Rl à R 5 agissant sur la grille de T 7 dans le schéma de la figure ont été remplacées par un circuit à miroirs de courant constitué par un ensemble de transistors T 9 à T 13. Les éléments du circuit de la figure 5 qui subsistent sur la figure 6, ou des éléments ayant un rôle équivalent, sont désignés par les mêmes références. - Dans le circuit de la figure 6, un pont constitué par le montage en série d'une résistance Rll et d'une diode zéner DZ 4 est monté entre la ligne B+ et la masse. Le point milieu de ce pont est appliqué à la grille d'un transistor MOS T 14, dont la source est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire NPN T 8 Le drain de T 14 est relié à la base et au collecteur d'un premier transistor PNP T 9 d'un circuit à miroir de courant. L'émetteur de T 9 est relié à la ligne B+ La base de T 9 est reliée aux bases de deux autres transistors PNP T 10 et Tii, dont les émetteurs sont reliés à la ligne B+. Le collecteur de T 10 est relié au drain et à la grille d'un transistor MOS T 12, dont la source est à la masse Le transistor T 12 forme avec un autre transistor MOS T 13 un second circuit à miroir de courant, leurs grilles étant reliées entre elles et la source de T 13 étant à la masse Les grilles de T 12 et T 13 sont reliées au drain d'un autre transistor MOS T 14, dont la source est à la masse et dont la grille est reliée à une entrée El pour une tension de commande d'ouverture et de fermeture de T 7. Le collecteur de Tii est relié à la grille de T 7 par l'intermédiaire d'une diode Dl qui a le même rôle que la diode Dl de la figure 5. La base de T 8 reçoit une tension de référence Vbg, par exemple une tension dite de "band-gap" de 1,26 volt, obtenue de façon tout à fait classique en soi L'émetteur de T 8 est relié au collecteur de T 4 par une résistance R 13, et à la masse par une résistance R 12 L'émetteur de T 4 est relié directement à la masse, tandis que sa résistance base- émetteur R 6 de la figure 5 a été supprimée, l'émetteur de T 4 étant toujours relié à la masse. Le fonctionnement du circuit de la figure 6 est le suivant. il - Lorsqu'un signal de niveau haut est appliqué sur l'entrée El, en vue de fermer T 7, T 14 devient passant et vient bloquer T 13 Un courant provenant de Tll peut donc circuler à travers Dl en direction de la grille de T 7, pour fermer celui-ci en vue d'accroître le courant d'excitation dans Ex. Au contraire, lorsqu'un signal égal à zéro volt ou proche de zéro volt est appliqué à l'entrée El, T 14 est bloqué et T 13 devient passant Le courant provenant de Tll s'écoule alors vers la masse à travers T 13, ce dernier étant bien entendu dimensionné pour être capable d'absorber tout le courant engendré par Tll T 7 s'ouvre alors pour diminuer le courant d'excitation. Lorsque la tension d'excitation Vx est voisine de zéro volt, T 4 et T 6 sont bloqués, et T 5 est normalement passant (sauf en cas de batterie déchargée), comme dans la forme de réalisation de la figure 5, et un courant provenant du circuit de pompe de charge est dérivé vers la masse à travers T 5 Dans ce cas, le circuit à miroirs de courant T 9-T 13 est alimenté par un courant dont la valeur est définie par la valeur ohmique de R 12 et par la tension Vbg, et ce courant, selon le niveau du signal sur l'entrée El, détermine le courant sous lequel la grille de T 7 va se charger (à travers T 11) ou va se décharger (à travers T 13). Au contraire, lorsque la tension Vx a suffisamment augmenté, T 4 et T 6 sont alors passants, alors que T 5 est bloqué Un courant issu de la pompe de charge peut alors le cas échant circuler vers la grille de T 7 à travers D 2. En même temps, le courant circulant dans les miroirs de courant est déterminé par la nouvelle valeur de la résistance entre T 8 et la masse, constituée essentiellement par la mise en parallèle de R 12 et de R 13, cette dernière étant d'une valeur ohmique beaucoup plus faible que R 12 Le courant de charge ou de décharge de la grille de T 7 devient donc bien plus important. 12 - Ainsi, selon l'état du signal à l'entrée El, la grille de T 7 va pouvoir se charger et se décharger de façon beaucoup plus rapide que dans le cas o Vx est proche de zéro volt, le même résultat qu'avec le circuit de la figure 5 étant donc obtenu Dans cette réalisation également, on peut choisir un rapport entre la valeur de courant de grille faible et la valeur de courant de grille plus forte de l'ordre de 1 à 10. Bien entendu, la présente invention n'est l O nullement limitée à la forme de réalisation décrite ci- dessus et représentée sur les dessins, mais l'homme de l'art saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. En particulier, bien que l'on ait décrit ci-dessus des circuits capables d'appliquer des courants différents à la grille de T 7 ou d'en soutirer des courants différents aussi bien lors des fronts montants de la tension Vx que lors de ses fronts descendants, il est clair que l'invention peut également être utilisée pour ne faire varier ces courants que lors des fronts montants ou que lors des fronts descendants. A cet égard, on notera qu'il est en principe plus facile d'appliquer l'invention aux fronts descendants qu'aux fronts montants, car aucun problème de mise en service ou d'inhibition du circuit à pompe de charge ne se pose alors. On notera enfin que, bien que l'invention ait été décrite en association avec un montage dans lequel l'enroulement Ex est situé entre l'interrupteur MOS T 7 et la masse (régulation dite "côté haut"), elle s'applique également à des montages o l'enroulement est entre le transistor T 7 et la ligne de tension positive B+ (régulation dite "côté bas"), ou encore à des montages o T 7 est remplacé par une paire Darlington. 13 - REVENDICATIONS 1 Circuit de gestion des commutations d'un élément interrupteur à semiconducteur (T 7) assujetti à des signaux de commande pour alternativement établir et supprimer un courant d'excitation (It) dans un enroulement d'excitation (Ex) d'un alternateur d'un circuit électrique, notamment dans un véhicule automobile, une diode de roue libre (D 3) étant montée en parallèle avec ledit enroulement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande de courant (T 4-T 6) pour appliquer à une borne de commande dudit élément interrupteur et/ou soutirer de ladite borne un faible courant donné lorsqu'une tension (Vx) aux bornes de l'enroulement est inférieure à une valeur prédéterminée, de manière à obtenir des évolutions lentes du courant dans ledit élément interrupteur, et pour appliquer à ladite borne de commande ou soutirer de ladite borne un courant plus fort lorsque ladite tension aux bornes de l'enroulement est supérieure à ladite valeur prédéterminée. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de courant (T 4-T 6) sont mis en oeuvre seulement lors de l'ouverture ou de la fermeture dudit élément interrupteur sous l'action des signaux de commande. 3 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de courant (T 4-T 6) sont mis en oeuvre tant lors de l'ouverture que de la fermeture dudit élément interrupteur sous l'action des signaux de commande. 4 Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de courant comprennent un ensemble de moyens de commutation à semi-conducteurs (T 4, T 6) dont des bornes de commande reçoivent ladite tension aux bornes de l'enroulement et un ensemble de résistances (R 2-R 5) associées à ces moyens 14 - de commutation et capables d'être mises en série avec la borne de commande dudit interrupteur à semi-conducteur (T 7). Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de courant comprennent un circuit à miroir de courant (T 9- T 13) incorporant une résistance (R 12; R 12, R 13) exposée à une tension fixe (Vbg), la valeur de ladite résistance déterminant la valeur du courant circulant vers et/ou à io partir de ladite borne de commande, et des moyens de commutation (T 4) pour faire varier la valeur de ladite résistance en fonction de la valeur de ladite tension aux bornes de l'enroulement. 6 Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (T 5, DZ 3, R 7, R 8) d'inhibition au moins partielle des moyens de commande de courant lorsque la tension (B+) aux bornes d'une batterie dudit circuit électrique est faible, en vue d'appliquer audit élément interrupteur un courant au moins égal audit courant plus fort. 7 Circuit selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'élément interrupteur est un semi-conducteur de type D-MOS, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une entrée (E 3) pour un circuit à pompe de charge, en vue de solliciter la borne de commande de l'élément interrupteur (T 7) sous une tension suffisante au moins pendant des périodes d'inhibition desdits moyens de commande de courant. 8 Circuit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport entre la valeur du courant faible et la valeur du courant plus fort est de l'ordre de 1 à 10.