Brevet FR2686750A1 — publié le 19930730

COMMMUTATEUR HACHEUR DE PUISSANCE A SEMICONDUCTEUR AUTO-CONTROlE La présente invention est relative à des commutateurs hacheurs de puissance, notamment utilisés pour la commande et le contrôle d'une machine électrique réversible destinée à fonctionner comme moteur/générateur - frein et plus particulièrement pour le contrôle de courants de forte intensité, notamment jusqu'à quelques centaines d'ampères, et ce sous des tensions élevées, notamment de quelques centaines de volts, dans le domaine de la traction électrique de véhicules. L'état de la technique concernant la commutation de puissance est défini par l'adoption d'une pluralité de composants commutateurs à semiconducteur contrôlant une fraction sensiblement égale de la puissance totale, les circuits de commande et de contrôle étant externes et communs à tous les composants, regroupés ou non (donc discrets) dans une structure modulaire de technologie hybride. Toutefois, cette solution connue présente des inconvénients, notamment en ce qui concerne - l'indisponibilité du dispositif de commutation dans le cas de défaillance d'un ou plusieurs composants - le manque d'informations diagnostiquant en temps réel le fonctionnement interne, l'état du système (défaillance partielle, surcharge, température, etc .... d'un ou plusieurs composants) - le caractère unique et figé de la commande. Tous les inconvénients évoqués ci-dessus sont dus aux limites propres aux technologies des semiconducteurs antérieurement connues, qui dissocient composants de puissance et logique. La présente invention, bénéficiant des ouvertures technologiques récentes, vise à éliminer les inconvénients précités, notamment en ce que - une disponibilité du commutateur hacheur de puissance est possible en cas de défaillance d'un ou plusieurs composants - une connaissance de l'état de fonctionnement est disponible à tout moment, par et pour le système externe et/ou l'utilisateur, pour optimiser le fonctionnement du système, par exemple pour autoriser la poursuite en mode dit dégradé, c'est-à-dire à performances limitées (souplesse de fonctionnement) ; - une commande indépendante de chaque composant permet, en fonction de son état, de satisfaire aux exigences d'un système acceptant le fonctionnement en mode dégradé - une simplification et une sécurité de la réalisation des interfaces entre la "puissance" et "la logique" est possible. La présente invention a pour objet un commutateur hacheur de puissance à semiconducteur, notamment destiné à la commande et au contrôle de la vitesse et du couple d'une machine électrique destinée à fonctionner comme moteur ou générateur-frein, plus particulièrement dans un véhicule à traction électrique, tel qu'un véhicule automobile ou un train, comportant a) une pluralité de composants commutateurs à semiconducteurs contrôlant chacun une fraction de la puissance b) un circuit de commande de l'ouverture et de la fermeture du commutateur ainsi que de contrôle de celui-ci, lequel commutateur est caractérisé en ce que b1) un circuit de commande et de contrôle séparé est associé à chaque composant commutateur c) une logique interne d'auto-contrôle est également associée à chaque composant, et d) chaque circuit de commande génère, pour la logique correspondante, sa propre alimentation. Conformément à l'invention, les différents composants commutateurs, avec les circuits de commande et de contrôle ainsi que la logique et l'alimentation correspondants, sont intégrés dans une puce de semiconducteur, définissant ainsi un module de commutateur de puissance. Selon une variante avantageuse de ce mode de réalisation, chaque composant commutateur, avec le circuit de commande et de contrôle ainsi que la logique et l'alimentation correspondant, est intégré dans une puce de semiconducteur, définissant ainsi une variante de réalisation modulaire du commutateur hacheur de puissance conforme à l'invention. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description donné à titre d'illustration non limitative, notamment en ce qui concerne les fonctions principales du circuit logique (ou de "la logique1,) interne d'auto-contrôle associé(e) à chaque composant du commutateur hacheur de puissance conforme à l'invention, ainsi que la manière de générer de façon intrinsèque l'alimentation basse tension de la logique et des éventuels circuits annexes à cette dernière. Avant d'illustrer ce qui précède, il y a lieu de rappeler que la fonction hacheur d'un commutateur à semiconducteur est double - interdire le passage de courant dans l'état bloqué - laisser passer avec un minimum de pertes le courant que peut absorber le circuit situé en aval dans l'état passant. A fréquence de commutation élevée, fonction de l'application visée, le rapport entre le temps de conduction et le temps de blocage permet le contrôle du courant, et donc de la puissance, sous une tension donnée. Cette fonction hacheur est réalisée sous forme de puce, notamment par un transistor de puissance du type MOS ou bipolaire ou par un thyristor ou un IGBT, capable de supporter le courant maximum et la tension de blocage et présentant un rendement optimal, c'est-à-dire un minimum de pertes en conduction et en régime transitoire, lors de la commutation. En ce qui concerne la logique associée à la fonction hacheur -qui est Intégrable dans le composant final- celle-ci remplit les fonctions suivantes 1) réception des signaux de commande, d'ouverture (état bloqué) et de fermeture (état passant) du dispositif de puissance, ces signaux étant émis par un circuit externe de commande sous forme de signaux électriques de fréquence supérieure à la fréquence de commutation, par exemple sous forme d'impulsions ou trains de sinusoïdes, en particulier le nombre de ces impulsions ou de ces sinusoïdes présentes dans chaque train, définissant le temps de commande ; ces signaux sont reçus ou émis de manière à être isolés électriquement du circuit de puissance, par exemple par l'intermédiaire d'un transformateur; de plus, le signal de fermeture est confirmé par une absence de signal d'ouverture et vice et versa, et ce pour des raisons de sécurité en milieu parasité, dû en particulier à la proximité du circuit de puissance 2) commande du dispositif de puissance (c'est-à-dire du commutateur hacheur), à partir a) des signaux ainsi reçus, et ce en répondant à la logique correspondant à la table de vérité suivante Commande de fermeture 1 O i O Commande d'ouverture O i 1 O Commande i 0 O O retenue où : 1 correspond à l'état fermé pour la commande retenue 0 correspond à l'état ouvert b) et d'informations élaborées par la logique à l'intérieur de la puce et assurant, comme précisé ci-après, la protection du composant correspondant, notamment par ordre d'ouverture en cas de surcharge 3) protection du dispositif de puissance et/ou du circuit externe, objet de la commande, visant à confirmer l'ouverture de ce dispositif, par exemple dans les cas suivants a) intensité de courant supérieure à une valeur de consigne prédéterminée en fonction de l'application; b) température du semiconducteur dépassant un seuil fixé par le niveau de fiabilité requis c) éventuellement, tension, dV/dt ou dI/dt supérieures à une valeur de consigne préfixée pour chacune de ces grandeurs 4) information d'alerte et/ou de criticité, qui est élaborée à partir de valeurs également préfixées, mais inférieures aux valeurs des grandeurs susdites, - et ce en fonction des exigences de protection -, et qui peut être renvoyée vers l'extérieur, par exemple sous forme de signal d'état, de manière à permettre une exploitation à la fois optimisée, plus sûre et plus fiable, en particulier lorsque plusieurs composants commutateurs sont en parallèle - contrôle de l'état du dispositif de puissance en comparant cet état aux ordres externes reçus pour la commande, par le biais des signaux évoqués sous 1), et en le renvoyant vers l'extérieur, par exemple sous forme d'un état de bon fonctionnement, de manière à permettre une exploitation adaptée à l'état réel du dispositif. En ce qui concerne l'alimentation basse tension de la logique et des éventuels circuits annexes à cette dernière, tels que les circuits de mesure et/ou de comparaison des grandeurs précitées, est obtenue, à partir de l'énergie transmise par les signaux externes précités de commande, notamment par intégration des impulsions ou des trains de sinusoïdes, de ces tains. Cela revient à dire qu'on profite de la présence permanente des signaux de commande, isolés électriquement, comme déjà précisé plus haut -, pour transmettre l'énergie associée à ces signaux, qui est donc récupérable pour réaliser justement une alimentation intrinsèque. REVENDICATIONS 1. Commutateur hacheur de puissance à semiconducteur, notamment destiné à la commande et au contrôle de la vitesse et du couple d'une machine électrique destinée à fonctionner comme moteur ou générateur-frein, plus particulièrement dans un véhicule à traction électrique, comportant a) une pluralité de composants commutateurs à semiconducteurs contrôlant chacun une fraction de la puissance b) un circuit de commande de l'ouverture et de la fermeture du commutateur ainsi que de contrôle de celui-ci, lequel commutateur est caractérisé en ce que b') un circuit de commande et de contrôle séparé est associé à chaque composant commutateur c) une logique interne d'auto-contrôle est également associée à chaque compostant, et d) chaque circuit de commande génère, pour la logique correspondante, sa propre alimentation. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différents composants commutateurs, avec les circuits de commande et de contrôle ainsi que la logique et l'alimentation correspondants, sont intégrés dans une puce de semiconducteur, définissant ainsi un module de commutateur de puissance. 3. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque composant commutateur, avec le circuit de commande et de contrôle ainsi que la logique et l'alimentation correspondants, est intégré dans une puce de semiconducteur, définissant ainsi une variante de réalisation modulaire du commutateur hacheur.