Brevet FR2782204A1 — publié le 20000211

La présente invention concerne un circuit pour éliminer l'énergie magnétique stockée dans un enroulement d'excitation d'un générateur relié à la tension de batterie, comprenant un commutateur de puissance coopérant avec l'enroulement d'excitation, commandé en cadence par une com- mande de cadence pour commander le stockage d'énergie ou l'élimination d'énergie de l'enroulement d'excitation. L'invention concerne également un procédé de com- mande d'un tel circuit. Dans le fonctionnement des générateurs équipant les véhicules automobiles, par exemple les générateurs à griffes polaires, en cas de coupure de charge, on rencontre de brusques surtensions, car le flux magnétique ou l'énergie magnétique accumulée dans l'enroulement d'excitation du géné- rateur ne peut diminuer que selon une vitesse finie. L'augmentation de tension produite dans le réseau embarqué n'est usuellement évitée qu'en utilisant des composants sup- plémentaires coOteux comme par exemple des diodes Zener de puissance. Selon l'état de la technique, on connaît diffé- rents circuits pour éteindre ou éliminer l'énergie magnétique accumulée dans un enroulement d'excitation. On décrira tout d'abord un premier circuit d'extinction, connu, représenté à la figure 3. Un générateur G comporte un enroulement d'excitation caractérisé par son inductance L et sa résistance ohmique R. L'accumulation d'énergie ou l'extinction de l'enroulement d'excitation 10 se commande à l'aide d'un transistor de puissance T fonctionnant en mode normal de manière cadencée par une commande de ca- dence 20. L'enroulement d'excitation 10 et le transistor de puissance T sont branchés en série sur une tension de batte- rie Ubatt. En fonctionnement normal, comme indiqué, le tran- sistor de puissance T fonctionne de manière cadencée, par exemple selon le procédé de modulation par largeur d'impulsions. Pendant l'état conducteur du transistor de puissance T, l'énergie s'accumule dans la bobine d'excitation 10. Une diode D forme un circuit de roue libre pour la bobine d'excitation 10. Au cours de l'état bloqué du transistor de puissance T, c'est-à-dire pendant la phase de roue libre de l'enroulement d'excitation 10, l'énergie magnétique accumulée dans l'enroulement d'excitation est éliminée par le circuit de roue libre. La tension antagoniste nécessaire à l'élimination de l'énergie correspond à la tension de passage de la diode D du circuit de roue libre; celle-ci est de fa- çon caractéristique de l'ordre de 0,7 V. Du fait de cette tension antagoniste faible, l'élimination de l'énergie se fait relativement lentement. Alors que ce comportement est souhaitable en mode normal, dans le cas d'une coupure de charge, l'élimination de l'énergie dans la bobine d'excitation est trop lente malgré l'intervention immédiate du régulateur, car la tension antagoniste faible n'autorise pas une élimination rapide de l'énergie. Cela conduit, dans le réseau embarqué, à des surtensions qui s'atténuent par exemple grâce à l'utilisation de diodes Zener de puissance, coûteuses. La figure 4 montre un montage en pont de type H, connu selon l'état de la technique, pour éliminer l'énergie d'une bobine d'excitation. Dans ce circuit, les mêmes élé- ments que ceux de la figure 3 portent les mêmes références. Le circuit comprend deux commutateurs de puissance S1, S2 par exemple en forme de transistors. En fonctionnement normal, pour accumuler l'énergie dans l'enroulement d'excitation 10, on ferme les deux commutateurs de puissance S1, S2. Un cou- rant passe alors par le commutateur de puissance Sl, l'inductance L, la résistance R et le commutateur de puis- sance S2. Pendant la roue libre, l'un des commutateurs de puissance est fermé, ce qui permet d'éliminer l'énergie ma- gnétique de l'enroulement d'excitation 10 comme indiqué ci- dessus pour la solution de la figure 3. Pour éliminer ou éteindre rapidement l'énergie magnétique de l'enroulement d'excitation 10, on ouvre simul- tanément les deux commutateurs de puissance SI, S2. Le cou- rant ne passe alors plus que par la diode D2, l'inductance I, la résistance R et la diode D1. Les diodes D1, D2 sont ainsi traversées dans le sens conducteur. Le courant fonctionne ainsi à l'opposé de la tension de batterie (par exemple 14V) et de la tension de passage des diodes D1, D2. La tension an- tagoniste nécessaire à cet effet est éliminée par l'inductance propre de la bobine d'excitation 10. La présente invention a pour but de développer un circuit peu coûteux à réaliser, permettant une élimination rapide et fiable de l'énergie magnétique accumulée dans une bobine d'excitation d'un générateur notamment pour compenser une coupure brusque d'une charge. A cet effet, l'invention concerne un circuit du type défini ci-dessus, caractérisé par une diode Zener bran- chée entre l'enroulement d'excitation et une entrée de com- mande d'un commutateur de puissance pour commander l'élimination d'énergie de l'enroulement d'excitation notam- ment du commutateur de puissance. L'invention concerne également un procédé de com- mande d'un tel dispositif, ce procédé étant caractérisé en ce que dans un second type de fonctionnement, on interrompt le fonctionnement cadencé du commutateur de puissance et on ap- plique la tension aux bornes de l'enroulement d'excitation, à travers la diode Zener branchée dans le sens bloquant vis-à- vis de cette tension, à une entrée de commande d'un commuta- teur de puissance pour commander l'élimination de l'énergie accumulée dans l'enroulement d'excitation, notamment du com- mutateur de puissance. Selon l'invention, par comparaison avec l'état de la technique, on réalise une élimination beaucoup plus rapide de l'énergie accumulée ou de l'inductance d'un enroulement d'excitation d'un générateur. Cela est notamment le cas pour une coupure de charge, c'est-à-dire l'arrêt ou la disparition brusque d'un utilisateur. La durée de la surtension à la sor- tie du générateur est réduite de manière très importante grâce à l'invention. L'énergie d'extinction, à la sortie du générateur et que les éléments de protection tels que les diodes Zener de puissance doivent absorber, est également ré- duite de manière très importante. Cela conduit à des écono- mies car on utilise des éléments de protection ayant une capacité de puissance plus faible. Il en résulte d'autres avantages du point de vue d'un plus faible encombrement né- cessaire et d'une énergie thermique plus réduite à évacuer. Il est à remarquer que le commutateur de puissance pour la commande cadencée de l'enroulement d'excitation n'est pas né- cessairement le même commutateur de puissance que celui dont l'entrée de commande est commandée par la diode Zener. Il est toutefois avantageux de ne prévoir qu'un seul commutateur de puissance pour assurer les fonctions évoquées ci-dessus. De manière avantageuse, le circuit selon l'invention comprend un circuit de roue libre coopérant avec l'enroulement d'excitation et comprenant une diode et au moins un commutateur de puissance. Ainsi, en fonctionnement normal du circuit, on dispose d'une extinction par diode, usuelle, telle qu'elle a été décrite à titre d'exemple ci- dessus en se référant à la figure 3. Le fonctionnement normal de la régulation du courant d'excitation du générateur, no- tamment d'un générateur de véhicule automobile, n'est pas in- fluencé par l'extinction, selon l'invention, de l'énergie d'excitation par une diode Zener. De plus, le principe de l'extinction selon l'invention par une diode Zener peut éga- lement s'utiliser pendant le fonctionnement normal comme in- tervention de réglage étendue pour la régulation du générateur. On obtient ainsi une dynamique de régulation plus importante, car on améliore l'intervention de réglage du côté de l'excitation. Selon un mode de réalisation préférentiel du cir- cuit de l'invention, une diode est prévue entre la bobine d'excitation et la diode Zener. Selon un autre développement préférentiel du cir- cuit de l'invention, dans le cas du commutateur de puissance commandant l'accumulation d'énergie ou son élimination de l'enroulement d'excitation et/ou du commutateur de puissance du circuit de roue libre, il s'agit de transistors à effet de champ MOS. De tels transistors sont fiables et peu coûteux. On peut toutefois utiliser également d'autres commutateurs commandés, comme par exemple un transistor bipolaire ou un IGBT. La commande de ce commutateur de puissance peut se faire par l'une des commandes connues " côté haut ", mais on peut toutefois envisager par exemple également l'utilisation d'un transistor à effet de champ MOS de puissance, dans lequel est intégrée la commande du côté haut. Le générateur peut être un générateur synchrone par exemple un générateur à griffes polaires. Un tel généra- teur est relativement léger et peu coûteux à réaliser. La combinaison avec le circuit selon l'invention qui est lui- même peu encombrant comme cela a été indiqué, permet de réa- liser des ensembles de générateurs très compacts. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce que, par exemple dans le cas d'une coupure brusque de charge, on commute d'un premier mode de fonctionnement dans lequel le commutateur de puissance commandant l'enroulement d'excitation du générateur fonctionne de manière cadencée, à un second mode de fonctionnement dans lequel le courant de décharge de l'enroulement d'excitation engendré par la ten- sion aux bornes de l'enroulement d'excitation peut tout d'abord ne passer que par la diode Zener (branchée dans le sens bloqué vis-à-vis de cette tension). La tension aux bor- nes de l'enroulement d'excitation pour ce mode de fonctionne- ment, ou tension arrivant sur la diode Zener, est principalement la somme de la tension de la batterie et de la tension engendrée par l'auto-induction de l'enroulement d'excitation. Ce n'est que lorsqu'on dépasse la tension de claquage de la diode Zener que l'entrée de commande du commu- tateur de puissance ou du transistor est commandée pour que celui-ci devienne au moins partiellement passant, de manière à évacuer le courant de décharge de l'enroulement d'excitation. De façon avantageuse, dans le second mode de fonctionnement, le commutateur de puissance du circuit de roue libre est ouvert. Cela permet de découpler de manière simple le circuit de roue libre vis-à-vis des courants et tensions qui se produisent pendant le second état de fonc- tionnement. Selon un autre mode de réalisation préférentiel du procédé de l'invention, la tension appliquée à l'enroulement d'excitation est transmise par la diode Zener et l'autre diode à l'entrée de commande du commutateur de puissance. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de deux exemples de réalisation préférentiels en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma par blocs d'un mode de réalisation préférentiel du circuit selon l'invention pour éliminer l'énergie magnétique stockée dans une bobine d'excitation d'un générateur, - la figure 2 est un diagramme montrant le cou- rant dans la bobine d'excitation pour expliciter la vitesse d'élimination de l'énergie du circuit selon l'invention, par comparaison avec un circuit selon l'état de la technique, - la figure 3 est un schéma par blocs d'un cir- cuit pour éliminer l'énergie magnétique selon l'état de la technique, - la figure 4 est un schéma par blocs d'un autre circuit pour éliminer l'énergie magnétique selon l'état de la technique. - la figure 5 montre un schéma par blocs d'un au- tre mode de réalisation du circuit selon l'invention pour éliminer l'énergie magnétique accumulée dans une bobine d'excitation d'un générateur. Le circuit selon la figure 1 comprend un généra- teur G avec un enroulement d'excitation 1 caractérisé par son inductance L et sa résistance ohmique R. Le stockage ou l'extinction de l'énergie de l'enroulement d'excitation 1 se commande à l'aide d'un transistor de puissance T commandé en cadence, en fonctionnement normal, par une commande de ca- dence 2. Entre la commande de cadence 2 et les bornes de grille ou de source du transistor T, on a des résistances R1, R2. La bobine d'excitation 1 et le transistor de puissance T sont branchés en série sur la tension de batterie Ubatt. Un commutateur de puissance S et une diode D1 forment un circuit de roue libre pour la bobine d'excitation 1. Le circuit comprend en outre une diode D2 et une diode Zener Dz branchées entre l'enroulement d'excitation et le transistor de puissance T pour qu'en cas d'ouverture du commutateur de puissance S, un courant puisse passer de l'enroulement d'excitation 1 vers la diode D2 et la diode Ze- ner Dz pour arriver sur la borne de commande du transistor de puissance T. En fonctionnement normal ou selon un premier mode de fonctionnement, correspondant à l'état de la technique, commandé en cadence par le transistor de puissance T, on fonctionne par exemple selon le procédé de modulation de lar- geur d'impulsions. Pendant l'état conducteur du transistor de puissance T, l'énergie s'accumule dans la bobine d'excitation 1. Dans cet état de fonctionnement, le commutateur de puis- sance S est fermé. Pendant l'état bloqué du transistor de puissance T, c'est-à-dire pendant la phase de roue libre de la bobine d'excitation 1, l'énergie accumulée dans cette bobine est di- minuée par le circuit de roue libre. La tension antagoniste nécessaire pour accumuler de l'énergie correspond à la somme des tensions de passage de la diode D1 et du commutateur de puissance S, de manière caractéristique de l'ordre de 1,5 V. Comme cette tension antagoniste est relativement faible, la diminution de l'énergie ne se fait que lentement. Ce compor- tement est souhaitable pour le mode de fonctionnement normal, pour obtenir un courant d'excitation à faible ondulation. En cas de coupure de charge du réseau embarqué, l'intervention immédiate du régulateur non représenté ouvre le commutateur de puissance S et bloque le transistor de puissance T. Du fait de l'auto-induction, il s'établit dans la bobine d'excitation 1 une tension Ui qui a le même sens que la tension de batterie Ubatt. Comme le transistor de puissance T est bloqué, le courant de décharge de la bobine d'excitation 1 ne peut tout d'abord passer que par la diode D2 et la diode Zener Dz (dans le sens bloquant). Au niveau de la diode Zener, on aura la tension de claquage ou tension Ze- ner dans le sens du blocage. Ce n'est que lorsque la somme des tensions Ubatt et Ui dépasse la tension Zener que l'on arrive à la tension de commande de la grille ou de la borne de commande du transistor de puissance qui commande alors l'ouverture de ce transistor de puissance. Un courant de dé- charge peut alors passer directement de la bobine d'excitation 1 à travers le transistor de puissance T. Si un courant de décharge traverse le transistor de puissance T, la tension appliquée à la diode Zener Dz di- minue, si bien que la tension de commande à la borne de grille du transistor de puissance diminue. Comme ainsi le courant de décharge à travers le transistor de puissance T diminue de nouveau et que la tension appliquée à la diode Ze- ner Dz augmente, on a une boucle de régulation pour éliminer l'énergie de la bobine d'excitation 1, boucle dans laquelle une tension régulée est fournie par le transistor de puis- sance T. La tension antagoniste nécessaire à la décharge correspond à la somme de la tension Zener de la diode Dz par exemple 70 V, et, dans le cas d'un transistor à effet de champ MOS comme transistor de puissance T, de la tension de seuil du transistor de puissance T. Par un choix approprié de la tension Zener de la diode Zener Dz, on peut modifier l'amplitude de la tension antagoniste et influencer ainsi la durée de l'opération de décharge. La figure 4 montre à titre d'exemple la comparai- son de l'élimination d'énergie ou de l'extinction d'énergie en utilisant le dispositif de commutation de l'invention (ex- tinction Zener) avec une élimination d'énergie par une ex- tinction à diode usuelle. Dans ce cas, le courant dans la bobine d'excitation est représenté en fonction du temps. Il apparaît qu'en utilisant le circuit selon l'invention, on a une élimination beaucoup plus rapide de l'énergie accumulée dans l'enroulement d'excitation. Pour la comparaison faite à titre d'exemple selon la figure 4, on a choisi les paramètres suivants pour le circuit: L = 220 mH R= 2 Q Uz = 70V Ubatt = 14V Le circuit de la figure 5 montre une variante du circuit de la figure 1 pour éliminer l'énergie magnétique ac- cumulée dans un enroulement d'excitation d'un générateur par une extinction Zener rapide. En fonctionnement normal, si le courant d'exci- tation est régulé sur une valeur constante, le transistor T2, qui est de préférence un transistor MOSFET, est conducteur en permanence. Le transistor T1 est commandé de manière cadencée par un procédé connu comme par exemple le procédé PWM (modu- lateur de largeur d'impulsions) ou selon une régulation en deux points. Si le transistor T1 est conducteur, l'énergie de la source Ubatt est accumulée dans le circuit d'excitation; le courant d'excitation passe par le transistor T1, l'enroulement d'excitation 1 (L, R) et le transistor T2 Lorsque le transistor T1 se bloque, l'énergie accumulée dans le circuit d'excitation peut s'éliminer dans le circuit de roue libre L, R, T2, DF. La faible tension antagoniste d'environ 1,5 V (tension passante de DF et du transistor con- ducteur T2) ne permet qu'une élimination lente de l'énergie, ce qui est également recherché pour cet état de fonctionne- ment. En cas de coupure ou de disparition de charge, les deux transistors T1, T2 sont bloqués par la commande. L'énergie stockée dans le circuit d'excitation ne peut, dans un premier temps, que s'éliminer seulement à travers les dio- des D1, DZ, si bien que la grille du transistor T2 se charge et que le transistor T2 fonctionne dans sa plage active. Il en résulte que la tension antagoniste nécessaire pour l'élimination rapide de l'énergie (extinction Zener rapide) augmente à la valeur de la tension de claquage (par exemple V) de la diode Dz qui est de préférence une diode Zener. L'énergie accumulée dans le circuit d'excitation s'élimine comme en mode normal dans le circuit de roue libre, par l'enroulement d'excitation 1 (L, R), la diode DF et le tran- sistor T2 mais, comme déjà décrit, le transistor T2 travaille dans sa plage active. Ainsi, l'élimination d'énergie se fait en un temps relativement court comme cela a déjà été décrit en liaison avec la figure 1, si bien que les effets des sur- tensions en cas de suppression de charge, c'est-à-dire de ré- duction rapide de la charge, peuvent être diminués dans le réseau embarqué. Il R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Circuit pour éliminer l'énergie magnétique stockée dans un enroulement d'excitation (1) d'un générateur (G) relié à la tension de batterie (Ubatt), comprenant un commutateur de puissance (T) coopérant avec l'enroulement d'excitation (1), commandé en cadence par une commande de cadence (2) pour com- mander le stockage d'énergie ou l'élimination d'énergie de l'enroulement d'excitation (1), caractérisé par une diode Zener (Dz) branchée entre l'enroulement d'excitation (1) et une entrée de commande d'un commutateur de puissance pour commander l'élimination d'énergie de l'enroulement d'excitation (1) notamment du commutateur de puissance (T). 2 ) Circuit selon la revendication 1, caractérisé par un circuit de roue libre coopérant avec l'enroulement d'excitation (1), ce circuit ayant au moins une diode (D1) (DF) et au moins un commutateur de puissance (S), (T2). 3 ) Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par une diode (D2) branchée entre la bobine d'excitation (1) et la diode Zener (Dz). 4 ) Circuit selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le commutateur de puissance (T1), (T2) est un transistor à effet de champ MOS. ) Circuit selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le générateur (G) est un générateur synchrone, par exemple un générateur synchrone à griffes polaires. 6 ) Procédé de commande d'un circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes selon lequel dans un premier type de fonctionnement, le commutateur de puissance (T) est commandé en cadence par une commande de cadence (2), caractérisé en ce que dans un second type de fonctionnement, on interrompt le fonc- tionnement cadencé du commutateur de puissance (T) et on ap- plique la tension aux bornes de l'enroulement d'excitation (1), à travers la diode Zener (DZ) branchée dans le sens blo- quant vis-à-vis de cette tension, à une entrée de commande d'un commutateur de puissance pour commander l'élimination de l'énergie accumulée dans l'enroulement d'excitation (1), no- tamment du commutateur de puissance (T). 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans le second état de fonctionnement, le commutateur de puissance (S) du circuit de roue libre est ouvert. 8 ) Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la tension appliquée à l'enroulement d'excitation (1) est fournie par la diode Zener (Dz) et la diode (D2) à l'entrée de commande du commutateur de puissance (T).