Brevet FR2775137A1 — publié le 19990820

La présente invention concerne un dispositif de commutation de charges inductives, en particulier dans un véhicule automobile, ce dispositif étant du type dans lequel est prévu un branchement en série d'une charge et d'un commutateur associé à cette charge, ce branchement en série étant connecté entre le pôle positif et le pôle négatif d'une source de tension, et comportant une diode de roue libre branchée en parallèle avec la charge, et comportant également un circuit de protection contre une inversion de polarité de la source de tension. Un véhicule automobile comporte des charges inductives, par exemple, des soupapes magnétiques, dont le courant doit pouvoir être commandé linéairement (courant -> force de soupape -> pression hydraulique). Cela est obtenu, en règle générale, par une commutation, rythmée de ces charges Li (voir figure 1), avec des impulsions de largeur variable. Pour la commutation, on utilise habituellement des semi-conducteurs intégrés de puissance comportant des étages de sortie Q1 à MOSFET, qui présentent une diode de substrat conductrice dans le sens source-drain. Une diode de roue libre Dl est branchée en parallèle avec la charge inductive. Un tel montage - à l'exception de la charge inductive elle- même - est, en règle générale, une partie d'une commande ST de moteur ou de boîte, entourée par des tirets sur la figure 1. Un problème général de l'électronique automobile est le risque d'inversion de polarité de la source de tension Bat. Dans ce cas, la diode de roue libre et la diode de substrat seraient connectées à la source de tension dans le sens d'écoulement du courant, le courant en résultant endommagerait alors la diode de roue libre et la diode de substrat. Dans le cas d'une inversion de la source de tension, un courant doit donc être entravé par des mesures appropriées, le circuit de courant de roue libre devant toutefois rester maintenu pour la charge et, dans le circuit de courant de la charge, aucun composant ne doit être inséré, qui diminuerait la tension à appliquer à la charge. Pour ces raisons, on ne peut utiliser, dans le circuit de la charge, une diode de protection contre une inversion de polarité, connue en elle- même, ou un autre commutateur électronique, connu par EP 0 436 778 A2, devenant non-conducteur en cas d'inversion de polarité de la source de tension. Une solution est connue de façon générale, comportant un relais principal, dont le bobinage d'excitation est connecté avec une diode de protection contre une inversion de polarité, en série avec la source de tension et qui peut être excité au moyen du contacteur d'allumage du véhicule automobile. Les inconvénients de cette solution sont son coût élevé, son encombrement, sa fiabilité limitée et la durée de vie limitée des contacts de ce relais principal. Le but de l'invention est d'offrir un dispositif de commutation de charges inductives, en particulier dans un véhicule automobile, comportant un circuit de protection contre une inversion de polarité de la source de tension, qui ni ne perturbe le circuit de roue libre de la charge, ni ne réduise la tension à appliquer à celle-ci, et qui élimine les inconvénients d'un relais principal. Ce problème est résolu, selon l'invention, par le fait que le circuit de protection comporte un commutateur électronique, monté en série avec la diode de roue libre, ce commutateur étant commandé à l'état conducteur par une pompe de charges commandée par un oscillateur, lorsque la polarité de la source de tension est correcte. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le commutateur électronique est un MOSFET à canal N dont la source est reliée au pôle positif. - la pompe de charges est connectée entre la source et la grille du commutateur électronique. - l'alimentation en tension de l'oscillateur se fait par l'intermédiaire d'un commutateur à partir de la source de tension, au moyen d'un régulateur de tension intégré, protégé contre une inversion de polarité. - une diode de limitation résistant aux impulsions est branchée en parallèle avec le commutateur électronique et une autre diode de limitation résistant aux impulsions est branchée entre le conducteur reliant le commutateur électronique à la diode de roue libre et au pôle négatif de la source de tension, les anodes de la diode de roue libre et les deux diodes de limitation étant reliées entre elles. On décrira ci-après plus en détail un exemple d'exécution de l'invention, en référence au dessin schématique sur lequel: - la figure 1 représente un dispositif de commutation de charges inductives, comportant un circuit, représenté schématiquement, de protection contre une inversion de polarité de la source de tension; - la figure 2 est le schéma de connexion de ce circuit de protection. Le dispositif de la figure 1 est constitué d'un montage en série d'une charge inductive L1 et d'un commutateur électronique Q1 pour la commande de cette charge au moyen d'un autre circuit, non représenté, branché aux pôles positif et négatif d'une source de tension Bat (d'une batterie de véhicule automobile). Le circuit de courant de la charge est représenté en traits gras. Une diode de roue libre D1 est branchée en parallèle avec la charge L1. Selon l'invention, en série avec la diode de roue libre Dl, un circuit S de protection contre l'inversion de polarité de la source de tension, représenté sous la forme d'une boîte, est, dans cet exemple d'exécution, intercalé entre la diode de roue libre Dl et la jonction A, entre le pôle positif et la charge Li. Le plan de connexion de ce circuit de protection est représenté sur la figure 2. Ce circuit de protection S présente, entre l'entrée 1, reliée à la jonction A, et la sortie 2, reliée à l'anode de la diode de roue libre Dl, un MOSFET à canal N fonctionnant en régime inverse (source au potentiel positif en fonctionnement normal, sans inversion de polarité), se présentant sous la forme d'un commutateur électronique Q2. Ce circuit inverse n'a pas d'effet sur le comportement du commutateur Q2. Le commutateur Q2 pourrait être réalisé également sous la forme d'un MOSFET à canal P, mais - pour une résistance de canal comparable - il conduirait à un coût nettement plus élevé et à un circuit de commande complexe. Dans le cas d'une source de tension dont la polarité est correctement branchée, une pompe de charges P fournit une tension grille-source positive, qui rend le commutateur Q2 conducteur, ce qui permet le passage sans obstacle du courant de roue libre. Dans le cas d'une inversion de polarité de la source de tension Bat, aucune tension grille-source positive n'est produite, et le commutateur Q2 est non conducteur: la protection d'inversion de polarité est active. Comme le circuit d'une pompe de charges et d'un oscillateur est connu en lui-même, on ne reviendra pas sur ce sujet et il suffit d'une description de principe. La commande de la pompe de charge P, à trois étages dans cet exemple d'exécution, - constituée des condensateurs Cl, C2 et C3 et des diodes 3a, 3b et 4a, 4b - se fait par un oscillateur Osz de Schmitt à déclenchement, composé d'un inverseur UlA, d'un condensateur C5 et d'une résistance R4, avec une fréquence de 100 kHz, par exemple. Les inverseurs branchés en aval U1B, U1C et U1D servent à l'alternance inverse et au découplage. L'alimentation en tension de l'oscillateur Osz se fait à partir de la source de tension Bat, par l'intermédiaire d'un contacteur d'allumage, non représenté, au moyen d'un régulateur de tension intégré (par exemple de 5V), également non représenté, prévu dans la commande de moteur ST et protégé contre l'inversion de polarité. Entre la source et à la grille du commutateur Q2, sont branchés une diode Zener D6, dans le sens passant vers la grille, une résistance R3 et un condensateur C4: - la diode Zener D6 limite, en cas d'incident, la tension de grille à une valeur permise pour le commutateur Q2; - la pompe de charges à trois étages fournit une tension de roue libre d'environ 15V; avec la charge par la résistance R3, on obtient une valeur typique de 12V, ce qui suffit à rendre le commutateur Q2 complètement conducteur, - le condensateur C4 sert d'élément accumulateur, sa valeur doit être choisie grande par rapport aux condensateurs Cl à C3, de telle façon que les composantes de tension alternative de la pompe de charges soit suffisamment filtrées; de plus, en cas d'inversion de polarité de la source de tension Bat, la tension grille- source résultant des diviseurs de tension capacitifs C4/C1+C2+C3 appliquée au commutateur Q2, reste de façon sûre en-dessous de son seuil de conduction; - la résistance R3 décharge le condensateur C3 après la coupure de la commande du moteur, ce qui a pour effet que, jusqu'à un nouveau démarrage (ou jusqu'à une inversion de polarité possible de la source de tension Bat), le commutateur Q2 est, de façon sûre, maintenu à l'état conducteur. Les sorties des inverseurs U1C et U1D sont chacune branchées à une résistance Rl, R2 qui, en cas d'impulsions perturbatrices rapides, limitent à des valeurs tolérables les courants de charge des condensateurs C1, C2 et C3 et les courants de sortie des inverseurs U1C et U1D. Le commutateur Q2, réalisé sous la forme d'un MOSFET à canal N. présente, de même, une diode de substrat qui, en cas d'inversion de polarité de la source de tension Bat, passe en état de blocage. Comme, dans le cas d'inversion de polarité de la source de tension Bat, la tension d'alimentation pour l'oscillateur Osz fait également défaut, la pompe de charges n'est pas activée. Il ne se crée pas de tension grille-source positive et le commutateur Q2 ne devient pas conducteur. Des diodes de limitation résistant aux impulsions, D2 et D5, qui servent à limiter la tension d'impulsions perturbatrices, positives et négatives, du courant, sont branchées l'une en parallèle avec la diode de substrat du commutateur Q2, et l'autre, du pôle négatif de la source de tension Bat (correctement polarisée) vers son drain. Ainsi, l'une des diodes fonctionne dans le sens passant et l'autre en effet Zener. Entre le drain du commutateur Q2 et le pôle négatif de la source de tension Bat (correctement polarisée), donc en parallèle avec la diode de limitation D5, est branché un condensateur de filtrage C6. Le circuit de protection décrit est d'un prix avantageux et est fiable. Il n'est soumis à aucune usure. Plusieurs circuits de roue libre peuvent être protégés simultanément contre l'inversion de polarité par un seul circuit de protection. Dans le cas d'un exemple d'exécution préféré de l'invention, on utilise des composants dimensionnés comme suit: Cl, C2, C3 = 2,2 nF D2 = RD16EB C4 = 100 nF D3a,b = BAV99 C5 = 1 nF D4a,b = BAV99 C6 = 3,3 tF D5 = RD33EB R1, R2 = 1 kQ D6 = RD18EB R3 = 1 MQ U1A - U1D = 74HC14 R4 = lOkQ Q2 = BUZ70/SIE REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à commuter des charges inductives, en particulier dans un véhicule automobile, comportant un branchement en série d'une charge (L1) et d'un commutateur (Q1) associé à cette charge (L1), ce branchement en série étant connecté entre le pâle positif (+) et le pôle négatif (-) d'une source de tension (Bat), comportant une diode de roue libre (D1) branchée en parallèle avec la charge (L1), et comportant un circuit de protection (S) contre une inversion de polarité de la source de tension, caractérisé en ce que le circuit de protection (S) comporte un commutateur électronique (Q2), monté en série avec la diode de roue libre (D1), ce commutateur (Q2) étant commandé à l'état conducteur par une pompe de charges (P) commandée par un oscillateur (Osz), lorsque la polarité de la source de tension (Bat) est correcte. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur électronique (Q2) est un MOSFET à canal N dont la source est reliée au pôle positif (+). 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pompe de charges (P) est connectée entre la source et la grille du commutateur électronique (Q2). 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation en tension de l'oscillateur (Osz) se fait par l'intermédiaire d'un commutateur à partir de la source de tension (Bat), au moyen d'un régulateur de tension intégré, protégé contre une inversion de polarité. 5. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu' - une diode de limitation (D2) résistant aux impulsions est branchée en parallèle avec le commutateur électronique (Q2), et - en ce qu'une autre diode de limitation (D5) résistant aux impulsions est branchée entre le conducteur reliant le commutateur électronique (Q2) à la diode de roue libre (Dl) et au pôle négatif (-) de la source de tension (Bat), - les anodes de la diode de roue libre (Dl) et les deux diodes de limitation (D2, D5) étant reliées entre elles.