Brevet FR2794305A1 — publié le 20001201

-1- ONDULEUR POUR VEHICULE Arrière-plan de l'invention [Domaine de l'invention] La présente invention a trait à un procédé d'isolation électrique pour un onduleur pour voiture comprenant des éléments semi-conducteurs de commutation, et à une réduction dans la taille de l'onduleur et l'amélioration de fiabilité de l'onduleur. [Description de la technique antérieure] La figure 4 est un schéma fonctionnel de circuit présentant la configuration de la source d'alimentation d'un onduleur pour voiture de la technique antérieure. La figure ne montre qu'un circuit à une phase pour une partie de commutation pour commander une charge à courant alternatif triphasé. On omet les circuits pour les deux autres phases parce qu'ils sont identiques au circuit ci-dessus (c.f. le schéma fonctionnel de circuit entier de la figure 5). Dans la figure 4, le numéro de référence 1 indique une source d'alimentation à courant continu haute tension pour commander une charge à courant alternatif non présentée. Pour une application telle que les voitures électriques, on utilise généralement plusieurs dizaines à plusieurs centaines de volts. La source d'alimentation 1 en courant continu ci-dessus est électriquement isolée d'une carrosserie de voiture pour des raisons de sécurité. Le numéro de référence 2 signifie deux éléments de commutation formant un bras d'une partie de commutation. Les deux éléments de commutation 2 sont disposés en série entre les deux extrémités de la source d'alimentation 1 à courant continu. On utilise généralement un élément d'alimentation représenté par un -2- IGBT (transistor bipolaire à porte isolée) comme élément de commutation 2, et on transforme l'alimentation à courant continu provenant de la source d'alimentation à courant continu ci-dessus en courant alternatif triphasé par l'opération de commutation des éléments de commutation 2 formant 3 bras connectés en parallèle comme on va le décrire ci-après dans l'invention. Indiquée par 3 est une diode d'inertie, appariée avec l'élément de commutation 2 ci-dessus, pour renvoyer un courant de reflux au moment de la commutation à la charge à courant alternatif ou à la source d'alimentation 1 à courant continu. Indiqué par 4 est un circuit pour commander l'élément de commutation 2 ci-dessus et le protéger d'une surchauffe, d'un courant de court- circuit et analogue. Ce circuit est connecté à la borne de sortie du signal de commande et à la borne d'entré de signal d'anomalie de commutation d'un micro-calculateur 5 par l'intermédiaire des optocoupleurs 8. Le numéro de référence 10 désigne un condensateur pour lisser un courant ondulé au moment de la commutation. La tension de commande du micro- calculateur 5 est fournie à partir d'une source d'alimentation 6 de courant continu basse tension et elle est régulée à 5 v par un circuit régulateur de tension constante général 7. Ainsi, dans le cas d'une voiture électrique ou d'une voiture électrique hybride, on utilise en général deux sources d'alimentation à courant continu différentes. A savoir, on utilise un accumulateur de 12 V généralement utilisé pour les automobiles comme source d'alimentation 6 à courant continu basse tension et le potentiel de masse (GND) de la source d'alimentation est mis à la -3- masse de la carrosserie de la voiture de sorte qu'il est rendu égal au potentiel de la carrosserie de voiture. La source d'alimentation 1 à courant continu haute tension est électriquement isolée de la carrosserie de la voiture dans la plupart des cas parce qu'elle engendre une haute tension et les circuits de commande et de protection 4 sont électriquement isolés du micro- calculateur 5 en utilisant des éléments d'isolation pour la prévention d'un problème de sécurité tel qu'un choc électrique et le principe de fonctionnement des éléments de commutation (différence dans la tension de référence en fonctionnement). On utilise l'optocoupleur 8 qui est relativement peu onéreux et facilement accessible comme élément d'isolation. La masse de carrosserie est représentée par "Z" ci-dessous. On va décrire ci-dessous le schéma fonctionnel de circuit entier de l'onduleur pour voiture de la figure 5. Les éléments ayant les mêmes symboles de référence que dans la figure 4 ont les mêmes fonctions. Un onduleur haute tension 9 qui est le circuit principal d'un onduleur pour voiture comprend une source d'alimentation 1 à courant continu, un condensateur de lissage 10 et une partie de commutation composée de 3 paires d'éléments de commutation 2 et de 3 paires de diodes d'inertie 3 connectées en parallèle, et transforme une tension de courant continu obtenue en lissant un courant ondulé au moment de la commutation entre les bornes du condensateur de lissage 10 en une tension de courant alternatif triphasé et fournit une alimentation à courant alternatif triphasé à tension variable et fréquence variable à une charge à courant alternatif triphasé 11 telle qu'un moteur à courant alternatif. On -4- utilise généralement un IGBT comme élément de commutation 2 dans la plupart des cas et G représente une grille, C un collecteur et E un émetteur dans la figure 5. Les circuits de protection et de commande de l'élément de commutation 4 amplifient un signal de commande provenant d'une unité arithmétique de commande 12 qui est un circuit de régulation de charge à courant alternatif prévu séparé de l'onduleur ci-dessus 9, puis ferme, rend passants, ou ouvre les éléments de commutation pour effectuer l'opération de commutation nécessaire pour transformer l'alimentation à courant continu de l'unité de source d'alimentation 1 à courant continu en alimentation à courant alternatif triphasé à fréquence variable et à tension variable. On utilise dans la plupart des cas un procédé de commande à signal numérique représenté par une régulation PWM (modulation à largeur d'impulsion). Les circuits de commande et de protection 4 ci-dessus servent à protéger les éléments de commutation 2 au moyen d'un signal de détection provenant d'un détecteur non représenté pour détecter la surchauffe ou un courant de court-circuit de l'élément d'alimentation 2. Donc, l'unité arithmétique de commande 12 incorpore généralement un micro-calculateur 5 pour effectuer le calcul afin de réguler la charge à courant alternatif, reçoit chaque courant de phase de la charge à courant alternatif triphasé 11 détectée par un détecteur de courant 13, un signal d'instruction de commande de couple de charge à courant alternatif triphasé provenant d'un régisseur de voiture 14 et un signal d'alarme, et commande l'onduleur 9 ayant diverses fonctions de protection. Puisque l'onduleur pour voiture de la technique antérieure est constitué comme décrit ci-dessus, les -5- circuits de commande et de protection de l'élément de commutation 4 doivent être électriquement isolés de l'unité arithmétique de commande 12 pour des raisons de sécurité et de principe de fonctionnement. On utilise souvent un optocoupleur 8 composé d'un élément semi- conducteur optique comme élément d'isolation. Toutefois, quand on utilise cet optocoupleur 8 dans l'environnement très rude d'un cycle de température pour les propriétés et la structure du semi-conducteur optique, comme dans une automobile, les propriétés étanches d'une partie de couplage optique se détériorent et le couplage (amplification) entre un côté primaire et un côté secondaire s'affaiblit. Dans le pire des cas, le côté primaire et le côté secondaire ne sont pas couplés l'un avec l'autre et cela soulève un problème de fiabilité tel qu'un signal ne peut pas être transmis (vie du produit). Puisqu'un procédé de conversion de signal (signal électrique signal optique signal électrique) est nécessaire pour l'isolation, il apparaît un retard; et le lissage de la forme d'onde entre un signal d'entrée et un signal de sortie, ainsi qu'une durée de commutation nécessaire pour la régulation PWM ne peuvent pas être assurés. Résumé de l'invention On a effectué la présente invention pour résoudre les problèmes ci-dessus et c'est un but de la présente invention de fournir un onduleur qui améliore le retard de temps de commutation et l'arrondi de forme d'onde et possède une fiabilité élevée même dans un environnement d'utilisation rigoureux comme dans une automobile et pour intégrer un circuit haute tension et réduire la taille d'un circuit de commande d'onduleur. -6- Selon un premier aspect de la présente invention, il est fourni un onduleur pour voiture, dans lequel les circuits de commande et de protection de l'élément de commutation et une unité arithmétique de commande sont formés sur le même substrat par l'intermédiaire d'un moyen de transmission de signal, ayant une fonction d'isolation, pour transmettre un signal entre les circuits de commande et de protection et l'unité arithmétique de commande, et une partie d'onduleur comprenant des éléments de commutation et un condensateur de lissage est construit en utilisant le même module que le substrat. Selon un deuxième aspect de la présente invention, on fournit un onduleur pour voiture, dans lequel le moyen de transmission de signal ci-dessus est composé d'un circuit intégré haute tension (HVIC), mais pas d'un élément d'isolation tel qu'un optocoupleur. Selon un troisième aspect de la présente invention, on fournit un onduleur pour voiture, dans lequel les potentiels de GND des circuits de commande et de protection de l'élément de commutation et l'unité arithmétique de commande formés sur le même substrat sont rendus égaux aux potentiels de GND des éléments de commutation. Les buts, particularités et autres avantages ci-dessus de l'invention deviendront apparents d'après la description suivante quand on l'associe aux dessins annexés. Brève description des dessins annexes La figure 1 est un schéma fonctionnel du circuit de la source d'alimentation d'un onduleur pour voiture selon une forme de réalisation de la présente invention; -7- La figure 2 est un schéma fonctionnel de circuit équivalent d'un circuit HVIC; La figure 3 est un schéma fonctionnel de circuit entier d'un onduleur pour voiture selon une autre forme de réalisation de la présente invention; La figure 4 est un schéma fonctionnel de circuit de source d'alimentation d'un onduleur pour voiture de la technique antérieure; et La figure 5 est un schéma fonctionnel de circuit entier d'un onduleur pour voiture de la technique antérieure. Description détaillée des formes de réalisation préférées On va décrire ci-dessous des formes de réalisation de la présente invention en référence aux dessins annexés. Dans la description suivante, on donne aux éléments identiques et correspondants à ceux de la technique antérieure, les mêmes symboles de référence. Forme de réalisation 1 La figure 1 est un schéma fonctionnel de circuit présentant la constitution de la source d'alimentation d'un onduleur pour voiture selon la forme de réalisation 1 de la présente invention. La figure 1 ne présente qu'un circuit d'une phase pour une partie d'alimentation pour commander une charge à courant alternatif triphasé. Dans la figure 1, le numéro de référence 1 représente une source d'alimentation à courant continu haute tension, 2, les éléments de commutation composés d'un IGBT, 3, les diodes d'inertie, 4, les circuits de commande et de protection d'éléments de commutation, 10, un condensateur de lissage, 12, une unité arithmétique de -8- commande comprenant un micro-calculateur 5 pour effectuer le calcul pour la commande d'une charge à courant alternatif et d'une source d'alimentation à courant continu basse tension 6, 15, les circuits HVIC comme moyen de transmission de signaux ayant la fonction d'isoler l'unité arithmétique de commande 12 des circuits de commande et de protection 4 et transmettant un signal entre l'unité arithmétique de commande 12 et les circuits de commande et de protection 4, et 16, une source d'alimentation d'isolation pour fournir une tension au micro-calculateur 5. L'onduleur pour voiture de cette forme de réalisation diffère de l'onduleur pour voiture de la technique antérieure en ce que l'on utilise le circuit HVIC 15 à la place de l'optocoupleur 8 qui est un élément pour isoler le micro-calculateur 5 incorporé dans l'unité arithmétique de commande 12, comme circuit de commande de charge à courant alternatif à partir des circuits de commande et de protection de l'élément de commutation 4, la GND (masse) du micro-calculateur 5 est connectée à la GND de la source d'alimentation à courant continu haute tension 1, et on utilise la source d'alimentation d'isolation 16 pour obtenir 5 V à partir de la source d'alimentation à courant continu basse tension 6, comme source d'alimentation pour le micro-calculateur 5. Ainsi, on réalise l'isolation électrique au moins de la carrosserie de la voiture. Le circuit HVIC est un circuit intégré semi- conducteur haute tension connu qui incorpore des transistor MOS à canal N pour décaler le niveau de signal d'une basse tension vers une haute tension et des transistors MOS à canal P pour décaler le niveau de signal d'une haute tension vers une basse tension. Le -9- circuit HVIC possède généralement une structure de type JI ou DI. Puisque le circuit HVIC ci-dessus peut assurer une résistance d'isolation équivalente à une grille MOS, on l'implante comme moyen de transmission de signal ayant une fonction d'isolation dans les domaines industriels et commerciaux. Comme présenté dans le schéma fonctionnel de circuit équivalent de la figure 2, le circuit HVIC se compose d'un premier circuit de transmission de signal 15A pour transmettre un signal provenant du micro-calculateur 5 vers le circuit de commande et de protection de l'élément de commutation 4, qui comprend un circuit ON 15a et un circuit OFF 15b, ayant chacun un transistor MOS à canal N haute tension (HV Nch MOS) connecté à la borne de sortie du micro-calculateur 5 par l'intermédiaire d'un point de connexion "a", et un SR-FF (Bascule bistable esclave) 15c qui fonctionne en réponse aux sorties du circuit ON 15a et du circuit OFF 15b, et un deuxième circuit de transmission de signal 15B pour transmettre un signal du circuit de commande et de protection 4 au micro-calculateur 5, qui comprend un circuit ON 15d et un circuit OFF 15, ayant chacun un transistor MOS à canal P haute tension (HV Pch MOS) connecté à la sortie du circuit de commande et de protection 4 par l'intermédiaire d'un point de connexion "d", et un SR-FF f qui fonctionne en réponse aux sorties du circuit ON d et du circuit OFF 15e, et possède la fonction d'isoler le circuit de commande et de protection 4 du micro-calculateur 5 et transmet un signal entre le circuit de commande et de protection 4 et le micro- calculateur 5. A savoir, dans le premier circuit de transmission de signal 15A, le circuit ON 15a devient actif sur un flanc -10- montant d'une impulsion d'entrée provenant d'un point de connexion "a" et le circuit OFF 15b devient actif sur un flanc descendant, formant ainsi deux lignes de signal et activant la bascule SR-FF 15c. Quand on met à l'état passant le transistor HV Nch MOS du circuit ON 15a, la bascule SR-FF 15c est armée et le potentiel du point de connexion "b" pour le circuit de commande et de protection 4 passe au niveau haut. Quand on met à l'état passant le transistor HV Nch MOS du circuit OFF 15b, la bascule SR-FF 15c est désarmée et le potentiel du point de connexion "b" passe au niveau bas. En résultat, on transmet un signal à partir du micro- calculateur 5 au circuit de commande et de protection de l'élément de commutation 4. Le deuxième circuit de transmission de signal 15B diffère du premier circuit de transmission de signal 15A en ce que le transistor MOS haute tension est un transistor MOS à canal P et le circuit effectue une opération similaire pour transmettre un signal à partir du circuit de commande et de protection de l'élément de commutation 4 au micro-calculateur 5. On donne ultérieurement une description du fonctionnement de l'onduleur pour voiture constitué ci-dessus. On incorpore le micro-calculateur 5 dans l'unité arithmétique de commande 12, il produit un signal PWM dans un motif prédéterminé, et ferme ou ouvre le circuit de commande et de protection de l'élément de commutation 4 par l'intermédiaire du circuit HVIC 15 pour commander l'élément de commutation de façon à transformer l'alimentation de la source d'alimentation 1 à courant continu haute tension en alimentation à courant alternatif triphasé à tension variable et à fréquence -11- variable. Quand une anomalie telle qu'une surchauffe ou un courant de court-circuit apparaît dans les éléments de commutation 2, le circuit de commande et de protection de l'élément de commutation 4 met hors service un signal de porte à l'élément de commutation 2 et informe le micro- calculateur 5 de l'anomalie par l'intermédiaire du circuit HVIC 15. Puisque l'onduleur pour voiture de cette forme de réalisation utilise le circuit HVIC 15 pour transmettre un signal entre les éléments ayant différents niveaux de GND, la GND du micro-calculateur 5 est connectée à la GND de la source d'alimentation 1 à courant continu haute tension sans utiliser d'optocoupleur, rendant ainsi possible de réduire la taille du circuit de commande de l'onduleur d'alimentation. Forme de réalisation 2 La figure 3 est un schéma fonctionnel de circuit entier d'un onduleur pour voiture selon la forme de réalisation 2 de la présente invention. Dans la figure 3, les éléments ayant les mêmes symboles de référence que ceux' de la figure 1 ont les mêmes fonctions. L'onduleur pour voiture de cette forme de réalisation diffère de l'onduleur pour voiture de la technique antérieure en ce que l'unité arithmétique de commande 12 en tant que circuit de commande de charge à courant alternatif est incorporé dans l'onduleur 9 et est formé sur le même substrat comme les circuits de commande et de protection de l'élément de commutation 4. De plus, comme décrit dans la forme de réalisation 1 ci-dessus, le potentiel de la GND de la plupart des circuits de l'unité arithmétique de commande 12, y compris du micro- calculateur 5 est rendu égal à un potentiel de référence -12- sur le côté bas du bras des éléments de commutation 2, à savoir, le potentiel de la GND de la source d'alimentation 1 à courant continu haute tension; on peut transmettre un signal aux six éléments de commutation 2 constituant un circuit triple en pont sans utiliser d'élément d'isolation électrique tel qu'un optocoupleur comme s'ils avaient le même potentiel. Quand une anomalie telle qu'une surchauffe ou un courant de court- circuit apparaît dans l'élément de commutation 2, le circuit de commande et de protection de l'élément de commutation 4 traite l'anomalie en réponse à un signal provenant d'un détecteur formé sur la même puce que les éléments de commutation 2 et informe le micro- calculateur 5 de l'anomalie par l'intermédiaire du circuit HVIC 15. Donc, un circuit haute tension peut être intégré et on peut réduire la taille d'un circuit de commande d'onduleur en effectuant une isolation électrique à l'aide d'une partie pour transmettre un signal d'instruction de commande provenant d'un régisseur de voiture 14 séparé de l'onduleur 9. Puisqu'il n'existe aucune étape de conversion d'un signal électrique en un signal optique au moment de l'isolation du fait de l'utilisation du circuit HVIC 15 à la place de l'optocoupleur classique, la vitesse de transmission de signal est grandement améliorée et on peut utiliser efficacement la largeur d'impulsion de commutation, étendant ainsi la gamme de régulation PWM. De plus, puisque l'unité arithmétique de commande 12 incluant le micro-calculateur 5 est incorporée dans l'onduleur 9, on peut ajouter avec facilité la fonction de commande d'apprentissage du détecteur formé sur la même puce que les éléments de commutation 2 et une -13- fonction de protection faisant usage d'un signal provenant du détecteur ci-dessus, permettant ainsi de construire un onduleur à fonction avancée. Puisque le circuit HVIC 15 n'est pas parfaitement isolé électriquement, un élément d'isolation électrique 17 est nécessaire entre le circuit HVIC 15 et un régisseur externe de voiture 14 pour des raisons de sécurité. On peut réduire le nombre de lignes de transmission du signal en employant une communication sérielle générale ou un système LAN comme système pour transmettre un signal au régisseur externe de voiture 14. Ceci contribue à une réduction dans le nombre de fils de voiture et à une réduction dans la probabilité d'une panne de contact au niveau du connecteur, aboutissant à une fiabilité améliorée. On peut utiliser un élément de couplage magnétique tel qu'un transformateur d'impulsions comme élément d'isolation électrique ci-dessus 17. Dans les formes de réalisation 1 et 2 ci-dessus, on utilise un IGBT général comme élément de commutation 2. On peut obtenir le même effet en utilisant un élément d'alimentation tel qu'un transistor bipolaire ou MOSFET. Comme ayant été décrit ci-dessus, selon le premier aspect de la présente invention, les circuits de commande et de protection d'élément de commutation et l'unité arithmétique de commande sont formés sur le même substrat par l'intermédiaire du moyen de transmission de signal ayant une fonction d'isolation, et une partie d'onduleur comprenant les éléments de commutation, et le condensateur de lissage est construite en utilisant le même module que le substrat, permettant ainsi de réduire la distance de transmission de signal et la capacité du circuit. En résultat, on peut réduire la taille de -14- l'onduleur pour voiture et on peut améliorer les caractéristiques EMC de l'onduleur. Selon le deuxième aspect de la présente invention, puisque le moyen de transmission de signal ci-dessus est composé d'un circuit HVIC, on peut obtenir un onduleur hautement fiable dans un environnement d'automobile rigoureux et on peut améliorer le retard du temps de commutation et l'arrondi de la forme d'onde, permettant ainsi d'utiliser une large gamme de rapport cyclique de forme d'onde de régulation PWM et d'étendre la gamme de régulation. Selon le troisième aspect de la présente invention, puisque les potentiels des GND des circuits de régulation et de protection de l'élément de commutation et l'unité arithmétique de commande formés dans le même module sont rendus égaux aux potentiels des GND des éléments de commutation, on peut intégrer un circuit haute tension et on peut réduire la taille de l'onduleur. -15- REVENDICATIONS 1. Onduleur pour voiture pour transformer une alimentation à courant continu en alimentation à courant alternatif et produire l'alimentation à courant alternatif comprenant: - un condensateur (10) pour lisser l'alimentation à courant continu provenant d'une source d'alimentation à courant continu; - une partie de commutation composée de 3 bras connectée en parallèle entre les deux extrémités de la source d'alimentation à courant continu, chacune formée par une paire d'éléments de commutation (2) connectés en série; - des circuits de commande et de protection (4) pour commander et protéger les éléments de commutation; - une unité arithmétique de commande (12) qui est un circuit de commande de charge à courant alternatif; et - un moyen de transmission de signal (15), ayant la fonction d'isoler les circuits de commande et de protection de l'unité arithmétique de commande, pour transmettre un signal entre les circuits de commande et de protection et l'unité arithmétique de commande, dans lequel les circuits de commande et de protection (4) de l'élément de commutation et l'unité arithmétique de commande (12) sont formés sur le même substrat par l'intermédiaire du moyen de transmission (15), et une partie d'onduleur comprenant les éléments de commutation (2) et le condensateur de lissage (10) est construite en utilisant le même module que le substrat. -16- 2. Onduleur pour voiture selon la revendication 1, dans lequel le moyen de transmission de signal (15) est composé d'un circuit intégré semi-conducteur haute tension.5 3. Onduleur pour voiture selon la revendication 1, dans lequel les potentiels de masse, des circuits de commande et de protection de l'élément de commutation et l'unité arithmétique de commande sont rendus égaux aux potentiels de masse des éléments de commutation.