Brevet FR2799591A1 — publié le 20010413

Etat de la technique: L'invention concerne un dispositif de commande d'un commutateur pour commuter électroniquement un consomma- teur. Selon le document DE-A-195 48 612, on connaît un commutateur électronique pour brancher deux bornes de façon intermittente. Ce commutateur comporte au moins deux éléments de commutation à commande électrique branchés dans une ligne reliant les deux bornes. Au moins l'un des éléments de commu- tation à commande électrique est un transistor à effet de champ ou autre composant bidirectionnel avec un circuit de coupure de surcharge, externe ou intégré. Il est en outre déjà connu de commuter électroni- quement des consommateurs dans un réseau embarqué à 12 volts, par des relais ou autres composants dits " pratiques " (PROFET). Ces composants ne permettent qu'une plage de ten- sion ou d'intensité limitée. Pour des tensions de fonctionne- ment plus élevées on ne peut assurer la commutation électronique qu'avec des semi-conducteurs de puissance. Ces semi-conducteurs de puissance sont munis d'un étage pilote de porte qui charge rapidement la porte. L'étage pilote de porte peut être le commutateur de " côté haut ". De tels commutateurs de côté haut commutent des charges reliées par une borne à la masse, par exemple à la carrosserie du véhicule. Ces commutateurs, de préférence des transistors MOSFET de puissance à canal N, sont montés entre la borne de tension de fonctionnement et la charge. Pour se débloquer, ce transistor nécessite l'application d'une tension de porte supérieure à la tension d'alimentation qui est par exemple de + 12 V. Cette tension de porte peut être générée en utilisant une pompe de charge et un oscilla- teur. Pour la plage de 12 volts, on connaît également des pompes de charge fonctionnant selon le principe de Greinach. Ces pompes doublent ou triplent la tension par la mise en cascade de combinaisons de diodes et de condensa- teurs. Du fait de leur principe, de telles combinaisons ne permettent d'obtenir qu'une tension qui est un multiple en- tier de la tension d'entrée, diminuée de la tension de pas- sage des diodes. On connaît en outre des pompes de charge fonc- tionnant selon le principe d'amplification en boucle Boots- trap. Avantages de l'invention: La présente invention a pour but de développer un dispositif du type défini ci-dessus caractérisé en ce que: * le commutateur comprend un ou plusieurs transistors à ef- fet de champ branchés en série entre une source de tension d'alimentation et le consommateur, * un montage en demi-pont et une pompe de charge génèrent la tension de porte des transistors à effet de champ, * le montage en demi-pont comporte une borne d'entrée de si- gnal de cadence et la pompe de charge une première borne de tension d'alimentation pour une tension d'alimentation de 42 volts. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: * la première borne de tension d'alimentation est reliée, par l'intermédiaire d'une première diode, à une première borne d'un condensateur de charge; * la seconde borne du condensateur de charge est reliée à la sortie du montage en demipont; * la première borne du condensateur de charge est reliée, par une seconde diode, à une première borne d'un condensa- teur accumulateur; dans ce cas, la première borne du con- densateur accumulateur peut être reliée à la borne de porte du transistor à effet de champ, et la seconde borne du condensateur accumulateur peut être reliée à la pre- mière borne d'alimentation. On prévoit aussi selon l'invention que: * la borne d'entrée du signal de cadence est reliée à l'électrode de porte de deux transistors à effet de champ du montage en demi-pont; * l'un de ces transistors à effet de champ est l'interrupteur côté haut et l'autre transistor à effet de champ est l'interrupteur côté bas; * la sortie du montage en demi-pont est prévue entre les deux transistors à effet de champ. Dans ce cas, l'interrupteur côté haut est relié à une seconde borne de tension d'alimentation pour une seconde tension d'alimen- tation de 12 V, et cette seconde tension d'alimentation est appliquée à la sortie du montage en demi-pont lorsque l'interrupteur côté haut est conducteur. Selon d'autres caractéristiques avantageuses: * la borne d'entrée du signal de cadence est reliée à la borne de sortie d'un processeur, ou d'un oscillateur four- nissant un signal de cadence; dans ce cas, l'oscillateur fournissant un signal de cadence peut être un déclencheur de Schmitt, le cas échéant à porte NAND couplé en réac- tion, dont une entrée reçoit un signal d'activation; * la sortie du montage en demi-pont fournit un signal rec- tangulaire, triangulaire, trapézoïdal, en dents de scie ou sinusoïdal; * le signal de cadence a une fréquence de l'ordre de 100 kHz; * la borne de drain du transistor à effet de champ est re- liée à une troisième borne d'alimentation qui applique une tension d'alimentation de 42 volts au transistor à effet de champ. Par rapport aux solutions connues dans lesquelles on relève de 42 volts le potentiel d'un condensateur accumu- lateur chargé à 12 volts, le dispositif de commande selon l'invention permet une réduction du nombre de composants né- cessaires et une réduction des contraintes auxquelles sont exposés les composants. Les composants pour la réalisation du dispositif de commande selon l'invention sont des transistors de commutation prévus pour fonctionner sous 12 volts, des diodes pour fonctionner sous 54 volts et des condensateurs pour fonctionner sous 42 volts. Cela signifie par exemple, par comparaison avec les solutions connues, qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des transistors pour des tensions éle- vées, et ces transistors sont remplacés par un nombre plus réduit de transistors pour petits signaux, qui sont moins coûteux. De plus, il n'est pas nécessaire d'utiliser des valves semi-conductrices supplémentaires pour protéger le circuit. Dessins: La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans les- quels: * la figure 1 montre un exemple d'un dispositif de commande selon l'invention, et * la figure 2 montre un exemple de réalisation d'un circuit générant le signal de cadence pour la borne d'entrée de cadence du circuit de la figure 1. Description: La figure 1 montre un exemple de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention pour un commutateur servant à commuter de manière électronique un consommateur. Le consommateur V est alimenté par une tension d'alimentation de 42 V par le commutateur à partir du réseau embarqué d'un véhicule automobile; cette tension d'alimentation est four- nie à la borne K4. Le commutateur d'entrée se compose d'un ou plu- sieurs transistors à effet de champ T3 dont le chemin drain- source est branché entre la borne de branchement K4 et le consommateur V. Dans l'exemple de la figure 1, il est prévu un transistor à effet de champ. La borne de drain de ce tran- sistor à effet de champ est reliée à la borne de branchement K4; sa borne de source est reliée au consommateur V. Pour brancher, c'est-à-dire passer à l'état con- ducteur et conserver cet état du transistor à effet de champ T3, il faut appliquer une tension suffisamment importante à la borne de porte G. Celle-ci est générée par un dispositif de commande comportant un montage en demi-pont HB et une pompe de charge L. La commande du montage en demipont HB est faite par un signal d'horloge ou de cadence CK appliqué à la borne d'entrée El du montage en demi-pont. Le signal de cadence CK est de préférence un si- gnal rectangulaire d'une fréquence de l'ordre de 100 kHz. Le signal de cadence CK est utilisé pour la com- mande de deux transistors à effet de champ T1, T2 qui sont alternativement bloqués et débloqués. Une seconde borne d'alimentation K2 reçoit une tension de 12 volts; cette borne est reliée à l'électrode de source du transistor à effet de champ T1 constituant l'interrupteur du côté haut du demi-pont. La borne de source du transistor à effet de champ T2 constituant le commutateur du côté bas du demi-pont est reliée à la masse. Les bornes de drain des deux transistors à effet de champ Tl, T2 sont re- liées l'une à l'autre et forment la sortie P1 du montage en demi-pont. En débloquant alternativement les transistors à effet de champ T1, T2, on obtient un potentiel haché au point Pl du circuit. Lorsque le transistor T2 est conducteur, le point Pi du circuit est mis à la masse par le chemin drain-source du transistor T2. Cela permet de charger le condensateur de charge Cl de la pompe de charge L par l'intermédiaire de la diode D1 à la tension d'alimentation de 42 V appliquée à la borne de branchement K1. Lorsque le transistor T1 est conducteur, le point Pi du circuit est relié par le chemin drain-source du tran- sistor T2, à la borne d'entrée K2, et reçoit ainsi la seconde tension d'alimentation de 12 V. Ainsi la diode Dl se bloque et le condensateur de charge Cl transfère sa charge par la diode D2 alors conductrice, dans le condensateur de stockage C2. Au cours de la commutation suivante du transistor T2, le point P1 du circuit est de nouveau mis à la masse par l'intermédiaire du transistor T2. Le condensateur de charge Cl se charge de nouveau par la diode Dl à la tension de 42 V appliquée à la borne K1, la diode D2 étant bloquée. Si, ensuite, le transistor T2 est bloqué et le transistor T1 débloqué, on a de nouveau un transfert de la charge du condensateur Cl dans le condensateur accumulateur C2. Le condensateur accumulateur C2 est directement relié à la porte G du transistor à effet de champ T3. Ainsi grâce à l'opération de pompage décrite ci-dessus, on relève la tension ou le potentiel à la borne de porte du transistor T3 jusqu'à ce que celui-ci devienne conducteur et reste dans cet état. Lorsque le transistor T3 est conducteur, la ten- sion d'alimentation de 42 volts appliquée à la borne K4 à partir du réseau embarqué du véhicule, est transmise au con- sommateur V qui est relié à la borne de source S du transis- tor à effet de champ T3. Contrairement aux pompes de charge connues, le condensateur de charge Cl, lorsque le transistor T2 est con- ducteur, se charge à travers la diode Dl à une tension d'alimentation de 42 volts diminuée de la tension de passage de la diode Dl. Lorsqu'ensuite le transistor T2 est bloqué, cette tension est transmise au condensateur accumulateur C2. A l'aide de la pompe de charge, on relève ensuite le niveau de tension du condensateur accumulateur C2 de nouveau de 12 volts, de sorte que la tension U2 appliquée à la porte du transistor à effet de champ T3 représente, par rapport à la masse une tension: 42 V + 12 V = 54 V. Comme la borne de source du transistor T3 est à la tension d'alimentation de 42 V lorsque le transistor T3 est débloqué, la différence de potentiel entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor T3 est suffisam- ment grande pour maintenir le transistor T3 à l'état conduc- teur. Le signal de cadence CK appliqué à la borne d'entrée El peut être fourni par un processeur non représen- té. Il est également possible de générer ce signal de cadence en utilisant un déclencheur de Schmitt inversé, branché en réaction. Si l'on utilise un déclencheur de Schmitt NAND, à réaction pour générer le signal de cadence CK comme le montre la figure 2, il est possible de lancer le signal de cadence par l'entrée du signal d'activation et d'autorisation (Ena- ble). Dans le mode de réalisation de la figure 2 du généra- teur de signal de cadence, on applique le signal Enable à la première entrée d'une porte NAND. Celle-ci fournit à sa sor- tie le signal de cadence CK qui est renvoyé en réaction par une résistance Rt, à la seconde entrée de la porte NAND. La seconde entrée de la porte NAND est reliée à la masse par un condensateur Ct. Dans l'exemple de réalisation décrit en liaison avec la figure 1, il est avantageux, du fait des courants de charge et de décharge importants traversant les diodes Dl et D2, de prévoir des résistances de limitation de courant sur les diodes. En variante, il est possible, pour la tension Us générée à la sortie Pi du demi-pont, de prévoir un signal continu, par exemple un signal triangulaire, un signal trapé- zoidal, un signal en dents de scie ou un signal sinusoïdal. Cela nécessite l'utilisation d'un amplificateur opérationnel, mais offre l'avantage d'économiser les résistances de charge et de réduire la sollicitation des diodes Dl et D2. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Dispositif de commande d'un commutateur pour commuter électroniquement un consommateur, caractérisé en ce que * le commutateur comprend un ou plusieurs transistors à ef- fet de champ (T3) branchés en série entre une source de tension d'alimentation et le consommateur, * un montage en demi-pont (HB) et une pompe de charge (L) génèrent la tension de porte des transistors à effet de champ, * le montage en demi-pont (HB) comporte une borne d'entrée de signal de cadence (El) et la pompe de charge (L) une première borne de tension d'alimentation (Kl) pour une tension d'alimentation de 42 volts. 2 ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première borne de tension d'alimentation (Kl) est reliée, par l'intermédiaire d'une première diode (Dl), à une première borne (D2) d'un condensateur de charge (Cl). 3 ) Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde borne du condensateur de charge (Cl) est reliée à la sortie (Pl) du montage en demi-pont (HB). 4 ) Dispositif de commande selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la première borne (P2) du condensateur de charge (Cl) est re- liée, par une seconde diode (D2), à une première borne (P3) d'un condensateur accumulateur (C2). ) Dispositif de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première borne (P3) du condensateur accumulateur (C2) est reliée à la borne de porte (G) du transistor à effet de champ (T3). 6 ) Dispositif de commande selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la seconde borne du condensateur accumulateur (C2) est reliée à la première borne d'alimentation (K1). 7 ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que * la borne d'entrée (El) du signal de cadence est reliée à l'électrode de porte de deux transistors à effet de champ (T1, T2) du montage en demi-pont (HB), * l'un de ces transistors à effet de champ (T1) est l'interrupteur côté haut et l'autre transistor à effet de champ (T2) est l'interrupteur côté bas, * la sortie (Pi) du montage en demi-pont (HB) est prévue en- tre les deux transistors à effet de champ (Tl, T2). 8 ) Dispositif de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'interrupteur côté haut (T1) est relié à une seconde borne de tension d'alimentation (K2) pour une seconde tension d'alimentation de 12 V et cette seconde tension d'alimentation est appliquée à la sortie (Pi) du montage en demi-pont lorsque l'interrupteur côté haut (T1) est conduc- teur. 9 ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la borne d'entrée (El) du signal de cadence est reliée à la borne de sortie d'un processeur. ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la borne d'entrée (El) du signal de cadence est reliée à la borne de sortie d'un oscillateur fournissant un signal de ca- dence. 11 ) Dispositif de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'oscillateur fournissant un signal de cadence est un déclen- cheur de Schmitt. 12 ) Dispositif de commande selon la revendication 11, carac- térisé en ce que l'oscillateur fournissant un signal de cadence est un déclen- cheur de Schmitt à porte NAND couplé en réaction, dont une entrée reçoit un signal d'activation. 13 ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie (Pl) du montage en demi-pont (HB) fournit un signal rectangulaire, triangulaire, trapézoïdal, en dents de scie ou sinusoidal. 14 ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de cadence (CK) a une fréquence de l'ordre de kHz. ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la borne de drain (D) du transistor à effet de champ (T3) est reliée à une troisième borne d'alimentation (K4) qui applique une tension d'alimentation de 42 volts au transistor à effet de champ.