Brevet FR2851855A1 — publié le 20040903

Domaine de l'invention La présente invention concerne un étage de puissance avec protection de court-circuit comprenant un transistor de puissance ayant une sortie de signal de commande pour fournir un signal dépendant de la température de fonctionnement. La commande notamment de moteurs à courant continu avec un étage de puissance nécessite en général une protection de courtcircuit. Etat de la technique Une solution simple pour avoir une certaine protection consiste à intégrer l'étage de puissance et ainsi l'appareil de commande du moteur à courant continu dans un boîtier résistant du point de vue thermique. Cela a permis jusqu'alors d'éviter dans une très large mesure qu'un court-circuit à l'étage de sortie (ou étage de puissance) se traduise 15 par une oxydation thermique et l'endommagement d'autres composants qui se trouvent à proximité de l'appareil de commande. Après un courtcircuit provoquant une oxydation thermique, il faut remplacer l'appareil de commande. Si l'appareil de commande est installé dans un véhicule automobile, un tel dommage aboutit fréquemment à l'arrêt du véhicule ou 20 du moins à une détérioration du confort de roulement. La figure 1 montre des exemples de différents courtscircuits possibles dans un tel appareil de commande. Une batterie B et un condensateur de stockage ou condensateur tampon C montés en parallèle sur la batterie B alimentent en tension un pont de type H. Le pont H est 25 d'une part relié au potentiel positif de fonctionnement UB et d'autre part au potentiel de masse GND. Le courant H lui-même se compose de quatre transistors Tl, T2 et T3, T4; chaque fois deux transistors Tl, T2, T3, T4 sont branchés en série. La résistance F forme une résistance shunt. La première sortie du pont H est formée par les deux transistors Tl, T2; sa 30 seconde sortie est formée par les deux transistors T3, T4. Comme le montre la figure 1, un moteur M est par exemple relié aux deux sorties de pont H. Dans le cas de courts-circuits portant la référence A à la figure 1, le transistor T3 est conducteur en permanence. Il en résulte que si 35 les deux transistors Tl, T4 deviennent conducteurs pour commander le moteur, la batterie B sera court-circuitée par l'intermédiaire des deux transistors T3, T4 et ainsi un courant de court-circuit IKA traverse le transistor T4. La référence B à la figure 1 désigne un second cas de courtcircuit dans lequel le moteur M lui-même est en court-circuit. Lorsque les deux transistors TI, T4 deviennent conducteurs, ils sont traversés par un courant de court-circuit IKB. La référence C désigne le troisième cas de court-circuit de la figure 1. Le transistor T4 est alors conducteur en permanence si bien qu'un courant de court-circuit IKC traverse le premier transistor Tl. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un étage de puissance à 10 protection de court-circuit du type défini ci- dessus, caractérisé en ce qu'une unité de saisie et de commande est réalisée et fonctionne pour détecter un court-circuit, en cas de court- circuit, la température de fonctionnement du transistor de puissance augmente, et une commande d'étage de puissance prévue pour commander le transistor de puissance 15 est reliée en entrée à la sortie du signal de commande alors que sa sortie est reliée à l'entrée de commande du transistor de puissance, et cette commande de puissance est réalisée et fonctionne de façon qu'en dépassant une température de fonctionnement déterminée du transistor de puissance celui-ci est coupé. L'étage de puissance selon l'invention permet de détecter suffisamment à temps un état de court-circuit et de couper dans le sens de l'étage de puissance ou des parties de celui-ci, suffisamment à temps pour éviter le risque de destruction de cet étage de puissance ou de l'appareil de commande. L'étage de puissance selon l'invention avec une protection de courtcircuit comporte comme indiqué ci-dessus un transistor de puissance avec une sortie de signal de commande fournissant un signal dépendant de la température de fonctionnement. Il est également prévu une unité de saisie et de commande réalisée et fonctionnant pour détecter un 30 court-circuit et qui dans ce cas augmente la température de fonctionnement du transistor de puissance. Il est également prévu une commande d'étage de puissance pour le transistor de puissance. L'entrée de cette commande est reliée à la sortie du signal de commande et ainsi à l'entrée de commande du transistor de puissance. La réalisation et le fonctionne35 ment sont tels qu'en cas de dépassement d'une certaine température de fonctionnement, le transistor de puissance se coupe. De façon avantageuse, dans la solution de l'invention, la détection et la coupure de l'ensemble de l'étage de puissance ou des par- ties de celui-ci se font sans nécessiter pour cela de programme particulier ni de micro-contrôleur. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'unité de saisie et de commande de l'étage de puissance est réalisée et fonctionne de façon 5 qu'en cas de court-circuit, l'entrée de commande du transistor de puissance reçoit une tension définie inférieure à la tension générée par la commande de l'étage de puissance. Ainsi de façon simple, la chute de tension entre la borne de drain et la borne de source du transistor de puissance augmente parce que la résistance de branchement du transistor de 10 puissance augmente. La puissance ainsi perdue chauffe le transistor de puissance ce qui se détecte à la sortie du signal de commande du transistor de puissance. Selon un second mode de réalisation de l'étage de puissance de l'invention, l'unité de saisie et de commande comporte une résistance 15 en série avec la première diode, cette résistance étant branchée entre l'entrée de commande et la sortie de commande du transistor de puissance. L'unité de saisie et de commande comportent en outre un transistor branché en série avec une seconde diode et celle-ci est reliée à l'entrée de commande du transistor de puissance, cette entrée de commande du 20 transistor étant reliée à un condensateur et à la première diode. Ainsi avec un nombre de composants supplémentaires, réduit, on peut détecter de manière simple un court-circuit et réagir immédiatement en diminuant la tension de commande appliquée à l'entrée de commande du transistor de puissance. De façon avantageuse, dans l'étage de puissance selon l'invention, la seconde diode est une diode Z ou diode Zener ou diode à effet d'avalanche. Cette diode Z permet de régler la tension qui doit être appliquée à l'entrée de commande du transistor de puissance lorsque l'unité de saisie et de commande détecter un court-circuit. Il est en outre avantageux que dans l'étage de puissance selon l'invention, équipé d'une protection de court-circuit, le transistor soit un transistor à effet de champ MOS (transistor à effet de champs métal oxyde semi-conducteur). De plus, l'étage de puissance selon l'invention avec une 35 protection de court-circuit peut également comporter un second transistor de puissance et une seconde unité de saisie et de commande reliée à celuici. Le second transistor de puissance est également commandé par la commande de l'étage de puissance. Cela permet de réaliser un montage en pont simple, par exemple pour la commande d'un moteur à courant continu, montage dans lequel à la fois le premier et le second transistor de puissance sont protégés contre les courts-circuits. L'étage de puissance selon l'invention avec une protection 5 de courtcircuit peut comporter selon une autre caractéristique de l'invention, un troisième et un quatrième transistor de puissance relié à une troisième et une quatrième unité de saisie et de commande. Le troisième et le quatrième transistor de puissance sont également commandés par la commande de l'étage de puissance. On réalise ainsi un montage en 10 pont dans lequel tous les transistors de puissance sont protégés contre les courts-circuits. De façon avantageuse, les quatre transistors de puissance de l'étage de puissance forment un pont H. Selon un développement de l'étage de puissance selon 15 l'invention, les transistors de puissance sont des transistors rapides protégés en température, connus sous le nom "TEMPFET". Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étage de puissance peut encore être perfectionnée par un micro contrôleur dont l'entrée est reliée aux sorties de commandes des transistors de puissance. 20 Le micro contrôleur peut agir sur la commande des étages de puissance en fonction des signaux de commande qui lui sont fournis par les transistors de puissance. Enfin l'étage de puissance selon l'invention avec une protection de courtcircuit peut être appliqué à la commande d'un moteur 25 notamment d'un moteur à courant continu. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre la construction de principe d'un pont H et des cas possibles de courts-circuits; - la figure 2 montre un mode de réalisation de l'étage de puissance selon l'invention avec une protection de court-circuit.. Modes de réalisation de l'invention Le pont de type H (ou de manière abrégée le pont H) tel que présenté à la figure 1 ne sera pas décrit ici de manière plus détaillée puisqu'il fait l'objet d'une description dans le préambule. La figure 2 montre la construction de principe d'un étage de puissance avec une protection de court-circuit. L'étage de puissance ou étage de sortie est relié par les deux bornes 1, 2 à la tension UB de la batterie et au potentiel de masse GMD. Un pilote de pont BT avec un cir5 cuit d'amorçage commande deux transistors de puissance TH, TL. Le premier transistor de puissance TH est relié par son entrée de commande G à la sortie de commande GH du pilote de ponte BT par une résistance intermédiaire RGH. L'entrée de commande G du second transistor de puissance TL est relié par une résistance intermédiaire RGL à la sortie de 10 commande GL du pilote de pont BT. La sortie de source S du premier transistor de puissance TH et la sortie de drain D du second transistor de puissance TL forment en commun la sortie ou la borne de sortie pour le branchement du consommateur à commander, par un moteur électrique M. Dans des conditions de fonctionnement normales, c'est-àdire en l'absence de court-circuit, le pilote de pont BT commutent le premier transistor de puissance TH ou le second transistor de puissance TL c'est-à-dire qu'il débloque le transistor respectif pour relier le moteur M à la tension de batterie UB et au potentiel de masse GND. La commande des 20 deux transistors de puissance TH, TL se fait par une tension de commande reliée aux sorties GH ou GL du pilote de pont BT. Cette tension est par exemple de O volt ou de 10 volts. Au cas o le premier transistor de puissance TH doit être conducteur, la sortie GH du pilote de pont BT fournit une tension d'une amplitude de 10 volts. La résistance intermédiaire RGH encore appelée résistance de porte a une valeur par exemple comprise entre 5 et 10 Ohms. La résistance de porte RGH règle la pente de la tension à la porte ou entrée de commande G du premier transistor de puissance TH. De plus, la résistance de porte RGH permet de respecter les prescriptions concernant la 30 compatibilité électromagnétique EMV. Les mêmes remarques s'appliquent à la résistance de porte RGL branchées entre la sortie de commande GL et la borne de porte G du second transistor de puissance TL. Dans les conditions de fonctionnement normales, lorsque le premier transistor de puissance TH est conducteur on aura entre sa borne 35 de drain et sa borne de source une tension UDSH de l'ordre de quelques millivolts. La résistance RSH, la diode DSH, la diode Z, DKH, le transistor TKH et le condensateur CKH forment une unité de saisie et de commande permettant de détecter un court-circuit concernant le premier transistor de puissance TH. Le courant de court-circuit traversant le premier transistor de puissance TH est appelé IKH. A l'aide de la résistance RSL, de la diode DSL, de la diode Z, DKL, du transistor TKL et du conden5 sateur CKL, on réalise une seconde unité de saisie et de commande. Cette unité permet de détecter un court-circuit concernant le second transistor de puissance TL. Le courant de court-circuit traversant le second transistor de puissance TL porte la référence IKL. Dans la suite, à l'aide de l'exemple du second transistor de 10 puissance TL, on décrira le fonctionnement de l'étage de puissance selon l'invention avec protection de court-circuit dans le cas d'un court- circuit brutal. Contrairement à un court-circuit habituel, un court-circuit brutal ne correspond pas à un état de surcharge bref ou d'un état de 15 charge non acceptable, d'une certaine durée mais effectivement d'un court-circuit. En cas de court-circuit brutal, la tension UDSL c'est-à-dire la tension de drain - source appliquée au second transistor de puissance TL atteint rapidement un niveau supérieur à l volt car le courant traversant le second transistor de puissance TL à savoir le courant de court20 circuit IKL a augmenté. La tension drain - source UDSL est donnée par l'équation suivante: UDSL = RDSon x IKL Dans cette relation RDSon représente la résistance de branchement du transistor de puissance TL. Une tension s'appliquant au condensateur CKL assure le déblocage du transistor TKL, c'est-à-dire son passage à l'état conducteur et la diode Zener DKL maintient la borne de porte G du second transistor 30 de puissance TL à une tension de porte définie qui initialement peut être de 10 V et qui alors sera de 3 V. L'amplitude de la tension de porte dépend du dimensionnement de la diode Zener DKL. Le courant traversant le second transistor de puissance TL diminuera ainsi très rapidement par exemple en 10 micro secondes jusqu'à un nouveau courant de drain IDL, 35 inférieur au courant de court-circuit IKL. Du fait de la résistance de passage RDSon, élevée, la tension drain - source UDSL continue d'augmenter et la puissance perdue dans le second transistor de puissance TL selon la formule: PV = UDSL x IDL chauffe le second transistor de puissance TL. Dès que le se5 cond transistor de puissance TL atteint une température de jonction de l'ordre de 150'C - 170'C, le thyristor de ce transistor de puissance TL se débloque. Il en résulte que la sortie de commande A du transistor de puissance TL change le niveau du signal de commande généré par le transistor de puissance TL et communique ce niveau par l'intermédiaire de l'entrée 10 d'autorisation ENL du pilote de pont BT. Le pilote de pont BT applique à sa sortie GL la tension de porte de 0 V. Cet état reste conservé jusqu'à l'extinction du thyristor. Par une liaison supplémentaire de la sortie de commande A qui peut être en même temps la sortie du thyristor par un micro contrô15 leur rtC, on peut informer le système pour lui indiquer un état de défaut. De plus le thyristor peut ainsi remettre à l'état initial le signal de masse. Selon l'application et les conditions techniques, la diode DSL peut être une diode Schottky ou une diode au silicium. Par le dimensionnement du condensateur CKL, on règle le temps de réponse de l'unité 20 de saisie et de commande. Selon un mode de réalisation possible, la valeur de la résistance RSL est de l'ordre de 10 - 30 kQ Cela s'applique dans les mêmes conditions à la diode DSH, au condensateur CKH et à la résistance RSH. Le fonctionnement du circuit sera décrit ci-après dans le 25 cas d'un court-circuit normal. Lorsque se produit un court-circuit normal c'est-à-dire pour un état de charge, non acceptable, qui se prolonge, la tension drain source UDSL reste à environ 1 V. La tension de porte à l'entrée de commande G du transistor de puissance TL sera éventuellement légèrement 30 restreinte. Il en résulte que du fait de l'augmentation de la puissance perdue PV la température augmente dans le transistor de puissance TL. Lorsque la température de la jonction atteint la valeur critique de l'ordre de 150'C - 170'C, le second transistor de puissance TL sera coupé par le pilote de pont BT; la sortie GL du pilote de pont BT sera ainsi mis à la 35 tension 0 V. Le pilote de pont reçoit l'ordre de coupure du transistor de puissance TL en ce que le signal de commande à la sortie de commande A du transistor de puissance TL change de niveau. En déterminant la résistance de court-circuit maximale aux bornes pour laquelle un court-circuit reste reconnu, l'évolution de la résistance de branchement RDSon en fonction de la température dépasse les résistances de passage et les résistances de transfert. La description du fonctionnement pour un court-circuit brutal ou sévère et pour le mode de fonctionnement avec un court-circuit normal s'applique de façon analogue à la première unité de saisie et de commande et au premier transistor de puissance TH. Le circuit de la figure 2 peut s'étendre sans difficulté à un 10 pont H comme celui de la figure 1. Il est alors avantageux de prévoir une unité de saisie et de commande propre à chaque transistor de puissance. Pour stabiliser le signal de commande à la sortie de commande A des transistors de puissance on peut prévoir des résistances de remontée RPL et RPH reliées à une tension définie VCC. Les sorties de commande A des transistors de puissance peuvent tout d'abord être regroupées pour transmettre un signal de commande commun au pilote de pont. Comme pilote de pont BT, on utilise des composants du commerce. Pour l'étage de puissance selon l'invention on utilise comme 20 pilote de pont, par exemple le composant L9903 ou L9904 de ST micro electronics. Comme transistor de puissance on utilise avantageusement des transistors rapides protégés en température, connus sous le nom "TEMPFET". L'étage de puissance selon l'invention permet ainsi de détecter en toute sécurité et de façon simple un court-circuit et de couper rapidement l'étage de puissance soit globalement soit des parties de celuici. Un état de surcharge bref qui se produit par exemple lors du démarrage d'un moteur n'aboutit pas à une situation de court-circuit. De même, 30 des états de charge qui se prolongent au niveau du courant maximum du moteur encore appelés court-circuit normal ou court-circuit simple sont traités de la même manière et les transistors de puissance sont coupés avant que les différents transistors ou le moteur ne soient surchargés du point de vue thermique. REVENDICATIONS 10) Etage de puissance avec protection de court-circuit comprenant un transistor de puissance (TL) ayant une sortie de signal de commande (A) pour fournir un signal dépendant de la température de fonctionnement, caractérisé en ce qu' une unité de saisie et de commande (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) est réalisée et fonctionne pour détecter un court-circuit, en cas de court-circuit, la température de fonctionnement du transistor de puissance (TL) augmente, et une commande d'étage de puissance (BT) prévue pour commander le transistor de puissance (TH) est reliée en entrée à la sortie du signal de commande (A) alors que sa sortie est reliée à l'entrée de commande (G) du transistor de puissance (TL), et cette commande de puissance est réalisée et fonctionne de façon qu'en dépassant une température de fonctionnelS ment déterminée du transistor de puissance (TL) celui-ci est coupé. 20) Etage de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de saisie et de commande (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) est réalisée et 20 fonctionne de façon qu'en cas de court-circuit, on génère une tension définie à l'entrée de commande (G) du transistor de puissance (TL) , cette tension étant inférieure à la tension générée par la commande (BT) de l'étage de puissance. 30) Etage de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de saisie et de commande (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) comporte une résistance (RSL) branchée en série sur la première diode (DSL), cette résistance étant branchée entre l'entrée de commande (G) et la sortie de 30 commande (D) du transistor de puissance (TL), et l'unité de saisie et de commande (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL), comporte un transistor (TKL) branché en série avec une seconde diode (DKL), cette seconde diode (DKL) étant reliée à l'entrée de commande (G) du transistor de puissance (TL) alors que l'entrée de commande du transistor (TKL) est re35 liée à un condensateur (CKL) et à la première diode (DSL). 40) Etage de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde diode (DKL) est une diode Zener. 50) Etage de puissance selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le transistor (TKL) est un transistor MOSFET. 60) Etage de puissance selon la revendication 1, caractérisé par un second transistor de puissance (TH) et une seconde unité de saisie et 10 de commande (RSH, DSH, TKH, DKH, CKH), reliée à celui-ci, le second transistor de puissance (TH) étant également commandé par la commande (BT) de l'étage de puissance. 7 ) Etage de puissance selon la revendication 6, 15 caractérisé par un troisième et quatrième transistor de puissance relié à une troisième et une quatrième unité de saisie et de commande, le troisième et le quatrième transistor de puissance étant également commandés par la commande (BT) de l'étage de puissance. 20 8 ) Etage de puissance selon la revendication 7, caractérisé en ce que les quatre transistors de puissance forment un pont en H. 90) Etage de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les transistors de puissance (TL, TH) sont des transistors protégés en température, connus sous le nom "TEMPFET". 10 ) Etage de puissance selon la revendication 1, caractérisé par un microcontrôleur (PC) dont l'entrée est reliée aux sorties de commande (A) des transistors de puissance (TL, TH). 110) Application de l'étage de puissance selon l'une des revendications 1 à à la commande d'un moteur (M).