Brevet FR2889775A1 — publié le 20070216

PROCEDE ET MONTAGE DE LIMITATION DE LA DISSIPATION D'UN COMMUTATEUR DE PUISSANCE A SEMI-CONDUCTEUR Domaine technique L'invention se rapporte à un procédé et à un montage de limitation de la dissipation d'un commutateur de puissance à semiconducteur, qui a une entrée de commande et qui est commandé par un dispositif de commande. Etat de la technique Pour protéger un commutateur de puissance à semiconducteur de la surcharge et du court-circuit, on connaît des limiteurs de courant de court-circuit. Il y a des montages qui, à l'état sous tension, mesurent la chute de tension se produisant aux deux bornes de charge du commutateur de puissance à semi-conducteur et la comparent à une tension de référence. Suivant le circuit de charge, cette chute de tension peut atteindre, lors de la mise en circuit, le potentiel de la tension d'alimentation, de sorte qu'il faut insérer un élément à retard pour empêcher des réactions erronées. Mais ce qui pose problème est de trouver un temps de retard le meilleur possible pour l'élément à retard puisqu'une protection efficace dépend aussi du câblage dans le circuit de charge. Un élément à retard qui n'a pas la bonne dimension peut provoquer une perte calorifique inadmissiblement grande dans le commutateur de puissance à semi-conducteur et l'endommager ou même le détruire. Ce danger existe notamment dans un commutateur de puissance à semi- conducteur qui est utilisé dans un véhicule automobile et qui est relié à une batterie de forte puissance. On connaît aussi ce que l'on appelle des commutateurs de puissance à semiconducteur intelligents, désignés aussi par "Smart-Switches", qui comportent, outre l'interrupteur de puissance proprement dit, des fonctions de protection intelligentes qui sont intégrées monolithiquement au commutateur de puissance à semi-conducteur. On peut réaliser une fonction de protection de ce genre, par exemple, de façon à détecter un excès de température et à indiquer cet état défectueux à une sortie du commutateur de puissance à semi-conducteur intelligent. L'inconvénient est qu'en raison de l'inertie thermique dans le substrat, l'excès de température est indiqué trop tard ou le dispositif de commande qui contrôle cette sortie réagit trop lentement à cette indication. Enoncé de l'invention L'invention vise à assurer que la dissipation se produisant lors du fonctionnement d'un commutateur de puissance à semiconducteur ne dépasse jamais une dissipation maximum autorisée en fonctionnement permanent, spécifiée par le fabricant du composant. L'invention a donc pour objet un procédé de limitation de la dissipation d'un commutateur de puissance à semi-conducteur qui a une entrée de commande, caractérisé en ce qu'il comprend les stades suivants. - on produit un signal analogique de dissipation qui est une reproduction de la dissipation instantanée lors du fonctionnement du commutateur de puissance à semi-conducteur et qui a une valeur de signal par un circuit analogique de mesure, - on compare la valeur du signal de la dissipation instantanée à une valeur d'un signal de référence dans un circuit analogique de comparaison, - on produit un signal de mise hors circuit dès que la valeur du signal de dissipation est plus grande que la valeur du signal de référence, - on met le commutateur de puissance à semiconducteur hors circuit par le signal de mise hors circuit. Il est prévu, suivant l'invention, un circuit analogique de mesure par lequel il est produit un signal analogique de dissipation qui est une reproduction de la dissipation instantanée se produisant lors du fonctionnement du commutateur de puissance à semi-conducteur. Ce signal de dissipation est comparé à un signal de référence dans un circuit de comparaison. Le signal de référence correspond, de préférence, à une dissipation maximum admissible pour un fonctionnement pulsé et à une certaine température, dissipation qui est spécifiée habituellement par des données techniques du fabricant du commutateur de puissance à semiconducteur. Dans le cas où la valeur du signal de dissipation est plus grande que la valeur du signal de référence, il est produit, par le circuit de comparaison, un signal de mise hors circuit qui est envoyé à la borne de commande du commutateur de puissance et qui en provoque la mise hors circuit. Tant le dispositif de mesure qu'également le circuit de comparaison sont réalisés en technique de circuit analogique. On procure ainsi l'avantage de pouvoir réagir très rapidement à un état de surcharge et de pouvoir autoriser, en fonctionnement pulsé, une dissipation maximum admissible plus grande qu'en fonctionnement permanent. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le circuit de mesure a un circuit analogique multiplicateur qui produit le signal de dissipation par multiplication d'un premier signal qui correspond à la tension différentielle aux bornes de puissance du commutateur de puissance à semi-conducteur par un deuxième signal qui correspond au courant de charge passant par les bornes de puissance. Le circuit de mesure est constitué d'un circuit analogique multiplicateur qui forme le signal de dissipation par une multiplication de deux signaux qui correspondent respectivement à la différence de potentiel appliquée aux bornes de puissance ou au courant de charge passant sur les bornes de puissance. Il est avantageux de pouvoir utiliser des modules multiplicateurs analogiques de construction habituelle peu coûteux. Il est très sain, du point de vue de la technique des circuits, de pouvoir détecter le courant de charge par une résistance de mesure qui est montée dans le circuit de charge. Suivant un mode de réalisation, on forme le deuxième signal par une chute de tension que le courant de charge provoque sur une résistance de mesure. Pour le circuit de comparaison, on peut utiliser des circuits analogiques de comparateurs du commerce qui sont peu coûteux. Le montage du comparateur peut s'effectuer à la manière habituelle qui n'a pas besoin d'être explicitée d'une façon plus précise ici. De préférence, on forme le circuit de comparateur par un circuit analogique de comparateur qui a une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse et a envoyé le signal analogique de dissipation à l'entrée inverseuse et le signal de référence à l'entrée non inverseuse. De préférence, on choisit, comme signal de référence, une dissipation pulsée maximum admissible à une température prescrite du commutateur de puissance à semi-conducteur. L'invention a aussi pour objet un montage de limitation de la dissipation d'un commutateur de puissance à semi-conducteur qui a une entrée de commande et qui comprend: un circuit de mesure qui produit un signal analogique de dissipation dont la valeur du signal correspond, lors du fonctionnement, à la dissipation instantanée dans le commutateur de puissance à semi-conducteur, - un circuit de comparaison, qui a une sortie qui est reliée à l'entrée de commande, qui effectue une comparaison de la valeur du signal de la dissipation instantanée avec une valeur d'un signal de référence et qui produit un signal de mise hors circuit dès que la 15 valeur du signal de dissipation est plus grande que la valeur du signal de référence. De préférence: - le circuit de mesure comprend un circuit analogique multiplicateur qui produit le signal de dissipation par multiplication d'un premier signal qui correspond à la tension différentielle aux bornes de puissance du commutateur de puissance à semi-conducteur par un deuxième signal qui correspond au courant de charge passant par les bornes de puissance. - le courant de charge du commutateur de puissance à semi-conducteur est envoyé dans une résistance de mesure et le deuxième signal correspond à la chute de tension sur cette résistance de mesure se produisant lors du fonctionnement du commutateur de puissance à semi-conducteur. - le signal de référence est une dissipation par impulsion maximum admissible du commutateur de puissance à semi-conducteur à une température prescrite. 20 Description succincte des dessins Pour expliquer davantage l'invention, on se reportera, dans la partie qui suit la description, aux dessins qui représentent d'autres modes de réalisation avantageux des détails et des perfectionnements de l'invention. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples: la Figure 1 représente schématiquement, au moyen d'un schéma fonctionnel, un exemple de réalisation de l'invention; la Figure 2 est un graphique qui représente schématiquement la limitation de la dissipation en fonction du temps; la Figure 3 est un graphique qui représente une famille de courbes de limitation de valeurs maximum admissibles de la tension de drainsource et du courant de drain d'un transistor à effet de champ MOS; le paramètre de cette famille de courbes de limitation est la durée d'impulsion. Mode de réalisation de l'invention La Figure 1 représente un exemple de réalisation de l'invention schématiquement au moyen d'un schéma fonctionnel. Un commutateur 1 de puissance à semi-conducteur est constitué sous la forme d'un transistor à effet de champ MOS à canal N. Le transistor 1 à effet de champ MOS est monté par ses bornes 19 et 18 de charge dans un circuit 4 de charge. Une charge est désignée par le signe de référence 5 dans le circuit 4 de charge. On indique, par les signes de référence 21 et 22, la liaison du circuit 4 de charge aux bornes d'une tension d'alimentation. Le commutateur 1 de puissance à semi-conducteur a une entrée 20 de commande, dans le cas présent une borne de grille, qui est reliée à une unité 2 de commande par une ligne 1l de commande. Le commutateur 1 de puissance à semi-conducteur est mis hors circuit et mis en circuit en fonction du cas d'utilisation par la ligne Il de commande, par des signaux de commande, c'est-à-dire par une tension de commande qui est préparée dans un circuit 12 d'attaque. Un contrôle 13 d'un excès de température prévu dans cet exemple de réalisation détecte la chaleur perdue se produisant lors du fonctionnement du commutateur 1 de puissance à semi-conducteur et envoie cette information à l'unité 2 de commande. Le contrôle 13 d'excès de température correspond aux "Smart-Switches" indiqués au début du présent mémoire et n'est pas d'une grande importance en soi pour l'invention; les circuits 3 et 23 de la Figure 1 sont en revanche essentiels à l'invention. Par le signe de référence 3, on caractérise un circuit de mesure entouré d'un trait mixte qui procure à une sortie 24 un signal 8 analogique de dissipation. Ce signal 8 de dissipation est envoyé à un circuit 23 de comparaison qui est entouré également par une ligne en traits mixtes à la Figure 1. Les valeurs instantanées du signal 8 de dissipation correspondent à la dissipation se produisant instantanément lors du fonctionnement du commutateur 1 de puissance à semi-conducteur, c'est-à-dire la chaleur perdue par effet Joule dans le commutateur 1 de puissance à semiconducteur. Le circuit 3 de mesure produit le signal 8 de dissipation dans un multiplicateur 6 analogique auquel sont envoyés un premier signal 17 et un deuxième signal 16. Le premier signal 17 est la tension de drainsource du transistor à effet de champ MOS. Elle est détectée par un circuit 15 analogique de mesure de tension. Le deuxième signal 16 est proportionnel au courant de charge dans le circuit 4 de charge et est détecté par un circuit 4 de mesure du courant sur une résistance Rshunt de mesure. Le circuit 23 de comparaison est constitué essentiellement d'un comparateur 7 auquel est envoyé, à une entrée inverseuse, le signal 8 analogique de dissipation produit dans le dispositif 7 de mesure. Une tension 9 de référence est envoyée à une entrée non inverseuse du comparateur 7. La tension 9 de référence correspond à une dissipation maximum par impulsion spécifiée par le fabricant du commutateur 1 de puissance à semi-conducteur. Le comparateur 7 compare les tensions appliquées aux entrées. Si la tension 8 de dissipation détectée instantanément dépasse la tension 9 de référence, il est produit à la sortie 25 du circuit 23 de comparaison un signal 10 de sortie qui est ramené par la diode D et par la ligne 11 de commande à l'entrée 20 de commande du commutateur 1 Cela signifie que, dans le présent exemple de montage, le potentiel à la borne 20 de commande du transistor 1 à effet de champ MOS est tiré vers une valeur plus basse (tension différentielle de la diode D plus tension de saturation de l'amplificateur 7 opérationnel). Il s'ensuit que le transistor 1 à effet de champ MOS est mis à l'état bloqué. Le courant de charge est donc interrompu dans le circuit 4 de charge. La chute de tension à la résistance Rshunt de mesure s'abaisse à zéro. Il s'ensuit que le signal 10 de mise hors circuit disparaît. Lorsque l'état de surcharge se poursuit, ce processus de régulation se poursuit aussi et provoque ainsi la limitation de la dissipation. Le dispositif 2 de commande peut, le cas échéant, à un instant ultérieur, provoquer par exemple, par le signal d'excès de température (ou le signal de mise hors circuit qui lui est également envoyé, Figure 1) la mise hors circuit du commutateur 1 de puissance à semi-conducteur, la régulation 3, 23 analogique étant ainsi bien entendu coupée. Par le montage suivant l'invention, il est possible de limiter bien plus rapidement la dissipation dans le commutateur 1 de puissance à semiconducteur que cela n'était possible par le contrôle 13 de l'excès de température. Par le mode de réalisation du montage, le contrôle de la dissipation est indépendant de la vitesse de réaction du circuit 2 de commande. On peut avoir des temps de mise hors circuit inférieurs à une microseconde, tout en ayant un coût du circuit relativement bas. En raison de ce temps de réaction relativement très court, on peut utiliser comme valeur de référence une valeur limite de dissipation du semi- conducteur de puissance qui est autorisée en fonctionnement par impulsion. La dissipation autorisée en fonctionnement par impulsion est toujours plus grande que la dissipation permanente maximum autorisée (courbe limite DC à la Figure 3). Cela est avantageux notamment lors d'une utilisation dans la technique des véhicules automobiles, parce que l'on doit couper aussi rapidement que possible des courants de courts-circuits de plusieurs centaines d'ampères. Par l'invention, on peut limiter aussi, même si la température ambiante est relativement haute, la dissipation se produisant lors du fonctionnement du commutateur de puissance à semi- conducteur à des valeurs sans danger. Grâce à l'invention, il est possible de s'opposer à un endommagement dans lequel un commutateur de puissance â semi-conducteur, certes, est mis hors circuit sans qu'on s'en aperçoive dans un cas de surcharge, mais souffre de dommages, de sorte qu'il ne tombera complètement en panne qu'à un instant ultérieur. La Figure 2 représente schématiquement la variation dans le temps de la limitation de la dissipation du commutateur de puissance. Il se produit à l'instant Ti une surcharge, par exemple un court- circuit. La limitation de la dissipation, suivant l'invention, s'établit à l'instant T2. La valeur limite est à cet égard la valeur maximum admissible de la dissipation en fonctionnement par impulsion prescrite par le fabricant du commutateur 1 de puissance à semi- conducteur pour une certaine température (Figure 3). 15 Après un retard Tv, il se produit à l'instant T3 une mise hors circuit de la surcharge par le dispositif 2 de commande qui est fermé à l'instant T4. La Figure 3 est un schéma du domaine de fonctionnement admissible d'un transistor à effet de champ MOS à titre d'exemple. On a porté en abscisse la tension de drain-source (VDS) et en ordonnée le courant de drain (ID). Par le signe de référence 26, on caractérise la dissipation maximum admissible en fonctionnement permanent pour une température ambiante de 25 degrés Celsius. Les tracés de courbes représentés en tirets indiquent des valeurs admissibles de courant de drain ou de tension de drain-source en fonctionnement par impulsion; le paramètre de ces tracés de courbes indiqués en tirets est la durée d'impulsion tp (tp = 10 microsecondes à t = millisecondes à la Figure 3). Par le signe de référence 27, on désigne une courbe de limitation de la dissipation pour une durée d'impulsion de 1 milliseconde, à titre d'exemple. Enumération des signes de référence utilisés 1 Commutateur de puissance à semi-conducteur 2 Unité de commande 3 Circuit de mesure 4 Circuit de charge Charge 6 Circuit multiplicateur 7 Dispositif de réglage à deux points 8 Signal de dissipation 9 Signal de référence Signal de mise hors circuit 11 Ligne de commande 12 Etage d'attaque de puissance 13 Contrôle de l'excès de température 14 Circuit de mesure du courant Circuit de mesure de la tension 16 Deuxième signal 17 Premier signal 18 Borne de puissance 19 Borne de puissance Entrée de commande 21 Borne de tension d'alimentation 22 Borne de tension d'alimentation 23 Circuit de comparaison 24 Sortie du circuit de mesure Sortie du circuit de comparaison 26 Courbe limite, domaine de fonctionnement sûr à 25 degrés Celsius 27 Courbe limite pour une durée d'impulsion tp = 1 milliseconde REVENDICATIONS 1. Procédé de limitation de la dissipation d'un commutateur (1) de puissance à semi-conducteur qui a une entrée (20) de commande, caractérisé en ce qu'il comprend les stades suivants: - on produit un signal (8) analogique de dissipation qui est une reproduction de la dissipation instantanée lors du fonctionnement du commutateur (1) de puissance à semi-conducteur et qui a une valeur de signal par un circuit analogique de mesure, - on compare la valeur du signal de la dissipation instantanée à une valeur d'un signal (9) de référence dans un circuit (23) analogique de comparaison, - on produit un signal (10) de mise hors circuit dès que la valeur du signal (8) de dissipation est plus grande que la valeur du signal (9) de référence, - on met le commutateur (1) de puissance à 20 semi-conducteur hors circuit par le signal (10) de mise hors circuit. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (3) de mesure a un circuit (6) analogique multiplicateur qui produit le signal (8) de dissipation par multiplication d'un premier signal (17) qui correspond à la tension différentielle aux bornes (18, 19) de puissance du commutateur (1) de puissance à semi-conducteur par un deuxième signal (16) qui correspond au courant de charge passant par les bornes (18, 19) de puissance. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on forme le deuxième signal (16) par une chute de tension que le courant de charge provoque sur une résistance de mesure. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on forme le circuit (3) de comparateur par un circuit analogique de comparateur qui a une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse et a envoyé le signal (8) analogique de dissipation à l'entrée inverseuse et le signal (9) de référence à l'entrée non inverseuse. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on choisit, comme signal (9) de référence, une dissipation pulsée maximum admissible à une température prescrite du commutateur (1) de puissance à semi-conducteur. 6. Montage de limitation de la dissipation d'un commutateur (1) de puissance à semi-conducteur qui a une entrée (20) de commande, caractérisé en ce qu'il comprend: - un circuit (3) de mesure qui produit un signal (8) analogique de dissipation dont la valeur du signal correspond, lors du fonctionnement, à la dissipation instantanée dans le commutateur (1) de puissance à semi-conducteur, - un circuit (23) de comparaison, qui a une sortie (25) qui est reliée à l'entrée (20) de commande, qui effectue une comparaison de la valeur du signal de la dissipation instantanée avec une valeur d'un signal de référence et qui produit un signal (10) de mise hors circuit dès que la valeur du signal (8) de dissipation est plus grande que la valeur du signal (9) de référence. 7. Montage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit (3) de mesure comprend un circuit (6) analogique multiplicateur qui produit le signal (8) de dissipation par multiplication d'un premier signal (17) qui correspond à la tension différentielle aux bornes (18, 19) de puissance du commutateur (1) de puissance à semi-conducteur par un deuxième signal (16) qui correspond au courant de charge passant par les bornes (18, 19) de puissance. 8. Montage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le courant de charge du commutateur (1) de puissance à semi-conducteur est envoyé dans une résistance (Rshunt) de mesure, et en ce que le deuxième signal (16) correspond à la chute de tension sur cette résistance (Rshunt) de mesure se produisant lors du fonctionnement du commutateur (1) de puissance à semi-conducteur. 9. Montage suivant l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le signal (9) de référence est une dissipation par impulsion maximum admissible du commutateur (1) de puissance à semiconducteur à une température prescrite.