Brevet FR2908944A1 — publié le 20080523

L'invention concerne un circuit électronique avec des moyens de détection d'un court-circuit, un onduleur incorporant un tel circuit et un aéronef équipé d'un tel onduleur. On utilise couramment, par exemple pour convertir une tension continue en une tension alternative, un circuit électronique dans lequel un premier interrupteur et un second interrupteur d'un même bras du circuit peuvent sélectivement appliquer une première et une seconde tension à un noeud de sortie également situé dans le bras. Les interrupteurs sont commandés afin de n'appliquer à un instant donné qu'une seule des deux tensions au noeud de sortie. Il arrive toutefois qu'un défaut de fonctionnement, par exemple au niveau de la commande des interrupteurs, entraîne la fermeture simultanée des deux interrupteurs et provoque ainsi un court-circuit. Dans un tel cas, le courant n'est limité que par les caractéristiques des interrupteurs à une valeur de l'ordre de dix fois la valeur nominale, tandis que la tension aux bornes des interrupteurs (environ la moitié de la différence de potentiel entre les deux tensions pour chaque interrupteur) est de l'ordre de cent fois supérieure à la tension aux bornes de l'interrupteur en régime nominal. On comprend dès lors que le court-circuit, en présence duquel la puissance dissipée est ainsi mille fois supérieure à celle du fonctionnement normal, doive être supprimé dans un temps très court (environ 10 s) si l'on veut éviter la destruction des interrupteurs. On prévoit donc en général un circuit de détection du court-circuit, en général par mesure de courant, qui commande l'ouverture du ou des interrupteur(s) commandé(s) lorsqu'il est déterminé que le courant dans le bras dépasse un seuil prédéterminé. Des circuits de détection de courant de court-circuit sont par exemple décrits dans les demandes de brevet JP 2004 û 037 147, JP 6 û 174 753, JP 2005 û 300170 et WO 99/60 416. Les solutions proposées jusqu'ici ont toutefois introduit une inductance supplémentaire dans le circuit, que ce soit à cause du câblage supplémentaire nécessaire, de l'utilisation d'un transformateur de mesure ou d'isolation, d'enroulements de compensation ou même d'un noyau magnétique destiné à amplifier le signal mesuré, par exemple avec un capteur à effet Hall. Dans ce contexte, l'invention propose un circuit électronique comprenant un bras avec un premier interrupteur commandé apte à appliquer une première 2908944 2 tension à un noeud de sortie et un second interrupteur commandé apte à appliquer une seconde tension, différente de la première tension, au noeud de sortie, et un circuit de détection de court-circuit dans le bras apte à commander l'ouverture d'au moins un desdits interrupteurs, caractérisé en ce qu'un premier conducteur 5 d'alimentation du noeud de sortie comprend au moins une partie essentiellement rectiligne et en ce que le circuit de détection comprend un capteur de champ magnétique situé de manière à mesurer un champ magnétique directement généré par ladite partie essentiellement rectiligne. On profite ainsi du fait que la mesure du courant en vue de la détection 10 d'un court-circuit prévue ci-dessus peut tolérer une incertitude de mesure très élevée (par exemple 50 %) puisque le courant à détecter est très grand par rapport au courant en fonctionnement normal. La mesure du champ magnétique généré directement (c'est-à-dire notamment sans canalisation du champ par utilisation d'un matériau ferromagnétique, par exemple sous forme de noyau magnétique) par une 15 portion même rectiligne de conducteur suffit donc à cet effet. Selon un mode de réalisation envisageable, le premier conducteur connecte électriquement une première borne d'une source de tension et un premier noeud du bras, ce qui permet d'effectuer une détection commune des courts-circuits susceptibles de se produire dans les différents bras. 20 En pratique, la source de tension est par exemple formée aux bornes d'un condensateur. Lorsque ladite partie essentiellement rectiligne est destinée à être parcourue par un courant dans une direction donnée, on peut prévoir qu'un second conducteur essentiellement parallèle à ladite partie essentiellement rectiligne est 25 destiné à être parcouru par un courant dans une direction opposée à la direction donnée, comme par exemple lorsque des conducteurs font partie d'une barre de bus (ou "busbar" selon la terminologie anglo-saxonne). Dans ce cas, le second conducteur peut connecter une seconde borne de la source de tension et un second noeud du bras. 30 Dans un mode de réalisation présenté plus loin, le capteur s'étend au moins en partie dans une région située entre un plan de conduction du premier conducteur et un plan de conduction du second conducteur. Un plan de conduction d'un conducteur peut être défini comme le plan contenant sa direction de conduction et sa plus grande dimension perpendiculairement à la direction de 2908944 3 conduction. Le capteur s'étend par exemple au moins en partie dans une région située entre le premier et le second conducteur. On profite ainsi du cumul des champs magnétiques entre les conducteurs du fait de la circulation en sens inverse du courant dans chacun d'eux. 5 Le premier conducteur peut alors être divisé en au moins deux brins et le capteur peut alors s'étendre au moins en partie dans une zone située entre les deux brins, notamment pour des raisons d'encombrement. Dans un autre mode de réalisation, le premier conducteur ayant une dimension principale dans un plan perpendiculaire à sa direction de conduction, le 10 capteur est situé au niveau d'une extrémité du premier conducteur selon cette dimension principale. Le capteur de champ magnétique peut alors être disposé de manière à mesurer le champ magnétique perpendiculaire à la dimension principale dans le plan perpendiculaire à la direction de conduction du premier conducteur, ce qui 15 constitue une bonne disposition du capteur au vu de la géométrie du conducteur et du champ magnétique induit. Le second conducteur ayant une dimension principale dans un plan perpendiculaire à sa direction de conduction, on peut en outre prévoir que le circuit de détection comprend un second capteur de champ magnétique situé à une 20 extrémité du second conducteur selon sa direction principale, afin d'améliorer encore la mesure. En variante, du fait que le premier conducteur s'étend selon une direction principale dans un plan perpendiculaire à sa direction de conduction, le capteur peut être situé au niveau d'une zone centrale du premier conducteur selon 25 ladite dimension principale. Dans ce cas, on peut prévoir que le capteur est apte à mesurer un champ magnétique selon ladite dimension principale, ce qui constitue une orientation particulièrement adaptée. Le capteur de champ magnétique est par exemple un capteur à effet 30 Hall. L'invention propose également un onduleur comprenant un circuit électronique tel que présenté ci-dessus, ainsi qu'un aéronef équipé d'un tel onduleur. 2908944 4 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 décrit un contexte typique d'utilisation de l'invention ; 5 - la figure 2 illustre le positionnement d'un capteur de champ magnétique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 illustre le positionnement d'un capteur de champ magnétique selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 illustre le positionnement d'un capteur de champ 10 magnétique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention utilisant deux capteurs de champ magnétique. La figure 1 représente l'architecture générale d'un circuit auquel l'invention est susceptible de s'appliquer, ici les éléments principaux d'un onduleur. 15 Une source de tension continue V (réalisée par exemple par un condensateur) permet l'application d'une première tension Vo à un premier noeud du circuit et d'une seconde tension V1 à un second noeud du circuit. La tension Vo est par exemple une tension négative par rapport à une masse (non représentée), tandis que la tension V1 est par exemple dans ce cas 20 une tension positive par rapport à cette même masse. En variante, le potentiel Vo pourrait correspondre à la masse, la tension Vi correspondant alors à une tension différente de la valeur nulle, positive ou négative. Un pont d'interrupteurs commandés Ko, K1, K'o, K'1 est disposé entre le premier noeud Vo et le second noeud V1 de manière à pouvoir appliquer 25 sélectivement chacune des tensions Vo, V1 à un premier noeud de sortie Vs et à un second noeud de sortie Vs. Pour ce faire, un premier interrupteur commandé Ko relie le premier noeud Vo au premier noeud de sortie Vs et un second interrupteur commandé K1 relie le second noeud V1 au premier noeud de sortie Vs. 30 De même, des interrupteurs commandés K'o, K'1 relient respectivement chacun des premier et second noeuds Vo, V1 au second noeud de sortie V'5. Chaque bras du pont d'interrupteurs permet ainsi d'appliquer l'un parmi une pluralité de (ici deux) potentiels essentiellement fixes à un noeud de sortie. 2908944 5 Dans d'autres formes de réalisation, le pont pourrait inclure plus de deux bras, par exemple trois bras pour obtenir un courant triphasé. Les interrupteurs commandés sont par exemple des transistors de type IGBT (du vocable anglo-saxon "Insulated Gate Bipolar Transistor" signifiant 5 transistor bipolaire à porte isolée). En variante, il pourrait s'agir de thyristors ou de transistors de type MOSFET (pour "Metal-Oxide Semicondutor Field-Effect Transistor", c'est-à-dire transistor à effet de champ à semi-conducteur de type oxyde de métal). Un circuit de commande C détermine, au moyen de signaux de 10 commande dirigés vers chacun des interrupteurs (dont ne sont représentés sur la figure 1 qu'un premier signal de commande Co destiné au premier interrupteur Ko et un second signal de commande CI destiné au second interrupteur KI), l'ouverture ou la fermeture de chacun des interrupteurs de manière à appliquer à chaque noeud de sortie Vs, VS la tension désirée. 15 Le circuit de commande C est de ce fait naturellement conçu de manière à n'appliquer à un même noeud de sortie (par exemple le premier noeud de sortie Vs) qu'au plus une seule tension, c'est-à-dire à ne jamais commander au moyen des signaux Co, C, la fermeture simultanée du premier interrupteur Ko et du second interrupteur Ki. 20 II arrive toutefois à cause d'un défaut de fonctionnement que cette fermeture simultanée du premier interrupteur Ko et du second interrupteur KI se produise et génère un court-circuit, qui sera détecté grâce au moyen de mesure du courant décrit dans chacun des modes de réalisation qui suivent. Une fois un tel court-circuit détecté, on force naturellement l'ouverture d'au moins un des premier 25 et second interrupteurs Ko, KI, et par exemple en pratique des deux interrupteurs pour obtenir une sureté maximale du fonctionnement. En pratique, on utilise par exemple comme décrit plus en détail dans la suite un circuit de mesure du courant I circulant entre l'un des premier et second noeuds Vo, VI (le noeud Vo sur la figure 1) et la source de tension V. 30 Le circuit de mesure du courant I transmet une information au circuit de commande C lorsque le courant mesuré dépasse un seuil prédéterminé, supérieur au courant en fonctionnement normal, sur la base de laquelle le circuit de commande C provoque l'ouverture du premier interrupteur Ko et du second interrupteur KI comme indiqué ci-dessus. 2908944 6 En variante, l'ouverture des interrupteurs Ko, KI pourrait être directement commandée par l'information émise par le circuit de mesure I (par exemple en forçant la valeur de tension de commande des interrupteurs), sans passer par le circuit de commande C. 5 Dans les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-après, la mesure du courant est effectuée par la mesure du champ magnétique généré par ce courant au voisinage du conducteur concerné, au moyen d'un capteur de champ magnétique. On comprend que, dans l'exemple représenté à la figure 1, le court- 10 circuit dans le bras comprenant le premier interrupteur Ko et le second interrupteur KI peut être détecté par une mesure de courant en dehors de ce bras (en l'occurrence entre la source de tension V et le premier noeud Vo) puisqu'un court-circuit dans ce bras entraînera un fort courant non seulement dans le bras lui-même, mais également dans les parties alimentant ce bras en électricité. 15 En variante, on pourrait prévoir de détecter le court-circuit par mesure du courant directement dans le bras concerné, ce qui nécessiterait toutefois une détection par bras alors que la solution envisagée à la figure 1 permet un circuit de détection unique pour l'ensemble des bras du circuit. La figure 2 représente un premier positionnement proposé par 20 l'invention pour le capteur de champ magnétique 10 du circuit de détection de court-circuit par rapport à une barre de bus 2. La barre de bus est un élément de circuit, parfois dénommé selon l'appellation anglo-saxonne "busbar" , formé de deux éléments conducteurs rectilignes ayant chacun une forme rectangulaire en coupe et séparés par un 25 isolant afin de réduire au minimum possible son inductance. La barre de bus réalise ici la connexion électrique dans les deux sens (aller du courant et retour du courant) entre la source de tension V et le pont d'interrupteurs, où les différents interrupteurs commandés sont connectés à l'extrémité de la barre de bus opposée à la source de tension sous forme d'un bus (c'est-à-dire d'un ensemble de connexions électriques 30 adjacentes). La barre de bus 2 comprend ainsi un premier conducteur 4 essentiellement rectiligne selon une direction perpendiculaire au plan de la figure 2 et parcouru par un courant dans cette même direction sur cette partie rectiligne 2908944 7 (c'est-à-dire selon une direction essentiellement parallèle et opposée à la direction X représentée sur la figure 2). Comme bien visible sur la figure 2, le premier conducteur 4 présente, en coupe transversale par rapport à sa direction de conduction, une forme 5 rectangulaire, avec une direction principale selon l'axe Y de la figure 2 (c'est-à-dire de gauche à droite sur la figure 2). La barre de bus comprend également un second conducteur 8 séparé du premier conducteur 4 par une plaque d'isolant 6. Le second conducteur 8 est disposé parallèlement au premier 10 conducteur 4 et permet la circulation du courant selon le même axe que le premier 4 (axe X), mais dans une direction (c'est-à-dire un sens) opposée. On a représenté sur la figure 2 les lignes de champ magnétique BI, B2 générées du fait de la circulation du courant dans le premier conducteur 4 et le second conducteur 8. 15 Le premier conducteur 4 effectue la connexion électrique entre la source de tension V et le premier noeud Vo représentés à la figure 1. De manière analogue, le second conducteur 8 réalise la connexion électrique entre la source de tension V et le second noeud V, de la figure 1. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, le capteur de 20 champ magnétique 10 est situé près du bord supérieur gauche (vu dans le plan de la figure 2) du premier conducteur 4, c'est-à-dire au niveau d'une de ses extrémités selon sa dimension principale (c'est-à-dire selon l'axe Y), légèrement au-dessus du premier conducteur 4 dans la direction Z (perpendiculaire à la fois à la direction de conduction X et à la direction Y de la dimension principale du premier conducteur 25 4). Le capteur de champ magnétique 10 est un capteur à effet Hall orienté de manière à mesurer le champ magnétique selon la direction Z qui vient d'être mentionnée. (On indique ici la direction de mesure du capteur ; une telle direction de mesure est généralement obtenue pour des cellules Hall en disposant le plan de 30 plus grande extension mécanique du capteur tel qu'il soit perpendiculaire à cette direction, soit ici parallèle au plan défini par les axes X et Y.) Comme visible sur la figure 2, cette disposition (c'est-à-dire le positionnement par rapport au premier conducteur 4 et l'orientation définie ci-dessus) est particulièrement adaptée à la mesure du champ magnétique généré 2908944 8 directement par les conducteurs, notamment par le premier conducteur 4, et représenté par les lignes de champ Bi. La figure 3 représente un second positionnement proposé pour le capteur de champ magnétique du circuit de détection de court-circuit. 5 Dans cette figure, les éléments correspondants à ceux de la figure 1 ont une référence augmentée de vingt. La barre de bus 22 comprend un premier conducteur 24 et un second conducteur 28 séparés par une couche d'isolant 26. Le premier conducteur 24 s'étend de manière essentiellement rectiligne 10 selon sa direction de conduction avec une section rectangulaire en coupe perpendiculairement à cette direction de conduction. Un capteur à effet Hall 30 est situé au niveau de la moitié de la dimension principale (c'est-à-dire du grand côté) du rectangle formé par le premier conducteur 24 en coupe (et de manière générale entre 30 % et 70 % du grand 15 côté), légèrement au dessus de ce premier conducteur 24 (c'est-à-dire selon la direction Z définie de manière identique à ce qui a été fait précédemment pour la figure 2). Le capteur 30 est orienté de manière à mesurer le champ magnétique selon l'axe de la dimension principale précité (axe Y) ce qui permet une mesure 20 efficace du champ magnétique directement généré par le courant circulant dans les conducteurs, notamment le premier conducteur 24, comme bien visible grâce aux lignes de champ magnétique BI illustrées sur la figure 3. La figure 4 représente un troisième mode de réalisation de l'invention, dans lequel les éléments correspondants à ceux de la figure 2 ont des références 25 augmentées de quarante par rapport à cette figure. La barre de bus 42 illustrée à la figure 4 comprend un premier conducteur 44 et un second conducteur 48 séparés par une plaque isolante 46. Le premier conducteur 44 est divisé en deux brins 43, 45 parallèles (selon l'axe de conduction), qui définissent chacun, en section dans un plan 30 perpendiculaire à l'axe de conduction, un rectangle ayant une dimension principale (c'est-à-dire leur plus grand côté) selon l'axe Y. De manière analogue, le second conducteur 48 est divisé en deux brins 47, 49 respectivement symétriques des brins 43, 45 du premier conducteur 44 par rapport à la plaque d'isolant 46. 2908944 9 Comme précédemment, le premier conducteur 44 (c'est-à-dire ici chacun des brins 43, 45) est parcouru par un courant dans une première direction (qui s'écoule de la source de tension V au premier noeud Vo) tandis que le second conducteur 48 (en pratique chacun des brins 47, 49) est parcouru par un courant de 5 sens opposé (qui s'écoule du second noeud VI à la source de tension V). On a négligé sur la figure 4 l'influence (très limitée), sur les lignes de champ, de l'absence de courant entre les brins 43,45 d'une part et 47, 49 d'autre part. Le capteur de champ magnétique 50 (ici un capteur à effet Hall) est placé au niveau de la plaque d'isolant 46, c'est-à-dire entre le premier conducteur 10 44 et le second conducteur 48, dans une région où les champs magnétiques générés directement par le premier conducteur 44 d'une part et le second conducteur 48 d'autre part se cumulent du fait de la circulation dans des sens opposés du courant dans ces deux conducteurs. Le capteur de champ magnétique 50 est orienté de manière à mesurer le champ magnétique selon l'axe Y défini ci- 15 dessus. La mesure du champ magnétique généré par les courants circulant dans les premier et second conducteurs 44, 48 est ainsi particulièrement efficace, même sans amplification (c'est-à-dire sans concentration, sans canalisation, par exemple au moyen d'un noyau magnétique). 20 On remarque le capteur de champ magnétique 50 s'étend également, du fait de ses dimensions selon l'axe Z supérieures à l'épaisseur de la couche d'isolant 46, entre le premier brin 43 et le second brin 45 du premier conducteur 44 d'une part, et entre le premier brin 47 et le second brin 49 du second conducteur 48. La figure 5 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention, 25 dans lequel les références des éléments correspondant à ceux de la figure 2 ont été augmentées de soixante. Selon ce quatrième mode de réalisation, un premier capteur de champ magnétique 70 est disposé par rapport à une barre de bus 62 de manière analogue à ce qui a été présenté pour la figure 2. 30 Selon ce mode de réalisation, le circuit de détection de court-circuit comprend en outre un second capteur de champ magnétique 72 (par exemple un capteur à effet Hall) situé de manière symétrique au premier capteur 70. Du fait de cette symétrie, la direction du champ mesuré par ce second capteur 72 est opposée (c'est-à-dire de sens contraire) à celle du premier capteur 70. 2908944 10 Les signaux mesurés par le premier capteur 70 et le second capteur 72 peuvent ainsi être additionnés pour donner une mesure du courant parcourant la barre de bus 62 en vue de la détection d'un court-circuit éventuel dans l'un des bras alimentés par cette barre de bus. 5 Les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ne représentent que des exemples possibles de mise en oeuvre de l'invention, qui ne s'y limite pas. REVENDICATIONS 1. Circuit électronique comprenant : - un bras avec un premier interrupteur commandé (Ko) apte à appliquer une première tension (Vo) à un noeud de sortie (Vs) et un second interrupteur commandé (KI) apte à appliquer une seconde tension (VI), différente de la première tension (Vo), au noeud de sortie (Vs) ; - un circuit de détection (I, C) de court-circuit dans le bras apte à commander l'ouverture d'au moins un desdits interrupteurs (Ko, KI) ; caractérisé en ce qu'un premier conducteur (4; 24; 44; 64, 68) d'alimentation du noeud de sortie (Vs) comprend au moins une partie essentiellement rectiligne et en ce que le circuit de détection comprend un capteur de champ magnétique (10; 30; 50; 70, 72) situé de manière à mesurer un champ magnétique directement généré par ladite partie essentiellement rectiligne. 2. Circuit électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier conducteur (10; 30; 50; 70) connecte électriquement une première borne d'une source de tension (V) et un premier noeud (Vo, VI) du bras. 3. Circuit électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de tension (V) est formée aux bornes d'un condensateur. 4. Circuit électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite partie essentiellement rectiligne est destinée à être parcourue par un courant dans une direction donnée et en ce qu'un second conducteur (8; 28; 48; 68) essentiellement parallèle à ladite partie essentiellement rectiligne est destiné à être parcouru par un courant dans une direction opposée à la direction donnée. 5. Circuit électronique selon la revendication 4 prise dans la dépendance de la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le second conducteur (8; 28; 48; 68) connecte une seconde borne de la source de tension (V) et un second noeud (VI, Vo) du bras. 2908944 12 6. Circuit électronique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'une barre de bus (2; 22; 42; 62) comprend le premier et le second conducteurs. 7. Circuit électronique selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé 5 en ce que le capteur (50) s'étend au moins en partie dans une région située entre un plan de conduction du premier conducteur (44) et un plan de conduction du second (48) conducteur. 8. Circuit électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le 10 premier conducteur (44) est divisé en au moins deux brins (43, 45) et en ce que le capteur (50) s'étend au moins en partie dans une zone située entre les deux brins (43, 45). 9. Circuit électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé 15 en ce que le premier conducteur (4; 64) a une dimension principale dans un plan perpendiculaire à sa direction de conduction et en ce que le capteur (10; 70) est situé au niveau d'une extrémité du premier conducteur (4; 64) selon cette dimension principale. 20 10. Circuit électronique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur de champ magnétique (10; 70) est disposé de manière à mesurer le champ magnétique perpendiculaire à la dimension principale dans le plan perpendiculaire à la direction de conduction du premier conducteur (4; 64). 25 11. Circuit électronique selon la revendication 9 ou 10 prise dans la dépendance de l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le second conducteur (68) a une dimension principale dans un plan perpendiculaire à sa direction de conduction et en ce que le circuit de détection comprend un second capteur (72) de champ magnétique situé à une extrémité du second conducteur 30 (68) selon sa direction principale. 12. Circuit électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier conducteur (24) s'étend selon une direction principale dans un plan perpendiculaire à sa direction de conduction et en ce que le capteur (30) est 10 2908944 13 situé au niveau d'une zone centrale du premier conducteur (24) selon ladite dimension principale. 13. Circuit électronique selon la revendication selon la revendication 10, 5 caractérisé en ce que le capteur (30) est apte à mesurer un champ magnétique selon ladite dimension principale. 14. Circuit électronique selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le capteur de champ magnétique est un capteur à effet Hall. 15. Onduleur comprenant un circuit électronique selon l'une des revendications 1 à 14. 16. Aéronef équipé d'un onduleur selon la revendication 15. 15