Brevet FR2967260A1 — publié le 20120511

La présente invention concerne le domaine technique des alimentations à commutation de puissance, également appelée circuits hacheurs, utilisées par exemple pour l'alimentation d'éléments de chauffage électrique ou encore de moteurs électriques à courant continu. Un circuit, dit hacheur, d'alimentation à commutation de puissance est conçu pour délivrer de manière cyclique une tension et/ou un courant électrique pendant une fraction, de durée variable, de chaque cycle ou période de son fonctionnement. Le régime d'un tel hacheur est défini par sa période T et son rapport cyclique a qui appartient à l'intervalle ]0 ; 1[. Ainsi à chaque période ou cycle le courant d'alimentation est, d'une part, non nul pendant une phase « on » de durée aT et, d'autre part, nul pendant une phase « off» de durée (1-a)T. En modulant la valeur du rapport cyclique, il est alors possible de faire varier la puissance moyenne d'alimentation de la charge raccordée au circuit hacheur. Un tel circuit hacheur trouve de nombreuses applications notamment dans les applications de chauffage électrique où la modulation du rapport cyclique permet de réguler la puissance calorifique moyenne délivrée par un élément de chauffage électrique. Afin de contrôler le fonctionnement du circuit hacheur, soit à des fins de sécurité pour éviter de détérioration des circuits électriques qui y sont raccordés ou de ses composants de puissance, soit à des fins de régulation pour connaître la puissance moyenne effectivement délivrée par le circuit hacheur, il est nécessaire d'évaluer le courant et/ou la tension de sortie du circuit hacheur. À cet effet, il est connu de mettre en oeuvre des systèmes de mesure faisant intervenir un ou plusieurs amplificateurs opérationnels mesurant soit directement la tension de sortie soit la tension aux bornes d'une résistance de mesure, également appelée shunt, dans laquelle circule le courant de sortie pour en déduire la valeur de ce courant de sortie. Cependant, chaque amplificateur opérationnel présent l'inconvénient de posséder une tension de décalage entre son entrée inverseuse et son entrée non-inverseuse. Cette tension de décalage, en anglais input offset voltage ou offset, en entrée de l'amplificateur opérationnel génère alors une erreur de mesure qui se trouve amplifiée par l'amplificateur lui-même. Afin de remédier à cet inconvénient il peut être choisi un amplificateur opérationnel dont la tension de décalage, la plus faible possible, est compatible avec les valeurs de tension qu'il est souhaité mesurer. Cependant les amplificateurs opérationnels présentant de très faible tension de décalage sont relativement onéreux. Dans le cas de la mesure de courant au moyen d'une résistance de mesure, il peut être cherché à compenser l'erreur induite par la tension de décalage en choisissant une valeur de la résistance de mesure suffisamment élevée pour que la valeur de l'erreur présente une faible part relative par rapport à la valeur mesurée. Cependant, l'augmentation de la valeur de la résistance de mesure induit une grande dissipation de chaleur et donc la nécessité de mettre en oeuvre des systèmes d'évacuation de la chaleur qui augmente le coût total de l'alimentation. De plus, cette dissipation de chaleur au niveau de la résistance mesure nuit au rendement de l'alimentation. Afin de remédier aux inconvénients ci-dessus, il est donc apparu le besoin d'un procédé et d'un dispositif qui permettent d'effectuer des mesures fiables sans devoir recourir à un amplificateur opérationnel à faible offset ou encore à une résistance de mesure de forte valeur. Afin d'atteindre cet objectif l'invention concerne un procédé de mesure d'une grandeur de sortie, courant ou tension, d'un circuit, dit hacheur, d'alimentation à commutation de puissance, de période T et de rapport cyclique a appartenant à l'intervalle ]0 ; IL de sorte qu'à chaque période le courant d'alimentation est, d'une part, non nul pendant une phase « on » de durée aT et, d'autre part, nul pendant une phase «off» de durée (1-a)T. Selon l'invention ce procédé de mesure comprend les étapes suivantes : - mesure de la valeur Gon d'une image de la grandeur de sortie pendant une phase « on », - mesure de la valeur Goff d'une image de la grandeur de sortie pendant une phase « off », - calcul de la différence AG =Goy - Goff - utilisation de la différence AG pour l'évaluation de la grandeur de sortie. Ainsi, comme la tension de décalage induite par l'amplification ou les erreurs de mesure sont les mêmes pendant la phase « off » et pendant la phase « on » il est obtenu une évaluation de la grandeur de sortie qui n'est pas affectée par la tension de décalage ou par les erreurs de mesure. L'invention permet donc d'obtenir une calibration permanente de la mesure. Selon une forme de mise en oeuvre de l'invention, les mesures Gon et Goff sont effectuées pendant les phases « on » et « off » d'une même période. Selon une variante de cette forme de mise en ceuvre, les mesures Gon et Goff 20 sont effectuée à une fréquence supérieure à la fréquence de commutation de l'alimentation. Selon une forme de mise en ceuvre de l'invention, les mesures Gon et Goff sont chacune effectuée pendant la phase respectivement « on » et « off » de deux 25 périodes consécutives. Selon l'invention la grandeur évaluée ou mesurée peut-être la tension de sortie ou encore le courant de sortie du circuit d'alimentation hacheur. Ainsi selon une caractéristique de l'invention la grandeur évaluée est le courant de sortie et les 30 images mesurées correspondent à une valeur amplifiée de la tension aux bornes d'une résistance de mesure dans laquelle circule le courant de sortie. Selon une caractéristique de l'invention une composante de correction est ajoutée à la grandeur évaluée. Ainsi, dans le cadre de l'évaluation du courant de sortie, les images mesurées correspondent alors à une valeur amplifiée de la somme, d'une part, de la tension au borne d'une résistance de mesure dans laquelle circule le courant de sortie et, d'autre part, d'une tension de correction de valeur constante. La mise en oeuvre d'une telle composante de correction permet de compenser le décalage dû aux défauts de l'amplification. Selon une variante de l'invention, la tension de correction est une tension 10 continue positive, ce qui permet de compenser les décalages de valeur négative. L'invention concerne également un dispositif de mesure d'une grandeur de sortie tension ou courant, d'un circuit, dit hacheur, d'alimentation à commutation 15 de puissance, de période T et de rapport cyclique a appartenant à l'intervalle ]0 ; IL de sorte qu'à chaque période le courant d'alimentation est normalement, d'une part, non nul pendant une phase « on » de durée aT et, d'autre part, nul pendant une phase « off » de durée (1-a)T. Afin de permettre la mise en ceuvre du procédé selon l'invention, ce dispositif de mesure comprend : 20 - un circuit d'amplification d'une tension représentative de la grandeur à mesurer, - une unité de mesure, de la tension amplifiée en sortie du circuit d'amplification, qui est adaptée pour : - mesurer de la valeur Gon de la tension amplifiée pendant une phase 25 « on », mesure de la valeur Goff de la tension amplifiée pendant une phase « off », calculer de la différence AG = Gon - Goff utiliser valeur de la différence AG pour évaluer la grandeur de sortie. 30 Selon une forme de réalisation de l'invention, le dispositif de mesure comprend un circuit d'ajout d'une tension de correction à la tension représentative de la grandeur mesurée en entrée du circuit d'amplification. Selon une caractéristique de cette forme de réalisation, la tension de correction est une tension continue positive. Selon une variante de réalisation de l'invention l'unité de mesure est adaptée pour effectuer les mesures Gon et Goff pendant les phases « on » et « off » d'une même période. Selon une caractéristique de cette variante, l'unité de mesure est adaptée pour 10 réaliser les mesures Gon et Goff à une fréquence supérieure à la fréquence de commutation de l'alimentation. Selon une autre caractéristique de cette variante de réalisation, l'unité de mesure est adaptée pour calculer la différence 0 à une fréquence inférieure à la 15 fréquence de commutation de l'alimentation. Selon une variante de réalisation de l'invention, l'unité de mesure est adaptée pour effectuer les mesures Gon et Goff pendant des phases « on » et « off » de deux périodes différentes. Selon une forme de réalisation de l'invention le dispositif est adapté pour mesurer le courant de sortie du circuit hacheur et comprend une résistance de mesure dans laquelle circule le courant de sortie, le circuit d'amplification étant adapté pour amplifier la tension aux bornes de la résistance de mesure. Bien entendu les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Par ailleurs, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description détaillée, ci-dessous, effectuée en référence à l'unique figure annexée qui illustre de manière schématique une forme non limitative de 20 25 30 réalisation d'un dispositif de mesure mettant en oeuvre le procédé conforme à l'invention pour mesurer le courant de sortie d'un circuit d'alimentation à commutation de puissance. Selon l'exemple illustré, l'invention est mise en oeuvre dans le cadre du contrôle et de la régulation du fonctionnement d'un élément chauffant électrique 1 utilisé pour le chauffage d'un habitacle du véhicule. L'élément chauffant 1 est alimenté par un circuit d'alimentation à commutation de puissance également appelée hacheur H. Ce circuit d'alimentation H possède une période de fonctionnement T et un rapport cyclique a susceptible de varier dans l'intervalle ]0 ; 1[. Le circuit d'alimentation H est piloté par un unité de commande UC qui module la valeur du rapport cyclique a en fonction de la puissance de chauffage recherchée au niveau de l'élément chauffant 1. À chaque période T, tant dans l'intervalle de temps [nT ; nT+aT], dit phase « on », le courant de sortie Is a une valeur non nulle tandis que dans l'intervalle de temps [nT+aT ; (n+1)T], dit phase off, le courant de sortie Is est nul. Afin de connaître la puissance calorifique effectivement fournie par l'élément chauffant 1 ou encore de vérifier que le courant de sortie délivrée par le circuit d'alimentation H est admissible par les câbles électriques reliant le circuit d'alimentation H à l'élément chauffant 1, il est proposé de mesurer le courant de sortie Is. À cet effet, il est mis en oeuvre une résistance de mesure S également appelée « Shunt » qui et raccordée en série avec l'élément chauffant 1. De façon connue, la mesure de la tension U aux bornes de cette dernière permet d'évaluer la valeur du courant de sortie Is délivrée à l'élément chauffant 1. L'invention propose donc de mettre en oeuvre un dispositif de mesure 2 qui procédera à l'amplification de la tension U au moyen d'un circuit d'amplification 3 pour ensuite évaluer cette tension au moyen d'une unité de mesure UM. Selon l'exemple illustré le circuit d'amplification 3 comprend un amplificateur opérationnel 4 dont l'entrée inverseuse ( - ) est raccordée par l'intermédiaire d'une résistance R1 à une première borne de la résistance de mesure S. Le circuit d'amplification 3 comprend également une ligne de contreréaction 5 qui relie, par une résistance R2, l'entrée inverseuse (-) à la sortie 6 de l'amplificateur opérationnel 4. L'entrée non-inverseuse (+) de l'amplificateur opérationnel est en outre raccordée à la deuxième borne de la résistance de mesure S par l'intermédiaire d'une résistance R3 ainsi qu'à la masse par une résistance R4. Enfin, le circuit d'amplification 3 comprend un circuit 7 d'ajout d'une tension de correction qui est formée d'une résistance R5 dont une borne est raccordée à l'entrée non-inverseuse (+) tandis que l'autre est alimentée par une tension de correction Vc continue de valeur constante. Selon l'invention, le circuit d'alimentation, la résistance de mesure, le circuit d'amplification et l'unité de mesure peuvent être réalisés sous la forme d'un seul circuit intégré ou sous la forme de composants discrets associés les uns les autres ou encore sous la forme d'une combinaison de circuits intégrés et de composants discrets. La tension Vs en sortie du circuit d'amplification est donnée par la relation suivante : Vs = Rl R+1J R345~ RS + R3) - Offset Où: - R345 = R3//R4//R5 soit la résistance équivalente aux trois résistances R3, R4, R5 en parallèle, - et Offset est la tension de décalage, dite Offset, entre l'entrée inverseuse (-) et l'entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur opérationnel 4. Par ailleurs, pour ne pas subir des effets de saturation R345( RS l sera de préférence choisi pour être supérieur à la valeur maximale susceptible d'être rencontrée pour la valeur absolue de la tension de décalage Offset. L'unité de mesure UM est alors adaptée pour mesurer, d'une part, la valeur Gon 30 de la tension de sortie Vs pendant chaque phase « on » et la valeur Goff de la tension de sortie Vs pendant chaque phase « off ». L'unité de mesure UM est s de préférence adaptée pour avoir une période d'échantillonnage inférieure à la période T de hachage du circuit d'alimentation. La période d'échantillonnage pourra par exemple être inférieure ou égale à 1/10ème de la période T de hachage. Ainsi, il sera procédé à plusieurs mesures de la valeur Gon et de la valeur Goff au cours de chaque période de hachage. Comme pendant les phases « off» le courant de sortie du circuit d'alimentation H est nul, la valeur Goff correspond à l'erreur induite par l'attention de décalage Offset. En calculant la différence AG = Gon - Goff, l'unité de mesure annulera l'erreur induite par la tension de décalage offset de sorte que AG sera parfaitement proportionnelle au courant de sortie pendant la phase « on ». Ce calcul de la différence AG peut, par exemple, être effectué toute les deux périodes T par unité de mesure. L'unité de mesure calcule ou évalue à partir de AG la valeur du courant de sortie. Cette évaluation du courant de sortie pourra alors être utilisée par l'unité de commande UC pour piloter le rapport cyclique a du circuit d'alimentation H de manière à réguler la puissance disponible niveau de l'élément chauffant 1, pour s'assurer que le courant de sortie ne dépasse pas une valeur la valeur admissible par le câblage électrique ou encore identifier un éventuel dysfonctionnement du circuit d'alimentation. Selon l'exemple précédent il est évalué le courant de sortie du circuit d'alimentation toutefois l'invention pourrait également être mise en oeuvre pour évaluer la tension de sortie du circuit d'alimentation pendant chaque phase « on ». Bien entendu diverses modifications, notamment en ce qui concerne les composants constitutifs du circuit d'alimentation et/ou du circuit d'amplification, peuvent être apportées à l'invention dans le cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure d'une grandeur de sortie courant ou tension d'un circuit, dit hacheur, d'alimentation à commutation de puissance (H) de période T et de rapport cyclique a, appartenant à l'intervalle ]0 ; 1[, de sorte qu'à chaque période le courant d'alimentation est, d'une part, non nul pendant une phase « on » de durée aT et, d'autre part, nul pendant une phase « off » de durée (1-a)T, procédé de mesure caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - mesure de la valeur Gon d'une image de la grandeur de sortie pendant une phase « on », - mesure de la valeur Goff d'une image de la grandeur de sortie pendant une phase « off », - calcul de la différence AG = Gon - Goff - utilisation de la différence AG pour l'évaluation de la grandeur de sortie. 15 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures Gon et Goff sont effectuées pendant les phases « on » et « off » d'une même période. 20 3. Procédé de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que les mesures Gon et Goff sont effectuée à une fréquence supérieure à la fréquence de commutation de l'alimentation. 4. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en que les 25 mesures Gon et Goff sont chacune effectuée pendant la phase respectivement « on » et « off » de deux période consécutives. 5. Procédé de mesure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en qu'une composante de correction est ajoutée à la grandeur évaluée avant 30 mesure. 6. Procédé de mesure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en que la grandeur évaluée est le courant de sortie et en ce que les images mesurées 9correspondent à une valeur amplifiée de la tension aux bornes d'une résistance de mesure dans laquelle circule le courant de sortie. 7. Procédé de mesure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en que la grandeur évaluée est le courant de sortie et en ce que les images mesurées correspondent à une valeur amplifiée de la somme, d'une part, de la tension au borne d'une résistance de mesure dans laquelle circule le courant de sortie et, d'autre part, d'une tension de correction de valeur constante. 8. Procédé de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tension de correction est une tension continue positive. 9. Dispositif de mesure d'une grandeur de sortie d'un circuit, dit hacheur, d'alimentation à commutation de puissance (H) de période T et de rapport cyclique a, appartenant à l'intervalle ]0 ; 1[, de sorte qu'à chaque période le courant d'alimentation est normalement, d'une part, non nul pendant une phase « on » de durée aT et, d'autre part, nul pendant une phase « off » de durée (1-a)T, dispositif comprenant : un circuit d'amplification (3) d'une tension représentative (U) de la grandeur à 20 mesurer, une unité (UM) de mesure de la tension amplifiée (Vs) en sortie du circuit d'amplification, qui est adaptée pour : - mesurer de la valeur Gon de la tension amplifiée (Vs) pendant une phase « on », 25 mesurer de la valeur Goff de la tension amplifiée (Vs) pendant une phase «off», calculer de la différence AG = Gon - Goff utiliser valeur de la différence AG pour évaluer la grandeur de sortie. 30 10. Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (7) d'ajout, en entrée du circuit d'amplification, d'une tension de correction (Vc) à la tension (U) représentative de la grandeur mesurée.Il 11. Dispositif de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce que la tension de correction est une tension continue positive. 12. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'unité de mesure est adaptée pour effectuer les mesures Gon et Goff pendant les phases « on » et « off » d'une même période. 13. Dispositif de mesure selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'unité 10 de mesure est adaptée pour réaliser les mesures Gon et Goff à une fréquence supérieure à la fréquence de commutation de l'alimentation. 14. Dispositif de mesure selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'unité de mesure est adaptée pour calculer la différence AG à une fréquence 15 inférieure à la fréquence de commutation de l'alimentation. 15. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'unité de mesure est adaptée pour effectuer les mesures Gon et Goff pendant des phases « on » et « off » de deux périodes différentes. 20 16. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu'il est adapté pour mesurer le courant de sortie du circuit hacheur (H)et comprend une résistance de mesure (S) dans laquelle circule le courant de sortie, le circuit d'amplification (3) étant adapté pour amplifier la tension aux 25 bornes de la résistance de mesure.