Brevet FR3009657A1 — publié le 20150213

Contexte technique L'invention s'inscrit dans le domaine des organes d'isolement ou de coupure pour circuits électriques, notamment pour circuits électriques dans lesquels une redondance d'une fonction électronique (ou charge électrique) est prévue pour pallier la défaillance de la fonction. En particulier, l'invention s'applique à des organes d'isolement ou de coupure pour circuits électriques embarqués dans des aéronefs, tels des avions ou des hélicoptères. Le circuit électrique peut être à courant continu, mais l'invention s'applique aussi à d'autres circuits électriques. On connait des systèmes de convertisseurs comprenant un ou plusieurs 15 commutateurs électroniques, à tolérance de panne. Ces convertisseurs peuvent être associés pour constituer des circuits redondants. Ainsi en cas de défaillance de l'un des convertisseurs, une commutation a lieu pour continuer à alimenter la charge, et ainsi garantir la disponibilité de la fonction de la charge. 20 Ainsi, dans le domaine de l'alimentation en tension ou fréquence variable, on connait des onduleurs permettant l'isolement de cellules de commutation défaillantes à l'aide de fusibles. En l'absence de défaillance, toutes les cellules sont alimentées, mais si l'une d'entre elles est en panne, elle est automatiquement déconnectée. On connaît aussi, dans le même domaine, 25 des interrupteurs d'isolement insérés entre la cellule de commutation et la phase de la charge, et basés sur des thyristors ou des transistors. On connait aussi des organes dédiés à la protection de type contacteurs statiques (SSPC pour « solid state power controller »). Certains d'entre eux disposent d'une fonction « failsafe », qui prend la forme d'un fusible, celui-ci étant dimensionné pour protéger le câblage d'alimentation amont et/ou aval de l'organe de protection d'une trop forte circulation de courant (intensité) due à un courant excessif appelé par la charge ou à un court-circuit et qui ne pourrait être interrompue par le(s) composant(s) actif(s) du SSPC. De manière générale, on utilise donc des fusibles, des contacteurs et des disjoncteurs, ajoutés dans des circuits existants. Mais toutes ces solutions ne permettent pas d'obtenir un isolement fiable d'une fonction électronique défaillante à l'aide de circuits peu encombrants et peu coûteux. En effet, le dimensionnement des fusibles et/ou la multiplication des composants électroniques constituent systématiquement des freins à l'utilisation des solutions évoquées, notamment dans les applications aéronautiques dans lesquelles les critères de volume et de masse sont très importants, tout autant d'ailleurs que la fiabilité. L'invention vise à résoudre ce problème. Définition de l'invention et avantages associés Pour résoudre le problème ainsi évoqué, il est proposé d'associer à un organe de commutation et/ou de protection statique, comprenant un contrôleur, un fusible en série, ces deux éléments formant la base d'un organe de coupure électrique caractérisé en ce que l'ouverture du fusible est provoquée par une fermeture d'un commutateur connecté en dérivation, ladite fermeture étant commandée par le contrôleur de l'organe de commutation et/ou protection statique. Les ouvertures du fusible et de l'organe de commutation et/ou de protection statique peuvent être commandées de manière simultanée. Le commutateur connecté en dérivation constitue également un élément de l'organe de coupure électrique, comme le fusible et l'organe de commutation et/ou protection statique. Grâce à ces principes, le fusible est ouvert de façon active par le commutateur connecté en dérivation ce qui permet d'obtenir la coupure électrique même si l'organe de commutation et/ou protection statique n'assure pas la coupure lui-même, par exemple lorsqu'il est défaillant. La fermeture du commutateur en dérivation est commandée pour isoler une charge défaillante ou un court-circuit. L'organe de commutation et/ou protection statique est calibré pour un courant contrôlé par la fonction électronique à protéger qui peut être faible, en particulier plus faible que ce qu'autorise le câblage installé entre l'organe de commutation et/ou protection statique et ladite fonction électronique. Le fusible peut donc être également dimensionné pour un courant faible. On obtient un système de protection commandant de façon active une isolation galvanique de l'organe de coupure défectueux, avec des composants de faible encombrement. De préférence, le commutateur en dérivation est un commutateur normalement passant (« normally on »), car cela augmente la sureté de l'ouverture du fusible, le commutateur en dérivation devant être ouvert (inhibé par la présence d'une tension de commande) préalablement à l'activation de la branche concernée. De préférence, le commutateur en dérivation est un commutateur à matériau grand gap, comme le SiC ou le GaN, ce qui offre la possibilité de le dimensionner de petite taille, toute en conservant des propriétés avantageuses. De préférence, l'organe comprend de plus un écrêteur de tension en parallèle au fusible, qui permet encore plus facilement de dimensionner celui-ci de petite taille. Par exemple, l'écrêteur est calibré à une tension supérieure à la tension maximale transitoire. De préférence, la limite d'énergie traversante du commutateur en dérivation est choisie supérieure à celle du fusible, ce qui permet de ne pas détériorer le commutateur lors de sa fermeture. De préférence, le fusible en série est dimensionné en fonction du courant contrôlé par l'organe de coupure. Il peut être constitué d'un fil métallique, notamment de cuivre, encapsulé dans un isolant polymère, notamment un gel polysiloxane (silicone faiblement carboné). L'encapsulant silicone, qui présente de préférence un fort coefficient de dilatation thermique, une faible conductivité thermique et une haute tenue diélectrique, pourra, lors de la montée en température du fusible, exercer une contrainte thermomécanique importante sur le fil de cuivre, accélérant ainsi sa rupture et l'ouverture du circuit. Le fil de cuivre pourra présenter une géométrie sinueuse afin d'accentuer ce phénomène. La bonne isolation thermique apportée par l'encapsulant permettra d'accentuer la montée en température du fil de cuivre, accélérant l'ouverture du fusible. Cette montée en température aura pour effet de déclencher un mécanisme de dégradation thermique du silicone qui se décomposera en silice isolante électrique et thermique. La bonne isolation électrique apportée par l'encapsulant permet de protéger l'ensemble du système contre tout accident diélectrique. Lors de la dégradation thermique du silicone, la faible proportion de composé organique de la chaîne polysiloxane permettra de limiter la formation de résidu carboné conducteur électrique, permettant ainsi de conserver le caractère isolant du matériau encapsulant. D'autres matériaux pourront également être envisagées tels que, par exemple et de manière non limitative, des matériaux de type époxyde, polyuréthane ou polyimide. Le fusible est par exemple positionné entre l'organe de commutation et/ou protection statique et une dérivation sur laquelle le commutateur en dérivation est positionné, mais il est aussi possible qu'une dérivation sur laquelle le commutateur en dérivation est positionné, soit positionnée entre le fusible et l'organe de commutation statique. Dans un mode de réalisation particulier, l'organe de commutation et/ou protection statique est un contacteur. L'organe de coupure électrique peut finalement aussi comprendre deux fusibles en série, l'un isolant le commutateur en dérivation vis-à-vis de l'amont du circuit électrique, et l'autre de l'aval du circuit électrique, l'ouverture de chacun des deux fusibles étant provoquée par une fermeture du commutateur connecté en dérivation, ladite fermeture étant commandée par le contrôleur de l'organe de commutation et/ou protection statique. L'invention va maintenant être décrite en relation avec les figures présentées à titre d'illustration. Liste des figures La figure 1 présente un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 présente un deuxième mode de réalisation de l'invention. Description détaillée non limitative. En figure 1, on a montré un montage mettant en oeuvre les principes de l'invention. Une tension U est appliquée entre deux bornes d'entrée 101 et 102. Une charge (non représentée) est polarisée et alimentée à l'aide de deux bornes de sortie 103 et 104. Dans le mode de réalisation présenté, un câble relie directement les bornes 102 et 104, alors que les bornes 101 et 103 sont séparées, outre par un câblage, par un commutateur de puissance statique 110, par exemple de type IGBT (insulated-gate bipolar transistor ou transistor bipolaire à grille isolée), basé sur la technologie du silicium, et par un fusible 120. Le commutateur de puissance statique 110 est alimenté en énergie par un module d'alimentation 111 connecté à la borne 102, et son ouverture ou sa fermeture sont commandés par un module de contrôle 112, lui-même alimenté par le module d'alimentation 111. Un commutateur 130 à base de carbure de silicium SiC, ou à semiconducteur déplété, ou de manière générale à base de matériau grand gap, est présent entre les bornes 103 et 104, c'est-à-dire en dérivation par rapport au contacteur de puissance statique 110 et au fusible 120. Le commutateur 130 est alimenté en énergie par le même module d'alimentation 111 et sa fermeture est commandée par le module de contrôle 112. Un écrêteur de tension 121 est placé en parallèle du fusible 120, avec lequel il partage ses bornes. Le commutateur statique 110 peut comporter une fonction « failsafe » intégrée, sous la forme d'un fusible. Celui-ci est alors dimensionné pour 10 protéger le câblage amont et/ou aval. Mais la fonction électronique (charge positionnée entre les bornes 103 et 104) est de plus isolée, en cas de défaillance, par le fusible 120. L'ouverture de celui-ci, qui interrompt la polarisation de la borne 103 est commandée par le module de contrôle 112, qui agit sur le commutateur 130, qui agit à son 15 tour sur le fusible 120. Le fusible 120 est dimensionné en fonction du calibre du courant contrôlé par la fonction électronique à protéger (ou alimentant la charge placée entre les bornes 103 et 104). On choisit un commutateur 130 disposant d'une limite d'énergie traversante 20 (notée ft) supérieure à celle du fusible. Cela est rendu possible, tout en n'augmentant pas la taille et les autres caractéristiques du commutateur 130, par l'utilisation de la technologie SiC. L'ouverture du fusible 120 est protégée par l'écrêteur (ou limiteur) de tension 121, qui peut être inclus dans un snubber, et être par exemple un 25 MOV (varistance) ou un transzorb. Cet écrêteur est destiné à empêcher la formation d'un arc électrique et il est calibré à une tension supérieure à la tension maximale transitoire attendue pour le circuit, notamment dans le cas d'un réseau en tension continue. Le fusible peut être conçu sous la forme d'une piste ou d'un fil de cuivre immergé dans un volume de gel polysiloxane (silicone faiblement carboné). L'encapsulant silicone qui présente un très fort coefficient de dilatation thermique, une très faible conductivité thermique et une très haute tenue diélectrique, pourra, lors de la montée en température du fusible, exercer une contrainte thermomécanique importante sur le fil de cuivre, accélérant ainsi sa rupture et l'ouverture du circuit. Le fil de cuivre pourra présenter une géométrie sinueuse afin d'accentuer ce phénomène. La bonne isolation thermique apportée par l'encapsulant permettra d'accentuer la montée en température du fil de cuivre, accélérant l'ouverture du fusible. Cette montée en température aura pour effet de déclencher un mécanisme de dégradation thermique du silicone qui se décomposera en silice isolante électrique et thermique. La bonne isolation électrique apportée par l'encapsulant permet de protéger l'ensemble du système contre tout accident diélectrique. Lors de la dégradation thermique du silicone, la faible proportion de composé organique de la chaîne polysiloxane permettra de limiter la formation de résidu carboné conducteur électrique, permettant ainsi de conserver le caractère isolant du matériau encapsulant. D'autres solutions matériaux pourront également être envisagées tel que, par exemple et non limitatif, des matériaux de type époxyde, polyuréthane ou polyimide. On a représenté en figure 2 un deuxième mode de réalisation de l'invention. Il reprend tous les éléments du mode de réalisation de la figure 1, mais ajoute un deuxième fusible 220 similaire au précédent, entre d'une part la connexion du premier fusible 120 avec l'écrêteur de tension 121 et le commutateur 130, et d'autre part la borne 103. Un deuxième écrêteur de tension 221 est positionné en parallèle au deuxième fusible, et assume vis-à-vis de celui-ci la même fonction que l'écrêteur 121 vis-à-vis du fusible 120. Il est, tout comme le fusible 220, précisément placé entre d'une part la connexion du premier fusible 120 avec l'écrêteur de tension 121 et le commutateur 130, et d'autre part la borne 103. Dans les circuits de ces deux modes de réalisation, les fonctions suivantes sont apportées par l'invention : la fonction électronique est isolée galvaniquement, une fois que le fusible a été ouvert, de la source de tension U. L'ouverture du fusible (ou des fusibles dans le circuit de la figure 2) est commandée de manière sûre par le module de contrôle du contacteur 10 statique. Elle se fait par la fermeture du composant SiC normalement ouvert, qui laisse passer le courant dans le fusible et dans la dérivation, au-delà de la valeur de coupure du fusible. Le fusible s'ouvre d'autant plus rapidement que le commutateur SiC laisse passer une intensité élevée. L'ouverture du fusible est sécurisée car compte tenu du caractère 15 normalement passant du commutateur SiC, il est nécessaire d'ouvrir activement celui-ci (l'inhiber) préalablement à l'activation de la fonction électronique à protéger. Grâce à l'isolation galvanique de la branche défaillante, on évite les risques d'échauffement excessif et de feu. La branche défaillante peut être 20 remplacée par un circuit similaire chargé de la redondance. Grâce à l'invention, il n'est pas besoin de dimensionner le fusible 120 ou 220 en fonction du câblage (c'est-à-dire la jauge ou diamètre du câblage, ainsi que le matériau de celui-ci), mais uniquement de la tenue en courant du commutateur statique 110. Comme le fusible est protégé lors de son 25 ouverture par un écrêteur de tension, ses dimensions peuvent être réduites. On notera de plus que le commutateur 130 assure, au moins dans le circuit de la figure 1, également une fonction de « roue libre » pour dissiper l'énergie électrique éventuellement produite par les fonctions électriques connectées entre les bornes 103 et 104, si celles-ci sont inductives. En effet, le commutateur 130 possède une diode intrinsèque ce qui permet de laisser passer un courant dans cette situation. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés mais s'étend à toutes les variantes dans le cadre de la portée des revendications. L'invention peut être mise en oeuvre dans des commutateurs électriques d'une alimentation, ou dans des organes de distribution électrique (SSPC). REVENDICATIONS1. Organe de coupure électrique comprenant un organe de commutation statique (110) et un fusible (120; 220) en série, l'organe de commutation statique comprenant un contrôleur (112), caractérisé en ce que l'organe de coupure électrique comprend de plus un commutateur (130) connecté en dérivation, l'ouverture du fusible étant provoquée par une fermeture du commutateur (130) connecté en dérivation, ladite fermeture étant commandée par le contrôleur (112) pour isoler une charge défaillante ou un court-circuit. 2. Organe de coupure selon la revendication 1, dans lequel ladite fermeture est commandée par le contrôleur (112) de l'organe de commutation statique pour isoler une charge défaillante ou un court-circuit en cas de défaillance de l'organe de commutation statique (110). 3. Organe de coupure selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le commutateur (130) en dérivation est un commutateur normalement passant. 4. Organe de coupure selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le commutateur en dérivation (130) est un commutateur à matériau grand gap. 5. Organe de coupure selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant de plus un écrêteur de tension (121 ; 221) en parallèle au fusible (120). 6. Organe de coupure selon la revendication 5, dans lequel l'écrêteur (121 ; 221) est calibré à une tension supérieure à la tension maximale transitoire. 7. Organe de coupure selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la limite d'énergie traversante du commutateur (130) en dérivation est choisie supérieure à celle du fusible (120 ; 220). 8. Organe de coupure selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le fusible (120 ; 220) en série est dimensionné en fonction du courant contrôlé par l'organe de coupure. 9. Organe de coupure selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le fusible (120 ; 220) est constitué d'un fil métallique dans un matériau isolant électrique présentant un coefficient de dilatation thermique suffisamment élevé pour exercer, en cas de fermeture du commutateur (130) connecté en dérivation, sur ledit fil de cuivre un stress favorisant sa rupture. 10.0rgane de coupure selon la revendication 9, dans lequel le fil métallique a un parcours sinueux dans le matériau isolant électrique. 11.0rgane de coupure selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel le matériau isolant électrique est un polymère polysiloxane qui empêche la formation d'un arc électrique ou en réduit la durée ou l'énergie. 12. Organe de coupure selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le fusible (120) est positionné entre l'organe de commutation statique et une dérivation sur laquelle le commutateur (130) en dérivation est positionné. 13.0rgane de coupure selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel une dérivation sur laquelle le commutateur (130) en dérivation est positionnée entre le fusible (220) et l'organe de commutation statique (110). 14. Organe de coupure selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel l'organe de commutation statique (110) est un contacteur. 15.0rgane de coupure selon l'une des revendications 1 à 14, comprenant deux fusibles (120, 220) en série, l'un isolant le commutateur (130) en dérivation vis-à-vis de l'amont du circuit électrique, et l'autre de l'aval du circuit électrique, l'ouverture de chacun des deux fusibles étant provoquée par une fermeture du commutateur (130) connecté en dérivation, ladite fermeture étant commandée par le contrôleur (112) de l'organe de commutation statique.