Brevet FR3013525A1 — publié le 20150522

Dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur pour un aéronef La présente invention concerne d'une manière générale des dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur (SSPC) destinés à des aéronefs. Plus particulièrement, la présente invention porte sur un dispositif perfectionné pour protéger des dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur du type qui est utilisé dans un aéronef. Des dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur sont connus pour une utilisation dans différents systèmes d'alimentation d'aéronefs [1 - 6]. Toutefois, des directives récentes dans le domaine de l'industrie et de la certification ont souligné la nécessité que tous les SSPC de ce type devraient comporter un mécanisme d'isolation secondaire à sécurité intégrée pour le cas d'une défaillance de l'élément de commutation primaire prévu dans ces dispositifs, typiquement un transistor à effet de champ (FET). Une approche pour fournir un mécanisme d'isolation secondaire à sécurité intégrée de ce type consiste à utiliser un dispositif à cellule FET pour contrôler l'écoulement du courant pendant le fonctionnement normal et pour limiter le courant dans des conditions de défaillance. Un dispositif à cellule FET de ce type est représenté dans la figure 1. Dans le dispositif à cellule FET de la figure 1, une ligne d'entrée de puissance 12 est connectée au drain d'un FET 10. La source du FET 10 est connectée à une résistance de détection de valeur faible 40, à une première extrémité de celle-ci et une première borne d'entrée d'un amplificateur opérationnel 30. Une deuxième borne d'entrée de l'amplificateur opérationnel 30 est connectée à une deuxième extrémité de la résistance de détection 40, de manière à ce que l'amplificateur opérationnel 30 puisse fournir un signal à une sortie, qui indique des variations de tension à travers la résistance de détection 40 induite par un courant circulant à travers le FET 10. La deuxième extrémité de la résistance de détection 40 est également connectée en série à une ligne de sortie de puissance 60 par l'intermédiaire d'un fusible 50. La ligne de sortie de puissance 60 peut être utilisée dans un aéronef pour entraîner différentes charges électriques qui y sont connectées. La sortie de l'amplificateur opérationnel 30 est connectée à une unité de commande 20, et l'unité de commande 20 est en outre connectée à la grille du FET 10. L'unité de commande 20 peut agir pour mettre le FET 10 en circuit et hors circuit. Le dispositif à cellule FET constitue ainsi un système interne de mesure de courant utilisé dans une boucle de commande pour réguler le courant prélevé sur la ligne d'entrée de puissance 12 par les charges connectées à la ligne de sortie de puissance 60, pendant le fonctionnement normal. Dans le cas où le FET 10 ne parvient pas à établir un court-circuit entre la source et le drain, ou la boucle de commande ne parvient pas à permettre de manière efficace cette opération, le courant prélevé par les charges peut augmenter au-delà du courant nominal pour le fusible 50 et provoquer sa rupture. Ainsi, le dispositif à cellule FET constitue également le mécanisme d'isolation secondaire à sécurité intégrée souhaité. Bien que le dispositif à cellule FET classique connu, qui a été décrit ci-dessus, offre une solution appropriée pour les exigences actuelles dans l'industrie et la certification, tous les perfectionnements seraient les bienvenus dans l'état de la technique. Par conséquent, différents aspects et modes de réalisation de la présente invention ont été mis au point par l'inventeur. Conformément à un premier aspect de la présente invention, il est ainsi prévu un dispositif de contrôle de puissance à semiconducteur pour un aéronef, comprenant un appareil de commutation à semi-conducteur pour activer un bus d'alimentation électrique, une unité de commande pour commander l'appareil de commutation à semi-conducteur, et un circuit de détection de courant et de protection pour surveiller le courant circulant dans le bus d'alimentation électrique. Le circuit de détection de courant comporte également un nouveau fusible de détection qui combine les fonctions à la fois d'une résistance de détection et d'un fusible dans un seul composant. En utilisant un fusible de détection de ce type, on réduit aussi bien le nombre de composants que le rayonnement de chaleur dans un dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur, ce qui donne un meilleur rendement électrique, une plus grande fiabilité de fonctionnement et une réduction du poids et du volume. Divers avantages supplémentaires se présenteront à l'esprit de l'homme du métier à l'étude détaillée des différents modes de réalisation de la présente invention qui sont décrits ci-après. Quelques aspects et modes de réalisation de la présente invention seront maintenant décrits en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur classique, utilisant un dispositif à cellule FET, - la figure 2 représente un dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur conforme à différents modes de réalisation de la présente invention, - la figure 3 est une vue détaillée d'un système de contrôle de puissance à semi-conducteur d'aéronef, conforme aux modes de réalisation de la présente invention, et - la figure 4 représente un fusible de détection pour une utilisation dans différents modes de réalisation de la présente invention. La figure 2 montre un dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur 100 conforme à différents modes de réalisation de la présente invention. Le dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur 100 est de type à cellule FET et comprend une ligne d'entrée de puissance 112 connectée en série à un FET 110, à un circuit de détection de courant et de protection 150 puis à un bus de sortie de puissance 160. Le bus de sortie de puissance 160 peut être utilisé dans un aéronef pour entraîner différentes charges électriques qui y sont connectées. Le FET 110 est commandé par une unité de commande 120 qui dérive un signal de détection de courant du circuit de détection de courant et de protection 150, et peut être utilisé pour activer le bus de sortie de puissance 160. Le circuit de détection de courant et de protection 150 comprend un fusible de détection 140 et un amplificateur de capteur 130. La ligne d'entrée de puissance 112 est connectée à une borne source du FET 110. Une borne drain du FET 110 est connectée à une première borne d'entrée de l'amplificateur de capteur 130 et à une première borne 141a du fusible de détection 140. Le fusible de détection 140 est connecté en série entre la borne source du FET 110 et le bus de sortie de puissance 160. Une deuxième borne d'entrée de l'amplificateur de capteur 130 est connectée à la fois au bus de sortie de puissance 160 et à une deuxième borne 141b du fusible de détection 140. Un signal de sortie de l'amplificateur de capteur 130 est transmis à l'unité de commande 120 en tant que signal de détection de courant. L'unité de commande 120 peut ensuite être activée pour commander le FET 110 en appliquant un signal de tension à une grille du FET 110, en réponse à ce signal de détection de courant. Par exemple, l'unité de commande 120 peut être activée pour mettre le FET 110 en circuit et hors circuit. Dans une plage de courant de fonctionnement normale, le fusible de détection 140 présente une résistance sensiblement constante qui lui permet d'agir comme un capteur. La tension aux bornes du fusible de détection 140, qui est produite par un courant traversant le FET 10 en direction des charges, est amplifiée par l'amplificateur de capteur 130 et est sensiblement proportionnelle au courant. Toutefois, dans le cas où le fusible de détection 140 est activé à l'extérieur de la gamme de courant de fonctionnement normale, il se comporte comme un fusible plutôt que comme un capteur. Un courant excessif provoque la rupture du fusible de détection 140, par exemple par déclenchement ou chauffage ohmique. Il est possible de prévoir différents types de fusibles, par exemple celui décrit ci-après en relation avec la figure 4. Toutefois, ils présentent tous des réponses en courant non linéaires spécialement adaptées qui permettent à un seul dispositif d'agir à la fois comme un capteur résistif et comme un fusible, en fonction du courant qu'ils transportent. Par exemple, il est possible de prévoir un fusible de détection qui présente une résistance sensiblement stable jusqu'à une température de fonctionnement d'environ 100 °C. Un fusible de ce type est conçu de manière à ce que, en cas de rupture, les fragments soient retenus à l'intérieur. La figure 3 est une vue détaillée d'un système de contrôle de puissance à semi-conducteur 300 d'aéronef conforme à un mode de réalisation de la présente invention. Ce système de contrôle de puissance à semi-conducteur 300 d'aéronef comprend une pluralité de dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur 100 du type représenté dans la figure 2, connectés en parallèle. Dans le mode de réalisation de la figure 3, seize de ces dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur 100 sont prévus, mais l'homme du métier comprendra aisément que ce nombre n'est nullement limitatif. Le fait de connecter les dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur 100 en parallèle permet d'obtenir des niveaux de courant plus élevés. Chaque dispositif de contrôle de puissance à semi- conducteur 100 comprend une paire respective de lignes de détection 152 qui sont connectées aux bornes d'un fusible de détection 140 respectif et à des amplificateurs de capteur 130 associés. Les unités de commande 120 respectives comprennent un circuit 200 respectif de commande de FET et de limitation de courant (également connu sous la désignation de cellule de commande de FET) et une résistance de grille 122 couplée aux grilles des FET 110 respectifs. La ligne d'entrée de puissance 112 est reliée à la terre par l'intermédiaire d'un circuit de suppression de phénomènes transitoires 302. Le bus de sortie de puissance 160 est relié électriquement à la terre par l'intermédiaire à la fois d'une diode à effet de volant 304 et d'un élément de rappel à la masse passif 306. Une diode à polarisation inverse 308 est prévue en parallèle entre la grille et le drain d'au moins un des FET 110, de manière à créer une protection contre un retour de champ électromagnétique pour celui- ci. Une unité d'alimentation électrique 310 est prévue dans le système de contrôle de puissance à semi-conducteur 300. Une arrivée de courant alternatif à 28 volts alimente un transformateur dans l'unité d'alimentation électrique 310 qui peut être autorisé à fonctionner par des première et deuxième lignes de validation de SSPC 314, 416. Une alimentation de 20 volts est produite sur une ligne de sortie 318 de l'unité d'alimentation électrique 310 et est utilisée pour alimenter en courant les cellules de commande FET 200 et un convertisseur abaisseur de tension 320 local utilisé pour produire une tension locale de 3,3 volts. Un processeur 322 est prévu pour gérer les réglages du système de contrôle de puissance à semi-conducteur 300 d'aéronef, ainsi que pour surveiller le fonctionnement de celui-ci. Des communications externes vers et depuis le processeur sont assurées par des premier et deuxième bus de communication RS485 324 et 326, ainsi que par l'intermédiaire d'un bus d'adresse de configuration 328. D'autres modes de réalisation peuvent utiliser des bus de communication autres que des RS485. Le processeur 322 commande un convertisseur numérique- analogique 334 utilisé pour régler les limites de courant de cellules de commande FET 200 respectives. Une unité de commande 336 est également connectée au processeur 322 et est utilisée pour régler l'état MARCHE/ARRET de chaque dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur 100 respectif. Chaque cellule de commande FET 200 est connectée à une unité de surveillance de courant 338. Cette unité 338 est configurée pour produire un signal qui est renvoyé au processeur 322 qui est ensuite utilisé pour surveiller le courant global du système de contrôle de puissance à semi-conducteur 300 de l'aéronef. Une unité de surveillance de tension 342 est également prévue et couplée entre la ligne d'entrée de puissance 112 et le bus de sortie de puissance électrique 160. L'unité de surveillance de tension 342 est en outre configurée pour produire différents signaux qui sont renvoyés au processeur 322 pour être utilisés comme entrées pour l'algorithme de commande utilisé dans celui-ci. D'autre part, la surveillance des cellules de commande FET 200 est effectuée par un détecteur de défaut d'arc (AF) 340 et un détecteur de régénération 344. Le détecteur de régénération 344 peut être activé pour détecter un courant régénératif lorsque le courant est inversé et circule de la sortie vers l'entrée. Un circuit de rappel à la masse et BIT 346 connecte le processeur 322 au bus de sortie de puissance électrique 160. Le composant du circuit de rappel à la masse garantit que la tension de sortie est maintenue à un niveau raisonnable lorsque les commutateurs FET 110 sont hors circuit. Le composant du circuit BIT présente une fonction de test intégré (built-in-test) qui garantit que chaque FET 110 individuel travaille de la manière prévue. La figure 4 représente un fusible de détection 140 destiné à être utilisé dans différents modes de réalisation de la présente invention. Le fusible de détection 140 comprend une première et une deuxième borne 141a, 141b pour connecter le fusible de détection 140 à un circuit externe. Dans différents modes de réalisation, il est possible de prévoir un fusible de détection 140 qui comporte une résistance allant par exemple d'environ 3 à environ 5 milliohms (me), avec une tolérance de 2 % ou mieux, dans une plage de températures de fonctionnement allant jusqu'à environ 100 °C. Dans le mode de réalisation illustré, les première et deuxième bornes 141a, 141b sont des éléments métalliques sensiblement en forme de coupe, du type qui est connu dans le domaine de la fabrication des fusibles. Par exemple, les éléments métalliques en forme de coupe peuvent faire partie d'un fusible à cartouche standard. Ainsi, ils peuvent également être dimensionnés pour s'adapter dans un porte-fusible standard. Les première et deuxième bornes 141a, 141b sont séparées l'une de l'autre et sont portées par un boîtier 142 cylindrique. Ce boîtier peut être réalisé en verre, en céramique ou en un matériau isolant, comme cela est connu dans le domaine de la technique. La première borne 141a du fusible de détection 140 est connectée à une première extrémité d'un fil fusible 143, au moyen d'un joint 145. Dans différents modes de réalisation, le joint 145 est un joint de brasage (réalisé par exemple par chauffage au-delà de 270 °C) formé entre la première borne 141a et le fil fusible 143. En variante, le joint 145 peut être formé par brasage à haute température de la première borne 141a et le fil fusible 143. Par exemple, il est possible de réaliser un brasage utilisant des brasures haute température, telles que de l'or (Au), de l'or-étain (Au-Sn), de l'or-silicium (AuSi) et de l'or-germanium (AuGe). Une deuxième extrémité du fil fusible 143 est connectée à la deuxième borne 141b du fusible de détection 140, au moyen d'un autre joint 144. Le joint 144 est de préférence formé en utilisant une brasure basse température. Par exemple, on peut utiliser une brasure basse température ayant un point de fusion allant d'environ 50 °C à environ 150 °C. Des exemples de telles brasures basse température peuvent comprendre des alliages contenant de l'indium et contenant du bismuth, tels que bismuth-étain (BiSn) prévu en différentes proportions. Le fusible de détection 140 constitue ainsi un élément à fusion à deux composants. Un élément exerce sensiblement la totalité de l'action de fusible thermique (par exemple le joint de brasure 144) et l'autre élément assure sensiblement la totalité de la résistance dans la gamme de courant de fonctionnement normale (par exemple le fil fusible 143). Lorsque les éléments et les matériaux dans lesquels ils sont réalisés sont choisis avec soin, on obtient la réponse en courant non linéaire souhaitée. Dans différents modes de réalisation, le fil fusible 143 comporte un matériau à point de fusion élevé, tel que du cuivre ou un alliage de cuivre. Un fil fusible de ce type présente des variations de température relativement faibles lors de son fonctionnement dans une gamme de courant relativement basse, comparée à la valeur nominale. Par exemple, lorsque le fil fusible 143 est utilisé à 10 % de son courant nominal, son chauffage ohmique ne modifie pas la résistance du fusible de détection 140 de manière suffisamment significative pour influencer sa performance en tant qu'élément de détection. De plus, le fil fusible a un point de fusion élevé (par exemple le cuivre fond à environ 1 085 °C). Par conséquent, lorsqu'il est utilisé en dehors de sa plage de fonctionnement normale (par exemple en dehors de 0 à 10 % de la valeur nominale), le fil fusible 143 va chauffer mais pas de façon suffisamment proche de sa propre température de fusion, tandis que la brasure va fondre à une température bien définie et nettement inférieure, pour exercer une action de fusion et ouvrir un circuit. Ainsi, différents modes de réalisation de fusibles de détection peuvent être prévus, qui combinent les fonctions d'une résistance de détection et d'un fusible dans un seul composant monobloc, tout en réduisant en même temps la chaleur dissipée produite, comparé à des dispositifs classiques qui utilisent à la fois une résistance de détection et un fusible séparé. L'homme du métier comprendra aisément que de nombreux modes de réalisation différents de dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur sont possibles. Par exemple, bien que des modes de réalisation de la présente invention soient décrits en relation avec des cellules de commande FET, l'homme du métier comprendra que l'invention n'est pas limitée à ces exemples et que différents dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur à base d'éléments non FET peuvent être envisagés. L'homme du métier comprendra également que différents modes de réalisation de systèmes d'alimentation électrique et/ou de contrôle de puissance à semi-conducteur peuvent être mis en oeuvre, qui utilisent des dispositifs de contrôle de puissance à semiconducteur de ce type. De plus, bien que des modes de réalisation spécifiques d'un fusible de détection aient été décrits en relation avec la figure 4, différents fusibles de détection de ce type viendront à l'esprit de l'homme du métier à la lecture du présent exposé. Par exemple, une partie du fil fusible peut être reliée à chacune des première et deuxième bornes par des joints respectifs à haute température, ses extrémités distales étant reliées par un troisième joint, à basse température, réalisé à un emplacement situé entre la première et la deuxième borne. D'autres agencements du fil de détection sont également possibles. REVENDICATIONS1. Dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur pour un aéronef, comprenant : un appareil de commutation à semi-conducteur pour activer un bus d'alimentation électrique; une unité de commande pour commander l'appareil de commutation à semi-conducteur; et un circuit de détection de courant et de protection pour surveiller le courant circulant dans le bus d'alimentation électrique, le circuit de détection de courant comportant un fusible de détection. 2. Dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de détection de courant et de protection comprend en outre un amplificateur de capteur pour fournir un signal de détection à l'unité de commande. 3. Dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fusible de détection comprend un élément formant fil fusible qui est connecté électriquement et thermiquement à un joint de brasage. 4. Dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément formant fil fusible est constitué de cuivre ou d'un alliage de cuivre. 5. Dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le joint de brasage est constitué d'une brasure basse température ayant un point de fusion compris entre environ 50 °C et environ 150 °C. 6. Système de contrôle de puissance à semi-conducteur d'aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs de contrôle de puissance à semi-conducteur tels que définis dans l'une quelconque des revendications précédentes parallèles. 7. Procédé de commande d'un dispositif de contrôle de puissance à semi-conducteur dans un aéronef, le procédé comprenant : l'activation d'un appareil de commutation à semi-conducteur pour fournir du courant à un bus d'alimentation électrique; la surveillance du courant circulant dans le bus d'alimentation électrique, en déterminant une tension développée aux bornes d'un fusible de détection; et la commande de l'appareil de commutation à semi- conducteur en fonction de la tension surveillée. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la commande de l'appareil de commutation à semi-conducteur en fonction de la tension surveillée comprend le maintien d'un courant circulant a travers le fusible de détection, dans une gamme de courant de fonctionnement normale prédéterminée.