Brevet FR3068528A1 — publié le 20190104

PROCEDE DE PROTECTION DES COMPOSANTS D'UN MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE D'UN SYSTEME A ALTERNO-DEMARREUR ET SYSTEME METTANT EN OEUVRE CE PROCEDE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de protection des composants d'un module électronique de puissance d'un système à alterno-démarreur. L'invention concerne également un système mettant en oeuvre ce procédé. L'invention trouve des applications dans le domaine des machines électriques tournantes pour véhicules automobiles et, en particulier, dans le domaine des machines électriques réversibles pouvant fonctionner en mode alternateur et en mode moteur. ETAT DE LA TECHNIQUE De nos jours, pour des considérations économiques et écologiques, les constructeurs automobiles cherchent à équiper leurs véhicules d'un système de 15 démarrage/ arrêt automatique, connu sous le terme anglo-saxon de « Stop and Go ». Ce procédé de « Stop and Go » est généralement mis en oeuvre sur une machine électrique réversible, ou alterno-démarreur, couplée au moteur thermique. L'utilisation d'un alterno-démarreur dans un procédé « Stop and Go » consiste, sous certaines conditions, à provoquer l'arrêt complet du moteur thermique lorsque le 20 véhicule est lui-même à l'arrêt, puis à redémarrer le moteur thermique à la suite, par exemple, d'une action du conducteur traduisant sa volonté de redémarrer le véhicule. Pour ce faire, le système « Stop and Go » utilise des informations représentatives de l'état de fonctionnement du véhicule, informations provenant de capteurs du véhicule, tels que les capteurs de détection de la position de la pédale d'embrayage, ou les 25 informations lues sur un bus de communication de données, comme la vitesse du véhicule ou la vitesse de rotation du moteur. Toutefois une succession de redémarrages peut conduire à une surchauffe de l'alterno-démarreur au-delà des limites thermiques de l'électronique de puissance. En effet, bien que la phase de redémarrage ait une durée très courte, elle nécessite une 30 puissance élevée et donc le passage d'un courant élevé - pouvant atteindre 600 à 2 1000 A - dans les composants du module électronique de puissance et, en particulier, dans les transistors MOSFET qui assurent le pilotage du courant dans le stator de l'alterno-démarreur. Or, les composants électroniques de puissance sont qualifiés pour atteindre une température limite, par exemple une température de 5 l'ordre de 200°C pour un transistor MOSFET. Une alternative à la limitation du courant d'excitation est la protection des composants électroniques de puissance par coupure d'alimentation électrique - et donc arrêt du démarrage - dès que la température d'au moins un des composants atteint un seuil prédéfini. Cette protection nécessite de déterminer précisément la 10 température des composants électroniques de puissance et, en particulier, la température des transistors MOSFET. Pour cela, il pourrait être envisagé de remplacer les composants électroniques de puissance classiques par des composants intelligents équipés de capteurs. Toutefois, de tels composants intelligents sont couteux. Une telle solution serait donc non seulement couteuse, mais également encombrante, compte tenu du fait qu'elle nécessiterait de nombreuses connexions et composants supplémentaires pour traiter la mesure. RESUME DE L'INVENTION Pour répondre au problème évoqué ci-dessus du risque de surchauffe des composants électroniques de puissance lors du démarrage du véhicule, le demandeur propose un procédé de protection des composants dans lequel la température des composants est estimée et comparée à une température seuil de sorte que, dès que la température estimée dépasse la température seuil, le système à alterno-démarreur s'arrête de sorte que, en mode démarreur, le démarrage du véhicule est arrêté et que, en mode alternateur, le système cesse de générer de l'électricité. Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de protection des composants d'un module électronique de puissance d'un système à alternodémarreur pour véhicule, ledit système à alterno-démarreur comportant un module de commande adapté à commander le module électronique de puissance. Ce procédé se caractérise par le fait que le courant d'alimentation du module 3 électronique de puissance est coupé lorsqu'une température Tjonction d'au moins un des composants dudit module électronique de puissance est déterminée comme supérieure à une valeur prédéfinie de température seuil, ladite température de composant étant déterminée par estimation à partir de la formule : 5 Tjonction = Tleadframe +.%1T, OÙ Tleadframe est la température du substrat sur lequel est monté ledit composant électronique de puissance et LIT est une variation de température induite dans le composant électronique de puissance par le passage du courant dans ledit composant pendant la phase de démarrage. 10 Ce procédé a pour avantage de protéger les composants électroniques de puissance de toute surchauffe résultant d'une augmentation de puissance dans l'alterno-démarreur pendant une phase de démarrage - ou redémarrage - du véhicule ou pendant une phase d'assistance au couple, sans augmenter le coût de fabrication dudit alterno-démarreur. 15 De façon avantageuse, lorsque la température Tjonction des composants du module électronique de puissance est déterminée comme inférieure ou égale à la valeur de température seuil, le courant d'alimentation du module électronique de puissance est coupé si la variation de température AT atteint une valeur d'élévation seuil. De cette façon, les composants électroniques de puissance sont protégés non 20 seulement en cas de température élevée mais également en cas de forte élévation en température. Selon certains modes de réalisation, la température du substrat est estimée à partir de la formule : TLeadFrame =Tchip + Th_gain où Tchip est la température du module de commande, TStator est la température 25 d'un stator de l'alterno-démarreur et Th gain est un paramètre prédéfini relatif au gain liant la température du stator et la température du module de commande. Ce mode de réalisation permet de déterminer la température du substrat sans induire aucune augmentation des coûts de fabrication de l'alterno-démarreur. (TStator -Tchip) Selon d'autres modes de réalisation, la température du substrat Tleadframe 30 est mesurée au moyen d'un capteur positionné sur le substrat. 4 Dans certaines variantes, la température du module de commande et la température du stator sont mesurées par capteurs. Dans certains modes de réalisation, la variation .61T de température est déterminée en fonction d'au moins une vitesse de rotation de l'alterno-démarreur, de 5 la température du module de commande et d'un courant circulant dans le module électronique de puissance. Cette variation de température a l'avantage de pouvoir être calculée à partir de données mesurées ou de données approximées par des valeurs mesurées au sein de l'alterno-démarreur. La variation .617' de température peut être déterminée à partir de la formule 10 discrétisée : AT02) = K1(Speed,Tchip,Idc)- K2 (A1, ) ATo, où K est un paramètre déterminé en fonction de pertes induites par le courant dans le composant électronique de puissance et d'une capacité thermique, K1 étant déterminé au pas n, K2 étant déterminé au pas n-1. 15 Selon certaines variantes, le courant circulant dans le module électronique de puissance est estimé en fonction d'une valeur mesurée du courant reçu en entrée de l'alterno-démarreur. 1. Selon certaines autres variantes, le courant circulant dans le module électronique de puissance est mesuré sur chaque phase du système à alterna-20 démarreur. Selon un second aspect, l'invention concerne un système à alterno-démarreur pour véhicule, comportant un ensemble rotor/stator, un module électronique de puissance et un module de commande, caractérisé en ce que le module de commande met en oeuvre le procédé énoncé ci-dessus. 25 Avantageusement, le module de commande comporte un circuit intégré apte à déterminer au moins l'estimation de la température de composant. Selon certains modes de réalisation, le module électronique de puissance comporte une pluralité de transistors MOSFET, protégés d'une surchauffe induite par la circulation du courant lorsque l'alterno-démarreur est en phase de démarrage ou 30 en phase d'assistance au couple. 5 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures dans lesquelles : - La figure 1 représente un diagramme fonctionnel d'un système à alterno- 5 démarreur selon la présente invention ; - La figure 2 représente des exemples schématiques de courbes de températures estimées d'un transistor MOSFET du module de puissance de l'alterno-démarreur de la figure 1 ; et - La figure 3 représente un organigramme d'un mode de réalisation du procédé 10 selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION Un exemple d'un système à alterno-démarreur dans lequel le procédé de protection des composants électroniques de puissance selon l'invention est mis en oeuvre est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple 15 illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées. 20 Le système à alterno-démarreur de l'invention, dont un diagramme fonctionnel est représenté sur la figure 1, est une machine électrique tournante polyphasée, réversible, alimentée par le réseau électrique de bord du véhicule quand elle fonctionne en démarreur et fournissant de l'énergie électrique à ce réseau quand elle fonctionne en alternateur. 25 Cette machine électrique tournante comporte un rotor 10 solidaire d'un arbre de rotation, un stator 20 monté autour du rotor et un carter portant le stator. Le carter comporte un palier avant et un palier arrière positionnés chacun à une extrémité du stator pour supporter et guider l'arbre de rotation. Le stator comporte, sur son pourtour interne - en regard du rotor - des 30 encoches ouvertes recevant des enroulements de phase. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle et dont les sorties 6 sont reliées à un module électronique de puissance 30. Ce module électronique de puissance 30, appelé simplement module de puissance, comporte une pluralité de composants électroniques de puissance et, en particulier, des transistors de puissance connectés de façon à former des interrupteurs de commande du stator. 5 Chacun de ces transistors de puissance est piloté par l'intermédiaire d'un module de commande 40 comportant une pluralité de composants de commande dont un microcontrôleur dont le rôle sera décrit par la suite. Ainsi, comme représenté sur la figure 1, le système à alterno-démarreur selon l'invention comporte un module de commande 40, un module de puissance 30 et une 10 batterie 50. La batterie 50 est connectée d'une part au module de puissance 30 et d'autre part au module de commande 40. Le module de commande 40 est connecté, de plus, directement au module de puissance 30. Le module de puissance 30 est adapté pour piloter le courant dans le stator 20. Le module de commande 40 comporte un circuit d'excitation 45 du rotor adapté pour piloter le courant dans le 15 rotor. Le module de commande 40 est connecté également à au moins un capteur de position 12, prévu pour détecter la position d'une cible 11 liée au rotor 10, ainsi qu'à une unité de contrôle moteur 60, prévue pour transmettre des informations relatives au fonctionnement du véhicule, telles que des informations issues de divers capteurs. 20 Le système à alterno-démarreur de la figure 1 met en oeuvre un procédé de protection des composants de puissance du module de puissance 30 pendant la phase de démarrage, ou de redémarrage, ou pendant la phase d'assistance au couple. Dans la suite de la description, le procédé sera décrit dans son application au démarrage du véhicule, étant entendu qu'il peut être appliqué également à la 25 phase d'assistance au couple. Quelle que soit l'application, chacun de ces composants de puissance, par exemple des transistors de puissance du type transistors MOSFET, est qualifié jusqu'à une valeur de température seuil VTS prédéfinie par les fabricants des composants. Cette valeur de température seuil VTS peut être de l'ordre de 200°C pour des transistors MOSFET. Le dépassement de 30 cette valeur de température seuil VTS peut entraîner des dommages des composants de puissance, et donc du module de puissance et, plus généralement, une diminution sensible de la durée de vie dudit module de puissance. 7 Il est donc important, pour protéger les composants de puissance, de déterminer la température de chacun des composants de puissance du module de puissance lors d'une phase de démarrage du véhicule. Le procédé de l'invention propose d'estimer la température de ces composants de puissance et, en fonction de 5 cette estimation, de déterminer si la température estimée des composants de puissance ne dépasse pas la valeur de température seuil VTS. La température d'un composant de puissance est déterminée à partir de la formule suivante : Tjonction= Tleadframe +zIT (E1) 10 dans laquelle Tjonction est la température du composant de puissance que l'on cherche à estimer, Tleadframe est la température du substrat sur lequel est monté ledit composant de puissance et .61T est une variation de température induite dans le composant de puissance par le passage du courant dans ledit composant pendant la phase de démarrage. 15 Selon certains modes de réalisation, la température du substrat Tleadframe est mesurée par un capteur positionné sur le substrat sur lequel est monté le composant de puissance. Selon d'autres modes de réalisation, la température du substrat Tleadframe est déterminée également par estimation. Cette température du substrat est estimée au 20 moyen de la formule suivante : Tleadframe =Tchip + (TStator-TChip) Th_gain dans laquelle Tchip est la température du module de commande 40, TStator est la température du stator 20 de l'alterno-démarreur et Th gain est un paramètre prédéfini relatif au gain liant la température du stator 20 et la température du module de 25 commande 40. Ce paramètre Th_gain est constant ; il est défini préalablement à la mise en fonctionnement de l'alterno-démarreur, lors d'essais thermiques. La température Tchip du module de commande 40 est déterminée par un capteur 42 positionné sur la carte imprimée supportant le module de commande 40. La température du stator TStator est déterminée par un capteur 22 positionné en 30 sortie de phase du stator. La température du module de commande Tchip est une température de l'environnement des composants de puissance, c'est-à-dire une température ambiante relativement stable. Au contraire, la température du stator (E2) 8 TStator est une température fortement variable qui évolue en fonction du courant circulant dans le stator. Ainsi, selon le procédé de l'invention, la température du substrat Tleadframe est estimée comme étant la température du module de commande ajustée en fonction de la température du stator. 5 Dans la formule El, la température du composant de puissance Tjonction est dépendante de la variation de température Jr Cette variation de température Li Test l'élévation/diminution de la température dans le composant de puissance lorsque le courant traverse ledit composant de puissance pendant la phase de démarrage. Cette variation de température est directement dépendante de la conductance 10 thermique du composant de puissance et des pertes induites par le courant dans ledit composant de puissance, d'après la relation suivante : Cai cILIT/dt = PMOSFET - GthLIT (E3) où Cti, est la capacité thermique, Gai est la conductance thermique et P - MOSFET sont les pertes induites par le courant dans le composant de puissance. 15 En utilisant la transformation d'Euler, l'équation E3 peut être discrétisée avec une période d'échantillonnage Te de sorte à obtenir l'équation : Cai (zIT(n)- LIT(n-1))/Te = PMOSFET - GthLIT(n) (E4) qui, après simplification, peut devenir : A7'02) - Ki(Speed,Tchip,Idc)- K2 (ATo, 1)) + ATo, 1) (E5) 20 avec : - K1=1-Tei'm0sFET (Speed,Tchip, IDc)]/ Ctii, et - K2= [Te.K(z1 T)7/ Cai D'après l'équation E5, A102) peut être déterminé dès lors que la vitesse Speed 25 du rotor, la température T chip du module de commande et la valeur du courant parcourant le composant de puissance sont connus. Or, le courant circulant dans le composant de puissance peut être estimé comme approximativement égal au courant Idc entrant (ou sortant) du stator. Ce courant Idc peut être mesuré dans le module de commande 40, au moyen par exemple d'un capteur à effet hall ou d'un 30 shunt. La vitesse Speed peut être déterminée par le module de commande 40 en 9 fonction des données mesurées par le capteur de position 12. Et la température Tchip du module de commande peut être mesurée, comme décrit précédemment, par le capteur 42 positionné sur la carte imprimée supportant le module de commande 40. 5 Dès lors que la variation de température .61Test déterminée, et quel que soit le mode de réalisation choisit pour déterminer la température du substrat Tleadframe (mesure par capteur ou estimation par la formule E2), la température du composant de puissance Tjonction peut être estimée via l'équation El. Selon le procédé de protection de l'invention, la température estimée du composant de puissance 10 Tjonction est comparée à une valeur VTS de température seuil prédéfinie. Si la température estimée du composant de puissance est inférieure ou égale à la valeur de température seuil, alors l'opération de démarrage est poursuivie. Au contraire, si, pendant la phase de démarrage, la température estimée du composant de puissance est supérieure à la valeur de température seuil, alors le courant d'alimentation du 15 module de puissance est coupé de sorte à arrêter ladite phase de démarrage. En coupant ainsi l'alimentation électrique du module de puissance, les composants de puissance dudit module sont protégés d'une surchauffe durant la phase de démarrage. En outre, le fait de couper l'alimentation à l'instant où la température estimée d'au moins un des composants de puissance dépasse la valeur 20 de température seuil VTS permet de préserver une puissance de démarrage maximale le plus longtemps possible de sorte à favoriser le démarrage tout en évitant une surchauffe du/des composant(s) de puissance. Des exemples de températures estimées d'un transistor MOSFET sont représentés de façon schématique sur la figure 2. La courbe Cl représente un 25 exemple de température estimée lorsque le courant circulant dans le transistor MOSFET est d'environ 300A. La courbe C2 représente un exemple de température estimée lorsque le courant circulant dans le transistor MOSFET est d'environ 600A. Ces courbes Cl et C2 montrent une phase de démarrage pendant environ 150 ms puis une phase de veille pendant les environs 250 ms suivantes, la phase de veille 30 intervenant après une coupure du courant d'alimentation à l'instant tl . Comme le montre les courbes Cl et C2, dans l'exemple de la figure 2, la valeur de température seuil VTS1 est d'environ 200°C pour la courbe Cl et la valeur de température seuil VTS2 est d'environ 240°C pour la courbe C2. 10 Selon certains modes de réalisation, le procédé de protection peut comporter une opération supplémentaire dans laquelle la variation de température .61T est comparée à une valeur d'élévation de température maximale VES afin de protéger les composants de puissance d'une élévation en température trop importante. En 5 effet, une forte augmentation de la température d'un composant de puissance - c'est-à-dire le passage rapide d'un niveau de température à un niveau de température plus élevé - peut avoir des effets néfastes sur la brasure du composant. Des modes de réalisation du procédé de l'invention proposent, tant que l'alimentation électrique du module de puissance n'est pas coupée, de vérifier si l'élévation en 10 température du composant de puissance n'est pas supérieure à une valeur d'élévation seuil prédéfinie (par exemple de 100°C). Autrement dit, si la température estimée des composants de puissance Tjonction n'atteint pas la valeur VTS de température seuil, alors la variation de température .61T est comparée à la valeur VES d'élévation seuil. Et si l'élévation en température atteint la valeur d'élévation 15 seuil VES, alors l'alimentation électrique du module de puissance est coupée, bien que la température des composants de puissance n'atteigne pas la valeur de température seuil prédéfinie. La figure 3 représente un exemple d'un diagramme fonctionnel relatif à ces modes de réalisation. Comme montré sur la figure 3, lorsque le démarrage a 20 commencé (étape 100), la température Tjonction de chaque composant de puissance est déterminée par estimation, à l'étape 110, selon le procédé décrit précédemment. La température Tjonction de chaque composant de puissance est comparée à la valeur de température seuil VTS et si la température d'un seul (ou de plusieurs) composant de puissance dépasse la valeur de température seuil VTS 25 (étape 120), alors le démarrage de l'alterno-démarreur est arrêté. Si la température d'aucun composant de puissance ne dépasse la valeur de température seuil VTS, alors le procédé se poursuit à l'étape 130 où la variation de température .617' est comparée à la valeur d'élévation seuil VES (étape 130). Si la variation de température .61T atteint la valeur d'élévation seuil VES, alors le démarrage est arrêté 30 (étape 140). L'estimation de la température des composants de puissance du module de puissance 30 telle qu'elle vient d'être décrite est mise en oeuvre par un circuit intégré tel qu'un microcontrôleur intégré dans le module de commande 40. Ce n microcontrôleur, par exemple un ASIC, est adapté pour calculer l'estimation de la température des composants de puissance ainsi que les comparaisons entre la température estimée des composants de puissance et la valeur de température seuil VTS et entre la variation de température .61Tet la valeur d'élévation seuil VES. Dès 5 que le microcontrôleur détermine que la valeur de température seuil ou la valeur d'élévation seuil est atteinte, alors le module de commande 40 pilote les composants de puissance, en particulier les transistors de puissance, pour que le stator ne soit plus alimenté électriquement. La phase de démarrage est alors arrêtée. Un message d'information peut être émis par l'ordinateur de bord pour informer le conducteur des 10 raisons de cet arrêt de la phase de démarrage. Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le procédé de protection des composants de puissance du module de puissance d'un système à alterno-démarreur selon l'invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à 15 l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, REVENDICATIONS1. Procédé de protection des composants d'un module électronique de puissance 5 (30) d'un système à alterno-démarreur pour véhicule, ledit système à alternodémarreur comportant un module de commande (40) adapté à commander le module électronique de puissance (30), caractérisé en ce que le courant d'alimentation du module électronique de puissance (30) est coupé lorsqu' une température (Tjonction) d'au moins un des io composants dudit module électronique de puissance est déterminée comme supérieure à une valeur prédéfinie de température seuil (VTS), ladite température de composant étant déterminée par estimation à partir de la formule : Tjonction = Tleadframe +d T, où Tleadframe est la température du substrat sur lequel est monté ledit composant 15 électronique de puissance et z1T est une variation de température induite dans le composant électronique de puissance par le passage du courant dans ledit composant pendant la phase de démarrage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température 20 (Tjonction) des composants du module électronique de puissance est déterminée comme inférieure ou égale à la valeur de température seuil (VTS), le courant d'alimentation du module électronique de puissance est coupé si la variation de température zITatteint une valeur d'élévation seuil (VES). 25 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température du substrat est estimée à partir de la formule : TLeadFrame =Tchip + Th_gain où Tchip est la température du module de commande, TStator est la température d'un stator de l'alterno-démarreur et Th_gain est un paramètre prédéfini relatif au gain liant la température du stator et la température du module de commande. 30 (TStator -Tchip) 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température du 13 substrat ( Tleadframe) est mesurée au moyen d'un capteur positionné sur le substrat. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la température du module de commande et la température du stator sont mesurées par capteurs. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la variation dr de température est déterminée en fonction d'au moins une vitesse (SpeM de rotation de l'alterno-démarreur, de la température ( Tchip) du module de commande et d'un courant circulant dans le module électronique de puissance. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la variation dr de température est déterminée à partir de la formule discrétisée : AT(n) = K1(Speed,Tchip,Idc)- K2 (A7(n-1)) ± AT(n-i) où K est un paramètre déterminé en fonction de pertes induites par le courant dans le composant électronique de puissance et d'une capacité thermique, K1 étant déterminé au pas n, K2 étant déterminé au pas n-1, Idc correspondant au courant entrant ou sortant du stator. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le courant circulant dans le module électronique de puissance est estimé en fonction d'une valeur mesurée du courant (1c1c) reçu en entrée de l'alterno-démarreur. 9. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le courant circulant 25 dans le module électronique de puissance est mesuré sur chaque phase du système à alterno-démarreur. 10. Système à alterno-démarreur pour véhicule, comportant un ensemble rotor/stator (10/20), un module électronique de puissance (30) et un module de commande (40), 30 caractérisé en ce que le module de commande met en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 11. Système selon la revendication 10 , caractérisé en ce que le module de 14 commande (40) comporte un circuit intégré apte à déterminer au moins l'estimation de la température de composant. 12. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le module 5 électronique de puissance comporte une pluralité de transistors MOSFET, protégés d'une surchauffe induite par la circulation du courant lorsque l'alterno-démarreur est en phase de démarrage.