Brevet FR3078415A1 — publié le 20190830

B16708 - 17-GR2-0479 1 CIRCUIT DE COMMANDE D'INTERRUPTEURS DE PUISSANCE Domaine La présente description concerne le domaine des circuits de commande et plus particulièrement les circuits de commande d'interrupteurs de puissance connectés en parallèle. Exposé de l'art antérieur Un pont en H est une structure électronique servant à commander la polarité aux bornes d'un dipôle, constituant la charge et représentant la branche du pont. Le pont est composé de quatre éléments de commutation. Plus précisément, une première borne de la charge est couplée à une première borne d'application d'un potentiel par un premier interrupteur et à une seconde borne d'application d'un potentiel par un deuxième interrupteur. Similairement, la seconde borne du dipôle est couplée à la première borne par un troisième interrupteur et à la seconde borne par un quatrième interrupteur. Cette structure se retrouve dans de nombreuses applications de l'électronique de puissance incluant le commande des moteurs, les convertisseurs et hacheurs, les onduleurs, etc. Résumé Un mode de réalisation prévoit un circuit de commande de transistors en parallèle comprenant au moins deux étages destinés chacun à fournir un signal de commande à un des B16708 - 17-GR2-0479 2 transistors, dans lequel un courant de sortie de chaque étage est régulé selon la différence entre la somme de valeurs représentatives des courants de sortie mesurés de chaque étage et la somme de valeurs des consignes affectées à tous les étages. 5 Selon un mode de réalisation, les sorties des étages du circuit sont régulées de manière à être sensiblement identiques. Selon un mode de réalisation, chaque étage comprend un sommateur, un amplificateur opérationnel et un dispositif de mesure d'une valeur représentative de son courant de sortie. 10 Selon un mode de réalisation, un des étages comprend un correcteur recevant en entrée ladite différence. Selon un mode de réalisation, le correcteur est un correcteur proportionnel intégral. Selon un mode de réalisation, la sortie du correcteur 15 recevant ladite différence est fournie à l'amplificateur opérationnel de chaque étage, chaque amplificateur opérationnel étant adapté à réguler le courant de sortie de l'étage correspondante. Selon un mode de réalisation, le circuit de commande est 20 un circuit intégré. Selon un mode de réalisation, au moins une partie des transistors en parallèle fait partie du circuit intégré. Selon un mode de réalisation, chaque transistor fait partie d'un pont en H. Selon un mode de réalisation, des transistors de chaque pont en H sont externes au circuit intégré. Selon un mode de réalisation, les consignes des étages sont identiques. Selon un mode de réalisation, le circuit comprend entre 30 deux et six étages. Un autre mode de réalisation prévoit une puce comprenant au moins un circuit de commande tel que décrit précédemment. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 35 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de B16708 - 17-GR2-0479 3 réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 illustre, schématiquement, une charge connectée dans la branche de trois ponts en H en parallèle ; 5 la figure 2 illustre, schématiquement et partiellement, un mode de réalisation d'un circuit de commande d'un étage des ponts de la figure 1 ; la figure 3 illustre, schématiquement et partiellement, un autre mode de réalisation d'un circuit de commande d'un étage 10 des ponts de la figure 1 ; et la figure 4 illustre un exemple d'application des modes de réalisation des figures 2 et 3. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 15 références dans les différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les circuits de commande comprennent divers éléments, par exemple des circuits logiques, un microprocesseur, etc., qui 20 ne seront pas détaillés. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", 25 "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des éléments concernés dans les figures. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie que ces éléments sont directement connectés sans élément intermédiaire autre que 35 des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments B16708 - 17-GR2-0479 4 reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être directement reliés (connectés) ou reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. La figure 1 illustre, schématiquement, un dipôle 5 constituant une charge 10. La charge 10, par exemple un moteur, comprend une borne 12 et une borne 14. La charge 10 est située dans la branche de trois ponts en H en parallèle. Chaque pont en H comprend un premier (LA, 1B ou 1C) et un deuxième (2P4 2B et 2C) interrupteurs connectés en série entre 10 une première (15) et une seconde (17) bornes d'application d'une tension d'alimentation, le potentiel de la première borne 15 étant supérieur à celui de la seconde borne 17. Chaque couple de premier et deuxième interrupteurs d'un pont en H constitue un ensemble 16A, 16B ou 16C. Les trois ponts comprennent, de plus, des 15 troisième 3 et quatrième 4 interrupteurs, constituant un ensemble 16D, commun aux trois ponts. Les troisième et quatrième interrupteurs sont connectés en série entre les bornes 15 et 17. Les premiers et troisième interrupteurs sont connectés à la première borne 15 et les deuxièmes et quatrième interrupteurs sont 20 connectés à la seconde borne 17. Dans la présente description, on considère que la tension entre les bornes 15 et 17 est une tension positive référencée à la masse (borne 17). Cependant, il est par exemple possible que la tension soit une tension négative référencée à la 25 masse (borne 15). La borne 12 de la charge 10 est couplée aux points milieu des premiers et deuxièmes interrupteurs des trois ponts en H. La borne 14 de la charge 10 est couplée au point milieu des troisième 3 et quatrième 4 interrupteurs communs à tous les ponts en H en 30 parallèle. Dans l'exemple de la figure 1, chaque interrupteur de chaque ensemble 16A, 16B, 16C et 16D est un transistor. Les transistors de chaque ensemble 16A, 16B, 16C ou 16D sont respectivement commandés par un circuit 18P4 18B, 18C ou 18D. 35 Les circuits 18P4 18B, 18C comprennent chacun un étage haut 20A, B16708 - 17-GR2-0479 5 20B ou 20C fournissant en sortie un signal de commande au transistor 1A, 1B ou 1C, connecté à la borne 15, et un étage bas 22A, 22B ou 22C fournissant en sortie un signal de commande au transistor 2A, 2B ou 2C, connecté à la borne 17. De même, le 5 circuit 18D comprend un étage 20D fournissant en sortie un signal de commande au transistor 3, connecté à la borne 15, et un étage 22D fournissant en sortie un signal de commande au transistor 4, connecté à la borne 17. Une telle structure permet d'augmenter le courant fourni 10 à la charge 10 tout en minimisant la dissipation de chaleur et la résistance équivalente à l'état passant dans le commutateur. Cependant, il est préférable que les commandes des transistors ayant des fonctions similaires dans les trois ponts, par exemple les transistors 1A, 1B et 1C, soient identiques, 15 c'est-à-dire par exemple que les sorties des étages hauts 20A, 20B et 20C soient identiques. Si la différence entre deux signaux de commandes est suffisamment élevée, la limite de température ou de surintensité de courant de l'un des ponts peut être atteinte et le système peut s'arrêter alors que la limite sur l'ensemble 20 des transistors n'est pas atteinte. Une telle différence entre les signaux de commande de deux transistors est par exemple causée par des variations de certaines caractéristiques (tension de seuil, gain, capacités intrinsèques, résistance à l'état passant, température de fonctionnement, courant individuel de protection, 25 etc.) des composants du circuit de commande. La figure 2 illustre, schématiquement et partiellement, un mode de réalisation d'un circuit de commande commandant un des interrupteurs de chaque ensemble 16A, 16B et 16C. Plus précisément, la figure 2 illustre les étages hauts 20A, 20B et 30 20C des circuits 18A, 18B et 18C. Les étages bas 22A, 22B et 22C ont une structure similaire. Chaque étage haut 20A, 20B et 20C comprend une bouche de rétroaction fournissant en sortie un courant (IoutA, IoutB et IoutC) commandant l'interrupteur correspondant et recevant en B16708 - 17-GR2-0479 6 entrée une valeur de consigne (IinA, IinB, IinC) de l'étage, c'est-à-dire une valeur représentative du courant voulu en sortie. Le courant de sortie de chaque étage est mesuré par un dispositif de mesure 21A, 21B ou 21C qui fournit une valeur 5 représentative du courant de sortie. Cette valeur est ensuite soustraite, par un sommateur 23A, 23B ou 23C, à la valeur de consigne de manière à obtenir l'erreur aA, eB ou eC de l'étage. Les erreurs aA, eB et eC sont ensuite additionnées, par des sommateurs 25, de manière à obtenir une erreur totale E. Cette 10 erreur E est fournie à un correcteur de l'un des étages. Dans l'exemple de la figure 2, ce correcteur est un correcteur 24A de l'étage 20A. Le correcteur 24A est par exemple un correcteur proportionnel-intégral ou un correcteur proportionnel-intégraldérivé. 15 Chaque étage haut 20A, 20B et 20C comprend un amplificateur opérationnel qui reçoit en entrée la sortie du correcteur 24A. La sortie du correcteur 24A est donc fournie à trois amplificateurs opérationnels 26A, 26B et 26C de manière à faire varier leurs sorties, c'est-à-dire les courants IoutA, IoutB 20 et IoutC, jusqu'à ce qu'ils soient sensiblement identiques. Additionnellement, les circuits des étages hauts 20B et 20C peuvent aussi comprendre des correcteurs 24B et 24C, représentés en pointillés, pouvant être similaires au correcteur 24A. Les étages 20A, 20B et 20C peuvent aussi comprendre des 25 interrupteurs, non représentés, entre les correcteurs 24B et 24C et les sommateurs 23B et 23C et entre les étages 20B, 20C, d'une part et 20A d'autre part. Ainsi, il est possible de choisir si l'on souhaite que les étages 20A, 20B et 20C régulent leurs sorties de manière indépendante selon la sortie de leur propre correcteur 30 recevant en entrée une erreur aA, eB ou eC ou que les sorties soient régulées ensembles selon la sortie d'un unique correcteur recevant en entrée l'erreur totale E. Il est aussi possible de choisir de réguler certains étages indépendamment et d'en réguler d'autres ensemble. B16708 - 17-GR2-0479 7 La figure 3 illustre, schématiquement et partiellement, un autre mode de réalisation d'un circuit de commande. Comme la figure 2, la figure 3 représente les étages hauts 20A, 20B et 20C des circuits 18A, 18B et 18C mais pourrait aussi représenter les 5 étages 22A, 22B et 22C. Chaque étage 20A, 20B ou 20C comprend, comme en figure 2, une boucle rétroactive recevant respectivement la consigne IinA, IinB ou IinC, fournissant le courant IoutA, IoutB ou IoutC et comprenant le sommateur 23A, 23B ou 23C, le dispositif de mesure 21A, 21B ou 21C mesurant une valeur 10 représentative du courant de sortie, l'amplificateur opérationnel 26A, 26B ou 26C régulant le courant de sortie, et le correcteur 24A, 24B ou 24C. Les valeurs des consignes des étages 20A, 20B et 20C sont additionnées, par des sommateurs 27, de manière à obtenir 15 une valeur E+. Les valeurs représentatives du courant de sortie mesuré à chaque étage sont additionnées par des sommateurs 29 de manière à obtenir une valeur E-. On soustrait, par le sommateur 23A, la valeur E- à la valeur E+. Le résultat obtenu de cette manière est l'erreur totale E. Cette erreur E correspond à 20 l'erreur E de la figure 2. Cette erreur E est fournie au correcteur 24A de l'étage 20A, dont la sortie est fournie en entrée des amplificateurs opérationnels 26A, 26B et 26C. Les courants IoutA, IoutB et IoutC sont ainsi régulés, selon l'erreur totale E, de manière à être sensiblement identiques. 25 De même que précédemment, le circuit de commande peut comprendre des interrupteurs, non représentés, entre les différents étages du circuit et entre les correcteurs 24B et 24C, d'une part, et les sommateurs 23B et 23C d'autre part. Ainsi, comme cela est décrit en relation avec la figure 2, il est possible 30 pour les différents étages d'agir indépendamment les uns des autres, ou d'être tous régulés selon la sortie du correcteur 24A. Dans le mode de réalisation de la figure 2 ou celui de la figure 3, les consignes des étages hauts (ou bas) d'un circuit de commande peuvent être sensiblement identiques. A titre de 35 variante, les consignes des étages d'un circuit de commande B16708 - 17-GR2-0479 8 peuvent être différentes les unes des autres. Leur somme est cependant égale à la somme des valeurs de sortie, sensiblement identiques, voulues. La figure 4 est un exemple d'application des modes de 5 réalisation de circuits de commande des figures 2 et 3. La figure 4 représente une puce de circuit intégré 40 et des moteurs 51. Les moteurs sont par exemple des moteurs de voiture permettant l'ouverture et la fermeture des fenêtres, des portes ou du coffre, etc. 10 La puce 40 comprend six circuits comprenant chacun un étage haut 42 (42A, 42B, 42C, 42D, 42E, 42F) fournissant le signal de commande d'un transistor 44 (44A, 44B, 44C, 44D, 44E, 44F) et un étage bas 43 (43A, 43B, 43C, 43D, 43E, 43F) fournissant le signal de commande d'un transistor 46 (46A, 46B, 46C, 46D, 46E, 15 46F). Les transistors 44 et 46 constituent les premiers et deuxièmes interrupteurs de ponts en H. Chaque couple de transistors 44 et 46 est connecté en série entre une première (56) et une seconde (57) bornes d'application d'une tension d'alimentation, comme cela a été décrit en relation avec la figure 20 1. La puce 40 comprend, de plus, un circuit comprenant un étage 48 fournissant le signal de commande d'un transistor 50 et un étage 52 fournissant le signal de commande d'un transistor 54. Les transistors 52 et 54 constituent les troisième et quatrième 25 interrupteurs communs à l'ensemble des ponts en H. Les transistors 50 et 54 sont connectés en série entre une première (56) et une seconde (57) bornes d'application d'une tension d'alimentation, comme cela a été décrit en relation avec la figure 1. Les transistors 44 et 46 sont des transistors situés 30 dans le circuit intégré. Les transistors 50 et 54 sont des transistors externes au circuit intégré. En effet, les transistors 50 et 54 étant communs à tous les ponts en H, ils doivent dissiper plus de chaleur que chaque ensemble de deux transistors 44 et 46. Des transistors externes au circuit intégré peuvent plus facilement dissiper la chaleur de l'ensemble des ponts en H. B16708 - 17-GR2-0479 9 Le pont en H comprenant les transistors 44A et 46A et celui comprenant les transistors 44F et 46F ne sont en parallèle avec aucun autre pont et leur charge respective est un unique moteur. 5 Le noeud entre les transistors 44B et 46B, et celui entre les transistors 44C et 46C sont connectés et les deux ponts en H correspondants sont en parallèle. La charge commune de ces deux ponts en parallèle comprend cinq moteurs. Les ponts en H comprenant les transistors 44D, 46D, 44E 10 et 46E sont aussi en parallèle et leur charge commune comprend trois moteurs. Un avantage des modes de réalisation décrits précédemment est que le risque d'atteindre la limite de température ou de surintensité de courant de l'un des ponts et 15 donc d'arrêter le système est moindre. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que les figures 2 et 3 représentent des circuits de commande comprenant trois étages, le nombre 20 d'étage, et donc de transistors en parallèle commandés par le circuit de commande, peut être autre que trois. Par exemple, le nombre d'étages peut être compris entre deux et six. De plus, les circuits de commande décrits commandent des transistors constituant des ponts en H, les modes de réalisation 25 décrits sont néanmoins adaptables à des circuits comandant n'importe quelle structure de transistors en parallèle interne ou externe au circuit intégré. Un mode de réalisation dans lequel la borne 14 (figure 1) est reliée à la masse, à une source d'alimentation ou à un autre circuit est également possible. 30 Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité REVENDICATIONS1. Circuit de commande de transistors (44, 46) en parallèle comprenant au moins deux étages (42, 43) destinés chacun à fournir un signal de commande à un des transistors, dans lequel un courant de sortie de chaque étage est régulé selon la différence entre la somme de valeurs représentatives des courants de sortie mesurés de chaque étage et la somme de valeurs des consignes affectées à tous les étages. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel les sorties des étages du circuit sont régulées de manière à être 10 sensiblement identiques. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque étage comprend un sommateur (23), un amplificateur opérationnel (26) et un dispositif de mesure (21) d'une valeur représentative de son courant de sortie. 15 4. Circuit selon la revendication 3, dans lequel un des étages comprend un correcteur (24A) recevant en entrée ladite différence. 5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le correcteur est un correcteur proportionnel intégral. 20 6. Circuit selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la sortie du correcteur recevant ladite différence est fournie à l'amplificateur opérationnel de chaque étage, chaque amplificateur opérationnel étant adapté à réguler le courant de sortie de l'étage correspondante. 25 7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit de commande est un circuit intégré. 8. Circuit selon la revendication 7, dans lequel au moins une partie des transistors en parallèle fait partie du circuit intégré. 30 9. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque transistor fait partie d'un pont en H. 10. Circuit selon la revendication 9, dans lequel des transistors de chaque pont en H sont externes au circuit intégré. B16708 - 17-GR2-0479 11 11. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les consignes des étages sont identiques. 12. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le circuit comprend entre deux et six étages. 5 13. Puce comprenant au moins un circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.