Brevet FR3083320A1 — publié le 20200103

L'invcntiun donc e le dom inr des circuits impri- m.é -t un pont diviseur de courant. Al4RIERE DE L'INVENTION Jn capteur de courant ne de flux utilise la été d'un matériau e igu font a ut tuyau T.d gnetique de se saturer à par 'un certain niveau d'excitation magnétique. En référence à la figure 1, pour un champ magnétique H croissant, la pente de la fonction de transfert entre le champ magnétique H et nduction 0 magnétique E diminue grandement à partir d'une valeur dite de saturation du noyau magnétique. La valeur de saturation, sur la figiirPc orrespord ai_tn intervalles e aux :f 2 et dans 5 a que 1 destiné In circulant sur u lüct nr, un c enét ateur de s gr u ctangulaires 2 applique u.ie tension d excitation rectangulaire Vex aux bornes enroule m nt d'excitation 3 enroulé autour uit noyatu magnétique 0 4 Le courant d'excitation Iex enculant dans l'enroulement d'excitation 3 est mesuré par un module de mesure 5. Un détecteur de créties 6, relié au module de mesure 5, fournit deux informations le vea de satu - ration et la différence des courants de crête du courant 25 d exci ation tex. Le niveau de saturation perr et d asservir l'amplitude de la tension d'excitation Vex.La différence des courants de crête du courant d'excitation Iex permet d'estimer le courant à mesurer In et I astte via un f. isseur de tensir,t rï courant 7, 30 1'al i d'un - liant de demagnet'isaLlor circule un enroulement ci Uem-gnlLïsaLion 8 et quipermet clr nser le flux. magn i is le io4=au mcfnh- u par io courant à m sur Rr Tm. Le capteurs o 3 n vanne de flf - legiés dans un certain norbre app ications C'est no- tarmuent le pour la mesure d'un courait circulant dans un organe de wer vontrellr eu 1 ») a destination u Tour la mesure d'un u id SLate Po- guipement utilisa--culant dans « Po - moteur. n organe de conversion d'énergie de type er Electronic Module ») relié à une phase d Lorsque le courant à mesurer Pm est important, une difficulté majeure se Présente Le courant de démagnétisation cui permet de cempen ser le flux magnétique produit dans le noyau magnétique par le courant à mesurer Im, doit âtre lin aussi portant. La valeur da ocrant de demaclnetisatiol être égale celle dis courantmesurer Im divisé par le rapporte ansfermation du trans formateur ayant 1 5 enr. ulementlimaire I e .^onductcu sur lequel ciron] courant ur nro ïlemen 1 enreuleme t de demagnétsatiox 8. Or, -e nombre de spires de l'euroulemeut d dén.agne t cation 8 est l'mité par son encombre e i et par a0 l'inductance résultante. Pi l'inductance est élevée, plus la vitesse de changement du courant. de démagnétisation sera limitée, et donc plas la bande passante du cap tour de capteur de courant a vanne de flux 1 sera limi tee. Ainsi, augmenter le nombre de spires de l'enroulement de démagnétisation 8 ne constitue paS une solution pertinente. Augmenter directement le courant de agnétisation généré ne constitue pas non plus une solution pertinente. En effet, vetne augmentation iplique de parcduite 0 émagl.ét isati on très-impertatire,.. ants sLanda OBJET DE - INyENTip L'i i tir objetrésol]dré 1 p r vu ail d' êLE 35 RES -M DE L °I_' V'N ION qui est Q En vue de la réalisation de ce b7t, on propose un cireui imprimé comportant une ei pis Le, une deu xième piste et au moins une couche iso ..- .. s'étendant entre la première piste et la euxième piste, le cii cuiL 5 imprimé Portant de plus un prenier ensemble traversant moins un premier trou métallise et un de _ me en semble traversant d'au moins un deuxième trou métallisé, chaque premier trou métallisé et chaque deuxierre trou métallisé reliant la première piste et la deuxième ciste en 0 s'étendant au travers de la couche isolante, le premier ensembletraversant' et le deuxicme ensemble traversant ant respectivemenC une cl_ une e d' unt port d,i Dans un circuit .1..far 1 1 quo ey= rirc_uft 1 ?t 1 Lique électriques dL. mier trou métallisé eL lliS sonl parfaitement reproductibles. Ainsi, le apPor entre la résistance de la première bra e et la résistance de la deuxième branche du pont .e courant est connu très précisément. Le pont diviseur de courant permet donc par exemple de réduire un courant principal que l'on souhaite mesurer, et d'obtenir ainsi un courant à mesurer réduit dont le rapport avec le courant principal est parfaitement 25 connu. On estime donc le courant principal à partir d'une mesure d'un courant à mesurer réduit. Ainsi, en intégrant le pont diviseur e courant un capteur ae courant à vanne de flux on réduit le courant à mccuret et on réduit par «onsque n" le courant de 30 emagne _ sa n pour r^z mp us14.r le fluxmagne- e produit dans e n étfque du capteur de u i-ant e vanne ale flux p ir lodit jurant à mesurer. n pose ussï un atteur de courant à vanna de flu) comportant uit imprimé tel que _clui qui 35 vient d'être décrit e particu- de l'invention. BR1VE DESCRIPTION DES 5 Tl a fait référence aux des., s, parmi 1 squels - la figure eprésente la courbe d'une orrctïon de transfert entre ur. champ magnétique et une inductio magnétique ; 10 - la "gure 2 représenté un capteur de courant vanne de flot existant le f 1L.re 3 reps entela co rte d'une tension d'o l.a courbe d'un courant d'e citat qui e?citent un noyau magnétique du c Atour. d courant tc venna de flc i nt 4 représenté un narveau cspccur urant à vanné de flux ; la figure 5 eprdsente un pont d 'seul- de c....ou- t gré dans uri circuit ïm ime selon tion eL utilisé pour mesure i un courant â nesurer - la figure 6 sL une vue en coupe du circuit lm frimé selon l'inverr- çau dans lequel est intégré le pont diviseur de courant la figure 7 est une vue analogue a ;celle de la 25 figure 6, mais de dessus. DESCRIPTION DETAIL E DE INVENTION En reference à la figure 4, un capteur de courant a vanne ce flux 10 est ici utilis o mesurer un courant nonuror Im qui circule su - un c.i realuuteLtr 11. 30 Le rupteur_ de courant flux 10 c zen.iïru un iéeyutaque 13, un i ndaire. TV cmoulcnu L prirrair este c nn 3u oy grtoLiqud 13 6ten I autou 35 L enroulement secondaire est un er.roulement mesure 14 L' invent description g lier non enroulé autour du noyau madnet ue 13. capteur de courant à canne de flux 1t0 comporte une pluralité de composants LICL3 an, umérique 1 une par partie nuru r qu lb comporte un composant de traïtement namérique gui est en l'occurrence un FPGA mais qui pourrait être un composant diffé ent : micr, contrôleur, processeur, ::SIC, etc. Le capteur ce courant à vanne de flux 10 comprend de 10 plus un circuit d'acquisition 17. Le circuit d'acquisition 17 appartient à la partie analogique 16. Le c d' ac;Xnisi,tc lïh 17 ert tollé lr'enroujemert da mesu'e 144 r ,acquisition 17 comprend an n-filtre se -haut_ et un convertisseur analogique numér 0 connecté à une o_ e du filtre pas,, -haut Le convertisseur analogique tumérique 20 est ici un ertisseur 12 bits dont le fonctionnement est cadence a une quence Lech, Ici Fech = 100MHz. Le convertisseur a a o igue numérique 20 pourrait bien sâr présenter des c ractéristiques différentes. Le circuit. d'auquisbion 1 acquiert une tension ale, mesure analogique Ve aux bornes de enroulement de mesure 14. a tension de mesure Ve est appliquée entrée du filtre passe-haut 19. La tension résultante est aPPliguée en entrée du convertisseur analogique numérique 20 qui produit un signal de mesure numérique Sm. de ftux Le cap e e un génétAté r halite tcegaén'.e 22L luFts iaLr ur haute t egre datas le F CZ, on pourrait le terme « rritcgiApal' 'un le} t:termes hune, 1.t2,1énntmas en mu Le é u haute 1 un s 1, 5 de référence 'igue de'frequence f0, un signal de référence numeLique de ti ue 2 f0 e ur signal ae éférence r.0mérigue de q c Le signal de référence mer que de tséquence est la tonne 0t). Le signal de référence numérique de fréquence 2 f0 est ±ci de a forme : S2r = cos(2nMt). Le signal de référence nume que de fréquence 3 f0. 10 est ici de la forme S7r = sir(3.Q0t). Le capteur c1= no liant rannc de flux 10 coma plizs un circuit 'excitati n no' ,ation Jircu 23 est implémenté dans le r Lc cirent d'exci elié au rériese E ur halite Le ci cuit d citation 23 comporte incuit o ute 24 et un circuit d' 5 viss d'excitation 25. 20 Le circuit d'exc tat on brute 24 reçoit le signal de etérence numérique de fréquence f0 et le signal de référence numérique de fréquence 3.f0 et produit à partir de ces signaux. un ignal d'excitation partiel numérique de fréquence f0 et un-signal 'e atio partiel numé- que de fréquence 3. f0; he mal d'excitation partiel, elque de fréquence f0 est ici de la forme Slp gnal a- npartiel lu e f0 est ici la farm 33p = k2. Ot Le i uLL bru 24 a i jont lu signal n parti umériqu de tence f0 et le signa d'exc- tel numérique c quence Ton ace 15 25 30 3 f 0 our générer un signal l'excitationnumérique numériq e crut. excitation numérique b de la lori Slp i 33p k1.sin{w0L) 1 Le circuit d'ass 1 g au générateur haû Le circuit d'asser rvissement d'exci fréquence 22, ssement d'excitation 25 reçoit o est le signai de référence numérique de fréquence 3.f0 et produit a Partir du signal de rét ence numérique de fréquence 3.f0 un signal de démodulation numérique de fré 10 quence 3.f0. Le signal de démodula Icr nuMérique freduence 3 est ici de la forme S3d - k3.sin (3. 0 Le circuit d' a.`A.servisse 25 rOmpor te 15 premier mulaipl eut 2', multiplieur 28, un 29 etun pierrier amplif catcur 30. La, promier amplffrca ei 30 est connecté e une sortïé de 1' intégrateur oremier mult_plieur 2 1 multiplie le signal de 20 mesure numérique om par le signal de démot.niftïtiorr ériduo de fréque e 3 0. Le signal résultant est appliqué en entrée de intégrateur 29. On note le premier multipli 2 et l'intégrateur 29 jouent le rôle d'un premier démodulateur 25 synchrone. Le premier amplificateur 30 produit alors un signal d'erreur numérique. é deuxième multiplieur 28 rrultiplie le signal d'excitation numérique brut Seb par le signal erreur -que peur obteniobtenirun signal d'excitation igue.30 nt me Le signal xcitation rumérique est de 1 pli. 1 i ) 1 k2.s.,_ni,3 e de 1 o Le capteurde courant = ia 10 cmp r elu un ircu d' a Ljnétisalion Le circuit d'asservissemen g iisai' intégré dans le A. Lecircuit usseme .tSdgnétisaBon est relié au généraleu- haut fréquence 22. 5 Lé ircu d'asacZussemert de dëma.qtIétisaE1criI 32 reçoit le signal de référence numérique de fréquence 2.f0 en produit a partir du signal de référence numérique de fréquence 2,ï0 un signal de démodulation numérique de fréquence 2.f0. 10 Le signal- de démodulation numér ue de fréquence 2.f0 est ici de la forme ..., t) ie 'asser sen it de démagnét .s sièmemtx'_ti lie r 33,un filtre 34 et rrn d axiome amplifi eux eme ejuol1.fi dateur 3ry art tonnccté à ne sorfie di f Itre p 34, Le troisième multiplieur 3.3 mu Liplie le signal d mesure numérique Sut par le signal de démodulation nuire_ 20 r que die fréquence 2.f0. Le signal résultant est appliqué en entrée du filLre passe-bas 34. Le deuxième amplifica Leur 35 ProcuiL alors un signal image numérique du cou rant a mesurer In, qui est aussisignal de démagnet sation numérique Sdm. Le signal image numérique, ou si-. 25 gnal de démagnétisation numérique Sdm, est de la forme Sdm = Lm. On note que le troisieme multiplieur 53 et filtre passe-bas 34 jouent le râle d'un deux;ïème démodulateur' inrone 30 Te c p e dia flux 10 compr pluT uu sormateur 36 Le rcama tir 3F et7t implémenté dari le FPGA Lu fsn t t ur Sn m e le signa tat ion lu A nétisation nuncriq dm pour obtenu- un signal d'injection numérique Si. un : Si - t 0t)) kIm, Lfc capteur de couru flux 10 comporte en, tic un circuit. tion 37. Le circuit d'injection 3 pPartient à in partie analogique 16. Le circuit d'injection 37 est relies et à l'enroulement de mesure 14. Le circuit d'injection 37 numeque analogique 38. 10 Le convertisseur numér e analogique 38 est ici un aü e u so atetir 36 orlprend, un convertisseur con sseur 12 bits dont le fonctionnement e cadencé Fech ( = 100MHz, Le converti eur nu- mérique anal pourr it bien sûr présente ractéristiqueà diffère 15 Le convertisseur numérique nal gnal à/injection n. cour 7). e. lc d'excitation analogique le -à partir du signal d'inlectio iuue injecte le courant d'excitation 1 l'enroulement de mesure 26 On decriL mainLenan, le Eomstronne'Gnt du captent couranr à vanne de flux 10. Le circuit cl'excrtaion 23 gene e un signal d'excitation numérique Se, qui ansformé en un c u - rant d'excitation le et injecté dans l'enroulement de re 25 La tension de mesure e est acquise puis numérisée pour produire un signal de mesure numérique Sm. En sortie du, deuxième amplificateur 35, on olutien signal. irnag numérique du courant à riesutut Im. Ce 1 30 g-a 9 numérique est L iller poue Linut le In Le signal imago numitiigfl2 est aussi signa magn umérigne compons flux mmqnuiéqtle produit urant A musutui 10 Grâce au sommaèeur additionne facilement le tique Sdm et le signal ci rait d' excitation po noyau magnétique 13 L signal Nu clone a de demagné parallèle, on déma ,aation num , humerique cou- la foisexciter le le noyau magné s L maso - tique 13. Le courant de démagnétisat on est donc intégré> dans le courant d'excitation :e. La saturation du noyau magnétique 13 provoque ne dissymétrie de la tension de mesure Ve, ladite tension de 0 mesure Ve étant constituée par la somme d'une composante de fréquence (m0t), correspondant à la fondamen- tale, et d'une omp sanl-e de uonce 2.f0 en cos (2m0t), correspond arc à la composante harmonique d'ordre e que l'amplilucr du signal d'excitation par 15 t et tmerlduede fréguonoc f0 et telle du signal ion partiel numérique de freq .-.ont ré- glées pour obtenir courant d'excitation le dont la fréquence 3. f0 ou c empesante harmonioue d' est ph iJec la composante fie frequenc e 20 f0 (ou damentale). La mposante harmo ue d'ordre 3 de la tension de mesure Ve, obtenue après démodulation synchrone via le p emier démodulateur synchrone, est positive. En cas de saturation du noyau magnétique 13, la composante rmo - 25 nique d'ordre 3 est atténuée plus fortement que la fonda- mentale et la composante harmonique d'ordre 3 après démodulation synchrone devient négative, car l'harmonique d'ordre 3 passe en opposition de phase avec la fondamen tale. 30 A nsi, lorsque le no _a. citation le t tel `{,iP le noyau mat nétique ,se rap=roche de la saturation, t 3e amplitude de la composante hasmc.rriique d'ordre 1 et l'amplitude de la composante hatmaniquee d'ordre 3 de la ton ;ion 1 mesure Ve Pvolue jusqu'à - ation d:e a composanteo igue d'ordre 3, puis , jusqu a d'ordre 3. Le pn L de a composante harmoni( nctionn a GJrrwpv'rdant à sion de 3 ' annulation de la composante harmonique d'ordre 3 de 1a tension de st.esaie Ve est donc un point de tLrcLio e mal du capteur de courant a vanne de flux 10. Ce point de fonctionnement optimal correspond au coude 9 de la courbe de fonction de transfert de la figure 1. En sortie du premier amplificateur 30, on obtient un signal d'erreur numérique 10 Le signal d'erreur numérique permet d'asservir le a o Ie. L' zsservissemerr consiste à non tif 1 er le courant d' tation -é sente harmonique c'ordre 3 de la t>ensi con de meso ,s captr ur cic courant tt van re le flux le 15 perman,rncc sur le pc.ï t ir f t Limal. On ent de la gain maxima issymétries 0 - duites par le courant à mesurer Im e ceLeptab_es sur la sion de raes1re Vu. Ûtt note que cet asservissement par émodolaLion synchrone de l.a composante harmonique 20 d'ordre 3 est peu sensible aux perturbations électroma- gnétiques externes, car tous les signaux de fréquence différente ce la fréquence 3.f0 génèrent des produits d'intermcdulation dont les composantes sont filtrées par lo ltre pass -bas 34 connecté en sortie du troisième 25 multiplieur 33. On note par ailleurs que cet asservisse- ment n'a pas besoin d'être très rapide, car les variations provenant de paramètres extérieurs t empérature, vieillissement) sont relativement lentes. Ainsi, l'enroulement rtd I,IC_.su_-ta 11 'ect itala 30 exciter le gnétique 13, I,c,ur ronLt`ôlcr =t iLaLlon, pour mes le courant à mesurer 1m, or flux =,gnétiq e produit_ dans le que 7oursn er Im (démagné- 1 2 Da mutualisaui lement de mesure C. notions s de simplifier, seul eirr réduire du c üt et la T SC, et faciliter la f c i ur do courant à vanne de flux 10 e par ailleurs que la ichaîne de tra fanent de la mesure est principalement numérique : un unique FPGA permet de mettre en oeuvre une grande partie ce cette chaîne de traitement. La nur érisation de la chaîne de traitement augmente 10 la fiabilité et la robustesse de celle-ci (notamment en temPératuré), réduit son coût, facilite sa fabrication et Améliote .sa reproductibilité nduetrlell. l amél °ration de la régulation du point në fol_ctinnnernent grâce à la dédémodulation par l.0 prem:ier démodu- 15 lateur synchrone p ailleurs d':obtenir une mail- leure mmunite De plus, l'utilisation_ des dëmcdulateurr synchrones permetde ïoncLicnner à haute frecuence, ce qui autorise une Land= passante importante du o surer Im 20 tout en conservant une très bonn_ie rnnunrtc aux 1rc.tC-aaba- Liol=U o uLromagnetiques externes. Comme la mesule se fait touiou s as le nnement optimal correspondant au coude S sa u ration, la sensibilité du capteur de courant à Gange de 25 flux 10 est constante dans la plage de température. La précision du capteur de courant à vanné de flux 10 est donc bonne dans une plage importante de température. Comme on l'a indiqué plus tôt e capteur de courant Anne de Flux 10 mesure Sm: qui un c_.:ducteur 11 Cetto situation ne soi;.leve paü do difficu ore lorsque le courant à mesurer Sm faiil (infe rieur ra lA par ple). re ndant lorsque le tcri1rant e mesu 35 une difficulté majeure se présente. final 10 1 résul de oh donc p u 15 dc flux Le courant de dèmagnéfisatioia qui permet de cc set le fzux magnétiqL:._ produit dans le noyau courant mesurer duit être lui du courant de Lr da courant a mesurer rapport de transformation du transformateur_ 12, associé aux caractéristiques de 'en ulement priraire et de 'enroulement secondaire. Or, le nombre de spires de enro' est limité par son encombrement et nte. Plus l'inductance est élevée ent du courant de démagnétisa. de ta e Sdm) sera -1 eur de coi_t,rs I_ Li, La `valeur égale à celle a de a, 5 isation numeric bande ?a ;santé d u ca 10 sera limite augmenter' le nombre de lement de mesure par l'inCuctance plus la vitesse on aussi tisaLi:ndoit. iv par le sue du si- et nt à vanne pan - lque rès cuiras de l'enroulement se pas une efficace. Augmenter le courant de démagnétisation 2.' est-pas nori plus une solution efficace, Én effet, cela implique 0 é n n, mante sous générer tension de demagnetisatio sous un courant ce démagnétisation important, ce qui est complexe ser avec des composanLs standar s On note ue ce problème n'est pas proprecapteur courant à vanne de flux 10 qui vient d'être décrit, 25 mais concerne tout les capteurs de courant à vanne de flux (et notamment ceux qui comportent un enroulement ce dié à la démagnetisation'j. Pour résoudre cette difficulté, on met er oeuvre nt di:viseur ,1e courant de maniore à recuire la valeL 30 du mourant à mes En rrférene aix figuré, 7, le csptet r nt à vanne de f lux 1 0 compren un circuit i api in eselon invention ]r 1 e e deuxi erre trous motallisce0e rit: trous m ta1]i;sec Le circuit _ primé 40 comporte de plus an oisième elsemble traversant comportant au moins un troisième trou métallisé 6 s'étendait au travers de la couche isolante 0 4 et quatrième erse_ bletraversant comportan t au moins un quatrième trou métallisé 57 s' le a t au tra- vers de la couche isolante 43. Ici, em occurrence, le roisième ensemble traversant comprend plusieurs tro sièmes trous métall s 56 et le quatrième ensemble tra 25 versant comprend plusieurs quatrièmes trous métallisés 57. Les troisièmes trous métallisés 56 et les quatrièmes trous metallisés 57 ici tous un même deuxième dia- mètre qui, pour une raison d'encombrement, est inférieur, au pr m iamétre des premiers tr us m s'Usés 47 tu30 t te rous metalllises 48 Lè. nombre s; émis trous rietal,lises 1 au -1.orr,2 ra dr q:, tr`iemes trous me isés 57. Le ,c; ensen Lraver ;nuit rième 2, a trsant SçInrnebon ui e s mb e appelé ici 35 semble traversan.. secondaire Dans l'e s mble trave Stddhdàj±b»lés roisièmes trous métallisés for- ment c,i lÿ.0 un, en l'occurrence trou , métallisés secondaires » 56 tr us métallisés 57 ferment au moin plusieurs « p l'émeu en l'occurrence _ c. qu 5 plus eurs « deuxiemes reus métallisés secondaires » 57. Le transformateur 12 comporte de plus le noyau magnétique 13. Le noyau magnétique L3 s'étend dans une épaisseur du circuit imprimé 40. Le noyau magnétique 13 présente la forme d'un tube 10 de culons extérieure et intérieure rectanqu_aires On note que le noyau magnétique 13 pourrait bien évidemment présenter une forme différente_ Le noyau ue 13 comporte une on ce nofsau primaire 60 et ixre porion de noyau ne REVENDICATIONS1. Circut deuxième piste ( étendant le circui ) et au moins une couche la iere piste et la primé comportant de plus un, (44), unlante eme pis report remière piste ant une p -o deu _ premier ensemble traversant d'au moins un premier t "ou: métallisé (47) et un deuxième ensemble travers ant d'au 1 un deuxième trou métallisé (48), chaque premie 10 trou métallisé et chaque deuxième trou métallisé reliant la premiere piste et la deuxième piste en s'étendant au dan lequel s'étendenl_ un me (40). pe versant -he de la couche et le deuxième ont une pre 52) d'un pont rcuit im première sol le nmier -n - le a ansewble traversant formant re branche et deuxième seur de ccr,nt primé sel la e e 2 1,. 1, piste et deuxième piste une faoe opposée du circuit impri- 20 3, Circuitüircuit imprimé selo l'une des revendica tuons précédentes, dans lequel le ou les premiers trous metall?sés (47) et le ou les deuxièmes trous métallisés (48) ont un Mérre premier diame 4 ircuit imprimé selon l'une des rever 25 tuons précédentes, comportant en outre des moyens de me- sure agencés pour mesurer un courant à mesurer (1m) circulant dans la deuxième branche (52), les moyens de mesure étant utilisés pour estimer un courant principal (ip) circulanL d a premià2 pisLo (44) cL la deuxiè 30 p1..3Lc (45 art-Jr r cruuranLu mesurer. G. Circuit inptimâ ^e nn la revendication loti.. 1 1 les may ansfo iém- ensemble trsver5anL for t une un uleii