Brevet FR3090226A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Convertisseur de tension DC/DC comprenant un dispositif de sécurité [0001] La présente invention se rapporte au domaine des convertisseurs électriques notamment des convertisseurs de tension DC/DC utilisés dans le domaine automobile. [0002] Les convertisseurs de tension DC/DC mis en oeuvre dans le domaine automobile peuvent, par exemple en cas de défaillance de l'un de leurs composants de puissance implantés sur une carte électronique, créer des courts-circuits générateurs de courant de très forte amplitude, par exemple de plusieurs centaines d'ampères. Ceux-ci peuvent endommager de façon irréversible le convertisseur dc tension lui-même mais également les équipements auxquels il est connecté. [0003] Il convient donc dc détecter de tels courants de forte amplitude et le cas échéant dc mettre le convertisseur de tension en sécurité. Pour ce faire, il est connu dc l'état de la technique un convertisseur dc tension DC/DC tel que celui présenté en Figure 1. Un tel convertisseur dc tension 100 comporte : a. Une borne principale d'entrée HV destinée à être connectée à une première source de tension continue 6, par exemple à une batterie 48V h. Une borne principale de sortie LV destinée à être connectée à une deuxième source de tension continue 7, par exemple à une batterie 12V, ladite deuxième source de tension délivrant une tension inférieure à celle délivrée par ladite première source, c. Une cellule de conversion de tension S ou une pluralité de cellules de conversions disposées en parallèle, chaque cellule comprenant : un hacheur abaisseur 9 comprenant une borne d'entrée BE et une borne de sortie BS, ladite borne d'entrée dudit hacheur abaisseur étant connectée à ladite borne principale d'entrée, un dispositif de sécurité 2 comprenant une borne d'entrée D et une borne de sortie S. ledit dispositif de sécurité comprenant un premier Tl et un deuxième transistor T2, chacun desdits transistors comprenant une borne d'entrée de courant, une borne de sortie de courant et une borne de commande, les bornes d'entrées ou les bornes de sorties des premiers et deuxièmes transistors étant respectivement connectées aux bornes d'entrées et de sorties dudit dispositif de sécurité, la borne d'entrée du dispositif de sécurité étant connectée à la borne de sortie du hacheur abaisseur, la borne de sortie du dispositif de sécurité étant connectée à la borne principale de 2 sortie, ledit dispositif de sécurité comprenant en outre une entrée de commande G destinée à recevoir une commande d'inhibition et étant conçu sur réception de ladite commande d'inhibition pour ouvrir au moins l'un parmi le premier et le deuxième transistor d. un dispositif de supervision 80 conçu pour envoyer un signal d'inhibition audit dispositif de sécurité lorsque le courant arrivant sur la home principale de sortie du convertisseur de tension dépasse un seuil. [0004] Le dispositif de supervision du convertisseur DC/DC 100 est en général conçu pour mesurer le courant délivré par la première source d'alimentation 7 au travers d'une résistance Rs de mesure (en anglais « shunt rcsistor »), placée entre le dispositif de sécurité et la deuxième source de tension continue et pour envoyer un signal d'inhibition audit dispositif de sécurité en cas de court-circuit lorsque la tension aux bornes de la résistance de mesure est supérieure à un seuil. [0005] Ainsi, dans les convertisseurs de tension de l'art antérieur : a. une résistance de mesure est utilisée pour détecter la présence d'un courant élevé au sein du convertisseur de tension, notamment au niveau de sa borne de sortie lorsque les bornes principales d'entrée et de sortie sont respectivement liées à la première et à la deuxième source de tension, et lorsque un courant élevé est détecté, un dispositif de sécurité est activé pour isoler la borne principale de sortie des autres composants du convertisseur de tension. [0006] Or, l'utilisation d'une résistance de mesure présente comme problème de consommer de la puissance par effet Joule lorsque le convertisseur de tension continue DC/DC fonctionne normalement. Son implantation au sein du convertisseur de tension nécessite par ailleurs une place conséquente sur la carte électronique. [0007] L'invention a pour but de pallier au moins en partie aux problèmes précités. [0008] A cet effet, il est proposé un convertisseur de tension DC/DC du type précité ca- ractérisé en ce que le dispositif de supervision est conçu pour, lorsque pour une cellule de conversion déterminée le premier et le deuxième transistor sont dans leur état passant et la différence de tension entre la borne principale de sortie et la borne d'entrée du dispositif de sécurité est inférieur à un seuil de détection, générer la commande d'inhibition à destination du dispositif de sécurité de la cellule de conversion déterminée. [0009] Ainsi l'utilisation d'une résistance de mesure n'est plus nécessaire, ce qui d'éliminer les pertes Joules liées à la résistance de mesure et de réduire l'encombrement du convertisseur de tension. [0010] Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif de sécurité est en outre conçu pour, sur réception de ladite commande d'inhibition, Ouvrir les premiers et deuxièmes transistors. Ainsi, lorsque les premiers et deuxièmes transistors sont 3 ouverts, les premières et deuxièmes sources de tension sont isolées l'une de l'autre. [0011] Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, au moins une cellule de conversion du convertisseur de tension continue comprend une pluralité d' hacheurs abaisseurs en parallèle. [0012] Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif de supervision est actif seulement lorsque le premier et le deuxième transistor de chaque cellule sont dans leur état passant. [0013] Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif de supervision est en outre conçu pour générer la commande d'inhibition à destination des dispositifs de sécurité de chaque cellule de conversion. [0014] Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif de supervision comprend : a. un étage d'entrée comprenant : un premier et un deuxième pont diviseur de tension, une source de courant ou une source de tension, autant de diodes que de cellules de conversion, les anodes des diodes de l'étage d'entrée étant connectée entre elles et reliées à la source de courant ou à la source de tension, chacune des cellules de conversion étant connectée par l'intermédiaire de la borne d'entrée de son dispositif de sécurité à la cathode d'une seule desdites diodes, iv. une diode de décalage en tension dont la cathode est connectée à la borne principale de sortie et dont l'anode est connectée à ladite source de tension ou de courant, un comparateur de tension dont la borne non inverseuse est connectée par l'intermédiaire du premier pont diviseur de tension aux anodes des diodes de l'étage d'entrée et dont la borne inverseuse est connectée par l'intermédiaire du deuxième pont diviseur de tension à l'anode de la diode de décalage en tension [0015] De façon optionnelle, le convertisseur de tension comprend en outre une troisième ré- sistance connectée entre la sortie et l'entrée non inverseuse dudit comparateur de tension. [0016] De façon optionnelle également, la sortie du comparateur de tension est en outre connectée à la cathode d'une diode de déclenchement, et l'anode de la diode de déclenchement est connectée aux entrées de commande des dispositifs de sécurité des cellules de conversion, chacune desdites entrées de commande des dispositifs de sécurité étant connectée directement ou par le biais d'une résistance à la borne de commande du premier transistor et/ou du deuxième transistor. [0017] On peut également envisager, dans d'autres modes de réalisation, que le convertisseur de tension présente en combinaison tout ou partie des caractéristiques précitées. [0018] La [fig.1] représente un convertisseur de tension DC/DC selon l'art antérieur. [0019] La [fig.2] représente un convertisseur de tension DC/DC mettant en oeuvre l'invention dans un premier mode de réalisation de l'invention. [0020] La [fig.3] représente un dispositif de supervision d'un convertisseur de tension DC/ DC mettant en oeuvre l'invention dans un premier mode de réalisation de l'invention. [0021] La [fig.4] représente un convertisseur de tension DC/DC mettant en oeuvre l'invention selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0022] La [fig.5] représente un dispositif de supervision d'un convertisseur de tension DC/ DC mettant en oeuvre l'invention dans un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0023] En référence à la [fig.2], un convertisseur de tension DC/DC 1 mettant en oeuvre l'invention va maintenant être décrit. Le convertisseur de tension DC/DC 1 est par exemple utilisé dans un véhicule automobile. Par souci de simplification, des références identiques sont données sur cette figure aux éléments communs du convertisseur de tension selon l'art antérieur représenté à la [Figure 1]. [0024] Le convertisseur de tension DC/DC 1 comporte : a. une borne principale d'entrée HV connectée à une première source de tension continue 6, par exemple une batterie 48V, h. une borne principale de sortie LV connectée à une deuxième source de tension continue 7, par exemple une batterie 12V, délivrant une tension inférieure à celle de la première source de tension 6 c. une cellule de conversion 5 comprenant : j. une borne d'entrée BE connectée à la borne principale d'entrée HV, une borne de sortie BS, un hacheur abaisseur 9 comprenant une inductance L, un transistor T3 dont le drain est connecté à la borne d'entrée BE et la source à une première extrémité de l'inductance, et un transistor T4 dont le drain est connecté entre la masse et la première extrémité de l'inductance L. L'association de l'inductance L et des deux transistor T3 et T4 réalise un hacheur abaisseur de type « Buck » dont le fonctionnement est bien connu de l'homme du métier, iv. un dispositif de sécurité 2 comprenant une borne d'entrée Dl connectée à la deuxième extrémité de l'inductance, une borne de sortie Si connectée à la borne principale de sortie LV et une borne de commande Gl. y. un dispositif de supervision 8, et vi. un dispositif de pilotage (non représenté sur la [Figure 2]). [0025] Le dispositif de sécurité 2 comprend un premier transistor Ti et un deuxième transistor T2 connectés « tête-bêche ». Dans l'exemple décrit ici, le premier transistor Ti et le deuxième transistor T2 sont des MOSFET dopé N. Le drain du premier transistor Tl est connecté à la home d'entrée Dl du dispositif de sécurité 2 et le drain du deuxième transistor T2 est connectée à la home de sortie Si du dispositif de sécurité 2. Le premier transistor Tl et le deuxième transistor T2 sont connectées par l'intermédiaire de leur source respective de sorte que les diodes intrinsèques de ces transistors soient connectées par leur anode. En d'autres termes, la cathode de la diode intrinsèque du deuxième transistor T2 est connectée à la borne principale de sortie du convertisseur de tension 1 et la cathode du premier transistor Tl est connectée à la borne d'entrée du dispositif de sécurité 2. De cette façon, lorsque le premier transistor Ti et le premier transistor T2 sont ouverts, aucun courant ne peut s'écouler entre la borne d'entrée Dl et la borne de sortie Si du dispositif de sécurité 2. Les bornes de commande du premier Tl et deuxième transistor T2 sont en outre reliées à la borne de commande G1 du dispositif de sécurité 2. Ainsi, la réception d'une commande d'inhibition sur la home de commande Gl du dispositif de sécurité 2 permet de déclencher l'ouverture des transistors Tl et T2, et donc d'interrompre toute circulation de courant dans les deux sens entre la borne d'entrée Dl et la borne de sortie S1 du dispositif de sécurité 2. [0026] Le dispositif de pilotage permet de commander à l'ouverture ou à la fermeture les transistors T3 et T4 afin de faire fonctionner le hacheur abaisseur en commutation. En outre, le dispositif de pilotage permet également de commander à l'ouverture ou à la fermeture les transistors T1 et T2 du dispositif de sécurité 2. Pour ce faire le dispositif de pilotage délivre aux bornes de commande des transistors Ti, T2. T3 et T4 la tension nécessaire à l'activation respective de ces transistors. [0027] Le dispositif de supervision 8 est en outre conçu pour générer la commande d'inhibition à destination du dispositif de sécurité 2 de la cellule de conversion 5 lorsque le premier Ti et le deuxième transistor T2 sont dans leur état passant et lorsque la différence de tension entre la borne d'entrée Dl du dispositif de sécurité 2 et la borne principale de sortie LV est inférieur à un seuil de détection VSeuil. [0028] Par ailleurs, la tension de seuil Vseuil est égale à la différence de tension Vb-Va qui est égale à la somme des résistances drain source des transistors Ti et T2 dans leur état passant multipliée par le courant traversant ces transistors tel que défini dans l'équation [Math.1]. [0029] [Math. I] Vseuil = (Rdsri -F- R d s 7-2)./ [0030] Dans l'exemple décrit ici, la tension de seuil Vs est égale à -0,3V. [0031] Le dispositif de supervision 8 est représenté sur la [fig.3] et comprend : a. un circuit de mesure 3 comprenant: i. un comparateur de tension 12 comprenant une borne inverseuse, une 6 borne non inverseuse et une borne de sortie dont le potentiel de sortie VS est positif lorsque la tension présente sur la borne positive in-verseuse est supérieure à la tension présente sur la borne non in-verseuse du comparateur de tension 12 et dont le potentiel de sortie VS est négatif dans le cas contraire, un étage d'entrée comportant une source de courant SC1 alimentée par une tension Vin, la source de courant SC1 est connectée en séries avec un interrupteur d'activation Ta. La source de courant SC1 alimente une première et une deuxième branche électrique. L'interrupteur d'activation Ta possédant une borne de commande connectée par exemple à un microcontrôleur. Ainsi par l'intermédiaire de cet interrupteur d'activation Ta, il est possible d'activer (interrupteur Ta fermé) ou de désactiver (interrupteur Ta ouvert) le dispositif de supervision 8 à partir du microcontrôleur. Ainsi, le dispositif de supervision peut n'être activé que lorsqu'un courant traverse effectivement le dispositif de sécurité 2. Dans la suite de la description, nous supposerons que le dispositif de supervision 8 est activé. La première branche électrique comporte une diode D3 dont la cathode est connectée à la borne principale de sortie LV et la deuxième branche électrique comporte une diode D2 ayant la même tension de seuil que la diode D3 et dont la cathode est connectée à la borne d'entrée D1 du dispositif de sécurité 2. Un premier pont diviseur de tension constitué d'une résistance R3 et d'une résistance R1, connectées à la borne non inverseuse du comparateur de tension 12. La résistance R3 étant connectée entre la borne non inverseuse et l'anode de la diode D2, la résistance R1 est connectée entre la borne non inverseuse et la masse électrique. iv. Un deuxième pont diviseur de tension d'une résistance R5 et d'une résistance R6 connectées à la borne inverseuse du comparateur de tension 12. La résistance R5 est connectée entre la borne inverseuse du comparateur de tension 12 et l'anode de la diode D3, la résistance R6 est connectée entre la borne inverseuse et la masse électrique. La valeur de la résistance R5 (respectivement de la résistance R6) est égale à la valeur de la résistance R3 (respectivement de la résistance R1). b. Un circuit de commande 4 comprenant : une diode D5 dont l'anode est connectée à la borne de commande 01 du dispositif de sécurité, et dont la cathode est connectée à la sortie 7 Vs du comparateur de tension 12. [0032] L'association des résistances R1, R3, R4, R5 et R6 et du comparateur de tension 12 compare les tensions présentes au niveau des anodes des diodes D3 et D2. La tension V2 présente à l'anode dc la diode D3 est égale à la tension présente au niveau de la borne principale de sortie décalée de la tension de seuil de la diode D3. La tension V1 présente à l'anode de la diode D2 est égale à la tension présente au niveau de la borne d'entrée du dispositif de sécurité 2 décalée de la tension dc seuil de la diode D2. En d'autres termes, aux tensions de seuil près des diodes D3 et D2, le comparateur de tension 12 compare la tension présente au niveau de la borne d'entrée du dispositif de sécurité 2 à la tension présente au niveau de la borne de sortie principale. [0033] En référence à la [fig.3] et conformément aux équations [Math. 2] et [Math. 3], les tensions de la borne non inverscuse V+ et de la borne inverseuse V- sont exprimées en fonction des tensions V1, V2 et de la tension de sortie Vs du comparateur de tension 12. [0034] [Math.2] R 3.R 4 ( R 1.R 3 t R 3 +R4 R1 + R 3 v R 4.R 3 )-Vi R 4 R 1.R 3 -Vs R1+ R 4 + R 3 , R1 + R 3 [0035] En considérant que la résistance R3 est égale à la résistance R5, et que la résistance RI est égale à la résistance R6. [0036] [Math.3] V - R 5R± 6 ) .V2 - R11+3R 3 ).V2 [0037] Conformément à l'équation [Math. 21 lorsqu'on choisit la résistance R4 largement supérieur à la résistance R3, par exemple dix fois supérieur, l'équation [Math. 21 est équivalente à l'équation [Math. 41. [0038] [Math.4] R 1.R3 R3 ^ R 1 + R3 ) R 4 J VS R1 + R3 R 1.R 3 R1 + R3 [0039] La tension de sortie du comparateur de tension 12 bascule de +Vsat à -Vsat, lorsque la tension V+ devient inférieure à la tension V-. En d'autres termes, le basculement intervient lorsque la condition de l'équation [Math. 5] est vérifiée [0040] [Math.5] R 1.R3 V+ = - V (V1 - V2 ) (R1R+3R3 ) l. ± R1 + R3 R 4 ± RR 3 .Vs