Brevet FR3089365A1 — publié le 20200605

Description Titre de l'invention : Convertisseur continu/continu élévateur de tension à dispositif de dérivation de sa diode de protection Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine de l'électronique et vise plus particulièrement les convertisseurs continus/continus élévateurs de tension. [0002] Les convertisseurs continus/continus élévateurs de tension sont couramment utilisés dans de nombreuses applications pour fournir en sortie une tension continue plus élevée qu'une tension continue fournie en entrée. Etat de la technique [0003] Ces convertisseurs continus/continus élévateurs de tension sont notamment employés dans le domaine de l'automobile pour alimenter un calculateur à partir de l'énergie fournie par la batterie du véhicule. Le convertisseur continu/continu élévateur de tension est un élément de sécurité garantissant au calculateur une tension minimale d'alimentation et ce, même en cas de fluctuation de la tension continue délivrée par la batterie du véhicule. [0004] Un tel calculateur de véhicule automobile est une unité électronique de contrôle comportant des dispositifs de calcul (microcontrôleur, microprocesseur, etc.) permettant de piloter diverses fonctions au sein du véhicule telles que le contrôle moteur (injection, allumage, commande des diverses vannes, etc.), le contrôle d'accès (gestion des serrures, des ouvrants, etc.), la centrale de navigation ou autres éléments de confort, ou toute autre fonction du véhicule. [0005] Ces unités électroniques de contrôle sont alimentées par la batterie du véhicule dont la tension peut présenter des fluctuations en fonction, par exemple, de la charge de la batterie. De plus, lors de certaines opérations critiques telles que l'alimentation du démarreur électrique d'un moteur thermique durant le démarrage du véhicule, une importante chute de la tension de la batterie est courante. [0006] Par exemple, une batterie de véhicule classique de tension 12 volts peut, lors de la phase d'actionnement du démarreur, subir une chute de tension de près d'une dizaine de volts pendant un court instant. Durant cet instant, si la tension d'alimentation du calculateur passe en dessous d'une valeur seuil de réinitialisation, des éléments électroniques tels que les microcontrôleurs sont alors réinitialisés. Cette réinitialisation d'éléments électroniques du calculateur est de préférence à éviter car elle conduit à une discontinuité dans la fonction du calculateur et éventuellement des pertes de données, voire des problèmes de sécurité. [0007] Les convertisseurs continus/continus élévateurs de tension, placés entre la batterie du 2 véhicule et le calculateur, permettent d'éviter une chute de tension qui résulterait en une réinitialisation des éléments électroniques du calculateur. [0008] On connaît, dans le domaine automobile, des agencements dans lesquels un convertisseur continu/continu élévateur de tension est disposé entre la batterie du véhicule et un calculateur. Lorsque la batterie délivre une tension acceptable, proche de sa tension nominale, le convertisseur continu/continu élévateur de tension n'est pas activé et le calculateur est directement alimenté par la batterie. En cas de chute de tension de la batterie, par exemple lorsque cette dernière passe en dessous d'une tension-seuil de 8 volts, le convertisseur est commandé pour élever la tension qu'il reçoit de la batterie en vue de fournir au calculateur une tension d'alimentation qui soit toujours supérieure à un seuil de tension qui est au-dessus du seuil de réinitialisation des éléments électroniques du calculateur. [0009] Ces convertisseurs continus/continus élévateurs de tension sont couramment utilisés dans l'automobile et ont donné satisfaction par le passé. Cependant, les conditions de fonctionnement de ce type de convertisseur tendent à devenir plus difficiles. D'une part, les consommateurs susceptibles d'entraîner des chutes de tension de la batterie sont actuellement plus nombreux et plus puissants. D'autre part, les besoins en puissance de calcul sont régulièrement en hausse pour les calculateurs, tels que les microcontrôlcurs, ce qui entraîne une augmentation de la consommation électrique des éléments du calculateur, notamment les microcontrôlcurs ou microprocesseurs. Ces nouvelles conditions plus difficiles nécessitent des convertisseurs continus/continus élévateurs de tension qui, à partir d'une tension d'entrée susceptible de chutes de tension plus nombreuses et plus fortes, soient adaptés à alimenter des calculateurs plus puissants. [0010] Les convertisseurs continus/continus élévateurs de tension sont couramment utilisés dans de nombreuses applications pour fournir en sortie une tension continue plus élevée qu'une tension continue fournie en entrée. Résumé de l'invention [0011] Le but de l'invention est de proposer un convertisseur continu/continu élévateur de tension qui soit optimisé pour répondre à d'importantes chutes de tension sur sa tension d'alimentation et qui permette d'alimenter un équipement avec une tension qui est élevée et sous forte puissance. [0012] À cet effet, l'invention vise un convertisseur continu/continu élévateur de tension comportant une bobine, un interrupteur d'élévateur, ainsi qu'une diode de protection dont l'anode est reliée à la bobine et dont la cathode est reliée à l'interrupteur d'élévateur. Ce convertisseur comporte en outre un dispositif de dérivation de la diode de protection, ce dispositif de dérivation étant activé pour court-circuiter la diode de 3 protection lorsque le convertisseur est activé. [0013] Le dispositif de dérivation est réalisé de préférence avec un transistor MOSFET dont la grille est commandée par une pompe de charge réalisée par un montage avec diode et condensateur. [0014] Le convertisseur selon l'invention permet de s'affranchir de la chute de tension générée par la présence de la diode de protection. Cette diode de protection est en effet impérative dans le convertisseur, puisqu'elle permet une protection contre les inversions de polarité de la batterie alimentant le convertisseur ou toute autre impulsion parasite. Dans le cas d'un convertisseur alimenté par une batterie de véhicule de tension nominale 12 volts, une telle diode de protection peut faire perdre jusqu'à 1 volt de tension au niveau du convertisseur, ce qui représente un tiers de la tension disponible lorsque la tension de la batterie disponible, durant une phase de chute de tension, n'est que de 3 volts. Dans ces conditions, la suppression de la diode de protection par un mécanisme de dérivation permet un gain important lorsque l'on s'approche des conditions extrêmes de fonctionnement du convertisseur. En s'affranchissant de la perte de tension entraînée par la présence de la diode de protection, le convertisseur selon l'invention présente de meilleures performances en élévation de tension, à partir d'une tension plus faible, et permet donc de mieux répondre aux fortes contraintes actuelles. [0015] Un autre objet de l'invention est un dispositif de maintien de tension pour batterie électrique, comportant un convertisseur continu/continu élévateur de tension tel que décrit ci-dessus ; des moyens de mesure de la tension de la batterie ; un micro-contrôleur adapté à commander l'interrupteur d'élévateur pour activer le convertisseur lorsque la tension de la batterie est inférieure à un seuil prédéterminé. Ce seuil prédéterminé peut être de 3V. [0016] Le convertisseur selon l'invention peut également comporter les caractéristiques ad- ditionnelles suivantes, seules ou en combinaison : le dispositif de dérivation comporte un interrupteur de dérivation dont les bornes sont reliées aux bornes de la diode de protection. [0017] L'interrupteur de dérivation est un transistor adapté, lorsqu'il est en mode passant, à court-circuiter la diode de protection ; la diode de protection est constituée par la diode interne du transistor. [0018] L'électrode d'entrée du transistor est reliée à un circuit de commande comportant un condensateur de pompe de charge adapté à se charger lorsque le convertisseur est activé. L'électrode d'entrée désigne la grille dans le cas d'un transistor à effet de champ, tel qu'un transistor MOSFET. [0019] Le transistor est un transistor Mosfet à effet de champ de type P et le circuit de commande comporte une première branche comportant un premier condensateur et une première diode de commande en série, cette première branche étant reliée entre l'anode de la diode de protection et la masse, la cathode de la première diode de commande étant reliée à la masse ; une deuxième branche comportant une deuxième diode de commande dont la cathode est reliée au premier condensateur et à la première diode de commande, et dont l'anode est reliée à la grille de l'interrupteur de dérivation ; un condensateur de pompe de charge dont l'une des électrodes est reliée à la grille du transistor, et dont l'autre électrode est reliée à la masse. [0020] Le transistor Mosfet est un transistor à effet de champ de type N et le circuit de commande comporte une première branche comportant une diode de commande et une résistance en série, cette première branche étant reliée entre la bobine et la grille du transistor, la cathode de la diode de commande étant reliée à la résistance ; une deuxième branche comportant un condensateur de pompe de charge, reliée d'une part entre la diode de commande et la résistance et reliée d'autre part à l'anode de la diode de protection. Description des dessins [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : [0022] [fig.1] représente une vue schématique d'un calculateur couplé à un capteur de type source de tension. [0023] [fig.2[ représente un convertisseur selon un deuxième mode de réalisation de l' invention. Description des modes de réalisation 100241 Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments, c'est-à-dire que les éléments communs au premier et au deuxième mode de réalisation portent les mêmes références numériques. 100251 La figure 1 illustre un premier mode de réalisation de l'invention. Cette figure est un schéma électrique montrant un convertisseur 1 continu/continu élévateur de tension. Ce convertisseur 1 comporte une entrée d'alimentation 2 destinée à être reliée au pôle positif d'une batterie de véhicule et comporte une sortie 3 destinée à alimenter un calculateur du véhicule. 100261 Le convertisseur 1 comporte, de manière classique, une bobine 4, un condensateur 5, une diode d'élévateur 6 et un interrupteur d'élévateur 7. Le convertisseur 1 est un convertisseur élévateur de tension, également dénommé « convertisseur boost » ou « step-up », en anglais, qui convertit une tension continue provenant de la batterie en une autre tension continue de plus forte valeur destinée au calculateur, en cas de chute de tension de la batterie. Lorsque l'interrupteur d'élévateur 7 est fermé, le courant augmente dans la bobine 4 et de l'énergie électrique y est ainsi stockée. Lorsque l'interrupteur d'élévateur 7 est ouvert, le condensateur 5 se charge. Le fonctionnement d'un convertisseur continu/continu élévateur de tension est bien connu et ne sera pas décrit plus en détail ici. La commande de r interrupteur d'élévateur 7 peut être réalisée par tout circuit électronique connu et peut, de plus, être réalisée directement par le calculateur que le convertisseur 1 alimente. [0027] Le convertisseur 1 comporte également une diode de protection 8, qui est par exemple une diode Schottky, dont l'anode est connectée à la bobine 4 et dont la cathode est connectée à l'interrupteur d'élévateur 7. Comme indiqué plus haut, cette diode de protection 8 est impérative, notamment dans une application automobile, pour protéger le dispositif contre les impulsions transitoires indésirables. [0028] L'utilisation d'une diode de Schottky permet de limiter la chute de tension présente aux bornes de la diode. Cette chute de tension, même ainsi limitée, reste trop élevée lors d'une forte chute de tension de la batterie et lorsqu'une puissance importante est à fournir au calculateur, car la diode dissipe alors une part non négligeable de puissance. [0029] Le convertisseur 1 comporte de plus un dispositif de dérivation 9 de la diode de protection 8. L'expression « dispositif de dérivation » désigne ici un dispositif permettant à un flux de contourner un élément par un chemin dérivé. Les dispositifs de dérivation sont également couramment dénommés « hy pals », en anglais. Le dispositif de dérivation 9 permet ici au courant électrique de contourner la diode de protection 8 au moment opportun pour permettre d'éviter toute dissipation d'énergie dans la diode de protection 8. [0030] Le dispositif de dérivation 9 comporte un interrupteur de dérivation 10 ainsi qu'un circuit de commande 11 pour cet interrupteur de dérivation 10. L'interrupteur de dérivation 10 est par exemple un transistor MOSFET. Dans ce premier mode de réalisation, le transistor MOSFET constituant l'interrupteur de dérivation 10 est de type P et est connecté au circuit de sorte que son drain soit relié à l'anode de la diode de protection 8, que sa source soit reliée à la cathode de la diode de protection 8 et que sa grille soit connectée au circuit de commande 11. Une résistance 12 schématise sur la figure la résistance interne du transistor MOSFET constituant l'interrupteur de dérivation 10. [0031] Le circuit de commande 11 comporte ici un premier condensateur 13 et un condensateur de pompe de charge 14, ainsi qu'une première diode de commande 16 et une deuxième diode de commande 15. Ces éléments sont agencés, dans le présent exemple, comme suit le premier condensateur 13 est relié d'une part à l'anode de la diode de protection 8, et est relié d'autre part à l'anode de la première diode de commande 16 ; la cathode de la première diode de commande 16 est reliée à la masse ; la deuxième diode de commande 15 est connectée entre le premier condensateur 13 et 6 la première diode de commande 16 par sa cathode, et est reliée par son anode à la grille de l'interrupteur de dérivation 10 ; le condensateur de pompe de charge 14 est relié d'une part à la masse et est relié d'autre part entre la deuxième diode de commande 15 et la grille de l'interrupteur de dérivation 10. [0032] Le convertisseur 1 qui vient d'être décrit fonctionne de la manière indiquée ci-après. Lorsque la batterie du véhicule présente à ses homes une tension supérieure à une tension-seuil d'activation (par exemple 8 volts), le convertisseur 1 n'est pas activé. La batterie du véhicule alimente donc directement le calculateur dont la tension d'alimentation est donc la tension exacte de la batterie. [0033] Lorsque la tension de la batterie chute en dessous de la tension-seuil d'activation, le convertisseur 1 est activé afin de remonter la tension d'alimentation du calculateur à la valeur nominale de 12 volts. Conformément au fonctionnement classique d'un convertisseur continu/continu élévateur de tension, l'interrupteur d'élévateur 7 oscille entre une position passante et une position bloquée selon un rapport cyclique choisi pour permettre de passer de la tension batterie à la tension nominale d'alimentation du calculateur. [0034] Bien que la commande de l'interrupteur d'élévateur 7 soit la même que pour un convertisseur 1 classique, le circuit de commande 11 intervient par ailleurs pour court-circuiter la diode de protection 8 grâce au dispositif de dérivation, lorsque le convertisseur élévateur de tension est actif en vue de remédier à une chute de tension de la batterie. [0035] Lorsque le convertisseur est ainsi actif, la source de l'interrupteur de dérivation 10 est mise à la masse à chaque période où l'interrupteur d'élévateur 7 est passant. Durant l'activation du convertisseur 1, le condensateur de pompe de charge 14 se charge négativement (voir flèche 17 de la figure 1). Une tension négative est ainsi forcée sur la grille de l'interrupteur de dérivation 10. L'interrupteur de dérivation 10 étant, dans le présent exemple, un transistor MOS de type P, la tension négative forcée sur sa grille le rend passant, de sorte que la diode de protection 8 est court-circuitée par l'interrupteur de dérivation 10. Ainsi, lorsque l'interrupteur d'élévateur 7 est passant dans le but d'accumuler de l'énergie électrique dans la bobine 4, la tension aux bornes de la bobine 4 n'est pas diminuée de la tension aux bornes de la diode de protection 8. Comme exposé précédemment, dans un cas critique où la tension de la batterie après une chute de tension serait de 3 volts, la mise hors circuit de la diode de protection 8 permet de gagner 1 volt de tension soit un gain d'un tiers de la tension disponible. [0036] Lorsque le convertisseur 1 n'est plus activé, l'interrupteur d'élévateur 7 restant bloqué, le potentiel de la grille de l'interrupteur de dérivation 10 redevient nul et l'interrupteur de dérivation 18 se bloque. [0037] La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel le 7 dispositif de dérivation 9 utilise un interrupteur de dérivation 10 qui est constitué par un transistor MOSFET de type N. Dans ce deuxième mode de réalisation, le convertisseur 1 est également classique en ce qui concerne le condensateur 5 d'élévateur, la diode d'élévateur 6, l'interrupteur d'élévateur 7 et la diode de protection 8. [0038] Le dispositif de dérivation 9 de ce deuxième mode de réalisation comporte un in- terrupteur de dérivation 18 (qui est donc de type N) dont le drain et la source sont reliés aux deux électrodes de la diode de protection 8. La grille de l'interrupteur de dérivation 18 est reliée à une résistance 19 elle-même reliée à la cathode d'une diode de commande 20. L'anode de la diode de commande 20 est reliée à l'entrée d'alimentation, c'est-à-dire à la borne positive de la batterie. Un condensateur de pompe de charge 21 est de plus branché par l'une de ses électrodes, entre la cathode de la diode de commande 20 et la résistance 19 et, par l'autre de ses électrodes, à la source de l'interrupteur de dérivation 18. Une résistance 22 schématise la résistance interne de l'interrupteur de dérivation 18. [0039] Dans cette configuration du deuxième mode de réalisation, lorsqu'en cas de chute de tension, le convertisseur 1 est activé, l'interrupteur d'élévateur 7 passe donc cycliquement entre ses états passants et bloqués. Durant l'activation du convertisseur 1, le condensateur de pompe de charge 21 se charge par paliers jusqu'à ce que la tension à ses bornes se stabilise, de sorte qu'une tension positive est appliquée à la grille de l'interrupteur de dérivation 18 qui devient donc passant, court-circuitant la diode de protection 8 avec les mêmes conséquences avantageuses que pour le premier mode de réalisation. [0040] Lorsque le convertisseur 1 n'est plus activé, l'interrupteur d'élévateur 7 étant donc maintenu bloqué, il n'y a plus de courant circulant dans le condensateur de pompe de charge 21 qui se décharge dans les résistances et l'interrupteur de dérivation 18 passe à l'état bloqué. La diode de protection 8 reprend alors sa fonction. [0041] Selon une variante possible pour le premier et le deuxième mode de réalisation, la diode de protection 8 est constituée par la diode interne de l'interrupteur de dérivation 10,18. [0042] A titre d'exemple, des mesures ont pu être réalisées pour quantifier le gain apporté par le court-circuitage de la diode de protection 8. Avec une tension de batterie de 3V et la présence de la diode de protection 8, on mesure une perte de 1,2W lorsqu'on alimente un calculateur de 15W, et une perte de 2,14W pour un autre calculateur de 30W. Avec la même tension de batterie de 3V et, cette fois-ci, la diode de protection court-circuitée, la perte pour un calculateur de 15W est de 0,162W et la perte pour un calculateur de 30W est de 0.84W. 8