Brevet FR3089707A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Système électronique de coupure de courant doté d'une solution de coupure rapide. Domaine technique [0001] L'invention concerne un équipement de protection électrique, et plus particulièrement un disjoncteur électronique de coupure de courant destiné à être monté sur un circuit électrique d'un aéronef. Technique antérieure [0002] Un disjoncteur électronique statique est un disjoncteur électronique qui peut être piloté par un microcontrôleur connu sous la dénomination anglaise de Solid State Power Controller (SSPC). Ce type de disjoncteur a une fonction de protection des câbles mais aussi de commutation des charges à distance. Grâce à ses caractéristiques électroniques, il peut embarquer également de nombreuses fonctions supplémentaires telles que l'actionnement sur logique de commande, la détection des arcs électriques, la mesure de courant, la transmission d'information à l'équipage ou au système de maintenance. Les SSPC peuvent être configurés pour des courants alternatifs (AC) ou continus (DC) de petite et moyenne puissance. [0003] Le disjoncteur électronique est dit statique en ce qu'il ne comporte pas d'élément en déplacement comme dans les disjoncteurs électromécaniques. [0004] Un disjoncteur électronique tel qu'un SSPC est paramétrable afin de pouvoir s'adapter à différentes configurations de câblage dans un aéronef. Les paramètres comportent généralement des informations du type « calibre de protection en courant », « état par défaut », « consignation », etc. [0005] Ces disjoncteurs électroniques sont composés généralement de deux transistors commandés MOSFET montés tête-bêche (high side & low side) dans le cas d'un SSPC en courant alternatif, ou bien d'un seul transistor commandé MOSFET dans le cas d'un SSPC en courant continu pour la partie interrupteur de puissance, et d'une unité électronique de commande pour commander et surveiller l'évolution du courant dans le câble en accord avec les paramètres de configuration reçus. Plusieurs fonctions de protection (Ft, Fonction mémoire Thermique) peuvent être gérées en parallèle par le microcontrôleur au travers d'une acquisition du courant traversant le SSPC qui peut être effectuée par l'intermédiaire d'un shunt de mesure ou tout autre dispositif (le mesure du courant. [0006] Sur la figure 1 est représenté schématiquement un disjoncteur statique SSPC al- ternatif monophasé selon l'état de la technique. [0007] Le disjoncteur statique SSPC alternatif 1 comprend deux transistors MOSFET 2 2 montés tête bêche en série entre une home d'entrée 3 et une borne de sortie 4, un moyen 5 de mesure du courant traversant les deux transistors commandés 2 et montés entre les deux transistors commandés 2, et une unité électronique de commande 6 alimentée par un bloc d'alimentation 7 et couplée à un bloc de communication 8 qui est raccordé à un bus de communication 9. [0008] Lorsqu'un défaut de courant est détecté, l'unité électronique de commande envoie un ordre de commande OFF à la grille des transistor de puissance MOSFET. [0009] Le dimensionnement de la partie puissance (MOSFET) du SSPC est conditionné par sa capacité à dissiper l'énergie reçue au moment de l'ouverture, a fortiori en cas de court-circuit (courant élevé). En effet l'énergie absorbée par les transistors de puissance MOSFET est de la forme 1/2L.12 avec L l'impédance du circuit depuis la source (générateur) jusqu'au défaut de ligne et I le courant seuil à partir duquel on décide d'ouvrir la ligne. [0010] Cc seuil de courant est relativement élevé car le SSPC ne doit pas s'ouvrir en cas d'appel de courant au démarrage d'une charge. Pour des applications aéronautiques, les charges doivent respecter les normes D0160 ou ABD0100 et ne pas dépasser certains niveaux de courant d'appel, ou inrush en anglais, en fonction du temps comme cela est indiqué sur la figure 2 qui présente une représentation graphique du courant d'appel en fonction du temps autorisé par la norme D0160 en pointillés, du temps autorisé par la norme ABD0100 1.8 en trait mixte pour un SSPC calibré à 5 A (le courant de 5 A est représenté en trait continu fin), et du courant au-dessus duquel le câble risque de subir des dommages en trait fort. [0011] Comme illustré sur la figure 2, pour les applications aéronautiques, ces appels de courant sont de l'ordre de 8 à 9 fois le courant nominal de la ligne pendant une durée de 2 à 3 ms, puis 4 fois le courant nominal pendant un second plateau de 500 ms. [0012] Dans certains cas de montée rapide du courant dans les transistors de puissance MOSFET, par exemple dans un cas de défaut de ligne direct, le système d'acquisition de courant géré par le microcontrôleur n'est pas assez rapide pour ouvrir la ligne avant que le courant n'atteigne une valeur pouvant être destructrice pour le transistor MOSFET. [0013] Pour éviter cette destruction, il est connu d'ajouter un comparateur analogique en parallèle du traitement logiciel afin de détecter rapidement tout sur-courant et d'ouvrir immédiatement la ligne. [0014] Bien que cette solution présente l'avantage d'être simple, elle a le défaut de ne pas être suffisamment robuste en cas de perturbations électromagnétiques du circuit électronique de mesure du SSPC, comme par exemple en cas de foudre ou d'agression électrique en provenance du réseau électrique de l'avion. [0015] En outre, pour un SSPC en courant alternatif, deux cas de dimensionnement sont à 3 considérer : le cas de court-circuit entre phase et neutre, et le cas de court-circuit entre 2 phases, la tension réseau à considérer vue aux bornes du SSPC étant différente. Exposé de l'invention [0016] L'invention vise à fournir une solution permettant de rendre plus robuste la détection rapide de sur-courant en cas de court-circuit sur faible impédance, tout en évitant d'augmenter le niveau de courant et l'énergie devant être absorbée par les transistors de puissance MOSFET, tout ceci en cherchant à optimiser au plus juste besoin le nombre de transistors de puissance utilisés en parallèle. [0017] Dans un premier objet de l'invention, il est proposé un dispositif électronique de coupure de courant comprenant au moins un transistor commandé, des moyens de mesure de courant, et une unité électronique de commande couplée audit au moins un transistor et aux moyens de mesure de courant. [0018] Selon une caractéristique générale de l'invention, l'unité de commande comprend : - un premier comparateur configuré pour comparer au moins une mesure de courant à un seuil de courant, un module de détermination de la vitesse de variation du courant à partir d'au moins deux mesures de courant, un second comparateur configuré pour comparer au moins une vitesse de variation du courant à un seuil de vitesse de variation de courant, un module de commande configuré pour commander l'ouverture dudit au moins un transistor en fonction du résultat du premier comparateur et du second comparateur. [0019] Lc dispositif électronique de coupure de courant selon l'invention permet de confirmer l'apparition d'un court-circuit et de le distinguer du cas d'un appel de courant acceptable (inrush) grâce à une anticipation de l'évolution de la pente du courant, c'est-à-dire la vitesse de variation du courant, en plus d'une solution matérielle de déclenchement sur seuil fixe. [0020] Lc seuil de déclenchement matériel détecte le courant maximum supportable par le transistor commandé et déclenche une interruption au niveau de l'unité électronique de commande. [0021] L'anticipation de l'évolution du courant est quant à elle faite par l'acquisition permanente et rapide de deux valeurs successives de courant pour déterminer en temps réel la vitesse de variation du courant. Avant même l'apparition de l'interruption matérielle, il est donc possible d'anticiper l'évolution du courant et de prédire un défaut. En effet, il est facile de distinguer entre l'évolution du courant lié à un court-circuit sur l'impédance du générateur seul et l'évolution du courant lié à un appel de courant de charge sur une impédance de circuit constituée de l'impédance du générateur ad- ditionnée à l'impédance de la charge, comme cela est illustré sur la figure 3. [0022] La figure 3 est une représentation graphique de l'intensité du courant en fonction du temps. Sur la figure 3 sont représentées la pente de courant d'appel en trait pointillés et la pente de courant de court-circuit en trait continu. Les pentes de courant correspondent aux vitesses de variation des courants. [0023] En fonction du paramétrage choisi, le dispositif électronique de coupure ouvrira le circuit électrique si l'évolution du courant pendant sa montée est située entre ces deux courbes, c'est-à-dire au-dessus d'un courant d'appel de charge, mais en dessous d'un courant de court-circuit, et si le seuil de courant est dépassé, le seuil pouvant correspondre à n fois le courant nominal du circuit électrique, le courant nominal correspondant au courant autorisé sur le circuit pour un fonctionnement normal. [0024] Le dispositif électronique de coupure de courant selon l'invention utilise ainsi deux informations bien distinctes : un seuil de courant fixe paramétrable et un calcul de la vitesse de variation du courant en utilisant au minimum deux acquisitions successives. L'utilisation de ces deux informations distinctes permet de garantir la robustesse de la détection du court-circuit et éviter toute détection intempestive en cas de foudre ou d'agression électrique. [0025] Dans un premier aspect du dispositif électronique de coupure de courant, ledit au moins un transistor commandé peut être un transistor à effet de champ à grille isolée (MOSFET). [0026] Dans un deuxième aspect du dispositif électronique de coupure de courant, l'unité électronique de commande peut être un microcontrôleur. [0027] Dans un troisième aspect du dispositif électronique de coupure de courant, l'unité électronique de commande peut comprendre une mémoire configurée, d'une part, pour stocker en mémoire un premier déclencheur lorsque la valeur absolue d'une mesure de courant comparée par le premier comparateur est supérieure au seuil de courant et, d'autre part, pour stocker en mémoire un second déclencheur lorsque la valeur absolue de la vitesse de variation de courant comparée par le second comparateur est supérieure au seuil de vitesse de variation de courant. [0028] Dans un quatrième aspect du dispositif électronique de coupure de courant, l'unité électronique de commande peut comprendre en outre un module de réinitialisation configuré pour vider la mémoire si ledit au moins un transistor commandé est toujours fermé après l'expiration d'un délai prédéterminé à compter de la mémorisation du premier déclencheur ou du second déclencheur. [0029] Dans un cinquième aspect du dispositif électronique de coupure de courant, les moyens de mesures de courant peuvent être configurés pour réaliser des mesures à une fréquence comprise entre 10 et 100 kHz. [0030] Dans une troisième objet de l'invention, il est proposé un système électronique comprenant deux dispositifs électroniques de coupure du courant tels que définis ci-dessus et fonctionnant en parallèle pour détecter un courant de court-circuit entre deux phases, chacun des deux dispositifs protégeant une charge connectée sur une phase dudit dispositif. [0031] Dans un troisième objet de l'invention, il est proposé un procédé de déclenchement d'un dispositif électronique de coupure de courant comprenant au moins un transistor commandé, des moyens de mesure de courant, et une unité électronique de commande couplée audit au moins un transistor et aux moyens de mesure de courant, le procédé comprenant : a) au moins une mesure du courant traversant ledit au moins un transistor commandé, et h) au moins une première comparaison d'une mesure de courant à un seuil de courant. [0032] Selon une caractéristique générale du procédé de déclenchement d'un dispositif élec- tronique de coupure de courant selon l'invention, le procédé comprend en outre : c) au moins une détermination d'une vitesse de variation de courant à partir d'au moins deux mesures de courant, d) au moins une seconde comparaison d'une vitesse de variation de courant à un seuil de vitesse de variation de courant, et c) une commande de l'ouverture dudit au moins un transistor commandé lorsque la valeur absolue d'une mesure de courant est supérieure au seuil de courant et la valeur absolue d'une vitesse de variation de courant est supérieure au seuil de vitesse de variation de courant. [0033] Dans un premier aspect du procédé de déclenchement d'un dispositif électronique de coupure de courant, le procédé comprend au moins une itération des étapes a) à e), les étapes a) à e) étant réitérées tant que le transistor commandé est fermé. [0034] Dans un deuxième aspect du procédé de déclenchement d'un dispositif électronique de coupure de courant, le procédé peut comprendre au moins une première itérations N des étapes a) à e) et une seconde itération N+1 des étapes a) à e), la seconde itération N+1 succédant à la première itération N, les étapes b) à e) de la première itération N étant réalisée en même temps que l'étape a) de la seconde itération suivante N+1, et l'étape a) comprenant à chaque itération au moins deux mesures de courant. [0035] Autrement dit, le procédé peut comprendre au moins deux itérations des étapes a) à e) dont une itération N et une itération suivante N+1, les étapes b) à e) de l'itération N étant réalisées en même temps que l'étape a) de l'itération suivante N+1, et l'étape a) de chaque itération comprenant au moins deux mesures de courant. [0036] En d'autres termes encore, l'étape a) de mesure de l'itération suivante est réalisée en même temps que les étapes b) à e) de traitement des données de l'itération en cours. 6 100371 De cette manière les mesures peuvent être réalisées pendant un temps masqué, c'est-à-dire pendant un temps de traitement des données, ce qui permet de réduire la durée de l'intervalle de temps entre les mesures et le traitement des mesures permettant de déclencher l'ouverture du transistor commandé. [0038] Dans un troisième aspect du procédé de déclenchement d'un dispositif électronique de coupure de courant, le procédé peut comprendre en outre une première mémorisation d'un premier déclencheur lorsque la valeur absolue d'une mesure de courant comparée à l'étape est supérieure au seuil de courant, et une seconde mémorisation d'un second déclencheur lorsque la valeur absolue de la vitesse de variation de courant comparée à l'étape d) est supérieure au seuil de vitesse de variation de courant. [0039] Dans un quatrième aspect du procédé de déclenchement d'un dispositif électronique de coupure de courant, le procédé peut comprendre en outre une réinitialisation d'une mémoire ayant stockée le premier déclencheur ou le second déclencheur lors d'une première itération X des étapes a) à e) du procédé, la mémoire étant réinitialisée si le transistor commandé est toujours fermé à la suite d'un nombre I d'itérations des étapes a) à c) suivant ladite première itération X. Brève description des dessins [0040] L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0041] [fig.1] La figure 1 représente schématiquement un disjoncteur statique SSPC alternatif monophasé selon l'état dc la technique. [0042] [fig.2] La figure 2 est une représentation graphique du courant d'appel en fonction du temps. [0043] [fig.3] La figure 3 est une représentation graphique dc l'intensité du courant en fonction du temps sur laquelle sont représentées la pente de courant d'appel et la pente de courant de court-circuit. [0044] [fig.4] La figure 4 présente schématiquement un dispositif électronique de coupure de courant selon un mode de réalisation de l'invention. [0045] [fig.5] La figure 5 représente un ordinogramme d'un procédé de déclenchement du dispositif électronique de coupure de courant de la figure 4 selon un premier mode de mise en oeuvre. [0046] [fig.6] 7 La figure 6 représente un ordinogramme d'un procédé de déclenchement du dispositif électronique de coupure de courant de la figure 4 selon un second mode de mise en oeuvre. Description des modes de réalisation [0047] Sur la figure 4 est représenté schématiquement un dispositif 10 électronique de coupure de courant selon un mode de réalisation de l'invention. [0048] Le dispositif 10 comprend un bloc de coupure du courant comprenant au moins un transistor commandé MOSFET 12 raccordé entre une borne d'entrée 13 et une borne de sortie 14. La borne d'entrée 13 et la borne sortie 14 sont destinées à être raccordées entre deux bornes d'un circuit électrique dont le courant doit être surveillé, les deux bornes du circuit électrique étant raccordées électriquement ensemble via le dispositif 10 électronique de coupure de courant lorsque le ou les transistor(s) 12 du bloc de coupure du courant sont fermés. [0049] Dans le cas où le dispositif 10 est destiné à surveiller un courant continu, le bloc de coupure du courant comprend un seul transistor commandé 12. Dans le cas où le dispositif 10 est destiné à surveiller un courant alternatif, le bloc de coupure du courant comprend deux transistors commandés 12. Dans la suite de la description de la figure 4, on se placera dans le cas d'un dispositif 10 configuré pour la surveillance d'un courant continu. [0050] Lc dispositif 10 comprend en outre un moyen 15 de mesure du courant traversant le transistor commandé 12 du Hoc de coupure du courant et un microcontrôlcur 16 alimente par un bloc d'alimentation 17 et couplé à un bloc de communication 18 qui est raccorde à un bus de communication 19. [0051] Lc moyen 15 de mesure peut être un capteur dc courant ou bien une résistance shunt coopérant avec un module électronique de mesure intégré au microcontrôlcur 16. [0052] Lc microcontrôlcur 16 comprend un premier comparateur 160 configuré pour comparer une mesure de courant délivrée par le moyen dc mesure 15 à un seuil de courant, un module 161 de détermination de la vitesse de variation du courant à partir d'au moins deux mesures de courant délivrées par le moyen de mesure 15, un second comparateur 162 configuré pour comparer la vitesse de variation du courant à un seuil de vitesse de variation de courant, et un module de commande 163 configuré pour commander l'ouverture du transistor 12 du bloc de coupure du courant en fonction du résultat du premier comparateur 160 et du second comparateur 162. [0053] Le microcontrôleur 16 comprend en outre un module mémoire 164 configuré pour stocker en mémoire un premier déclencheur lorsque la valeur absolue d'une mesure de courant comparée par le premier comparateur 160 est supérieure au seuil de courant, et pour stocker en mémoire un second déclencheur lorsque la valeur absolue de la vitesse 8 de variation de courant comparée par le second comparateur 162 est supérieure au seuil de vitesse de variation de courant. [0054] Le microcontrôlcur 16 comprend en outre un module de réinitialisation 165 configuré pour vider la mémoire du module mémoire 164 si le bloc de coupure du courant est toujours fermé après l'expiration d'un délai prédéterminé à compter de la mémorisation du premier déclencheur ou du second déclencheur. [0055] Sur la figure 5 est illustré un premier logigramme d'un procédé de déclenchement du dispositif électronique 10 de coupure de courant de la figure 4 selon un premier mode de mise en oeuvre. [0056] Dans le premier mode de mise en oeuvre du procédé, on réalise tout d'abord, dans une première étape 500, une première série d'une pluralité de mesures du courant traversant le transistor du bloc de coupure du courant 12 à l'aide du moyen de mesure 15. [0057] La série de mesures de courant est transmise au microcontrôlcur 16 qui réalise ensuite une seconde étape de traitement des données 510. [0058] L'étape de traitement des données 510 comprend une première comparaison 512 d'une pluralité de mesures du courant à un seuil de courant. Si l'une des mesures de courant est supérieure au seuil de courant, un premier indicateur de déclenchement d'interruption de courant est stockée dans le module mémoire 164 dans une étape 513. [0059] L'étape de traitement des données 510 comprend également une détermination 514 d'une pluralité de vitesses de variation du courant à partir d'une pluralité de couple de mesures de courant et de l'intervalle de temps entre les deux mesures du couple. [0060] L'étape de traitement des données 510 comprend aussi une seconde comparaison 516 d'une pluralité de vitesses de variation du courant à un seuil de vitesse de variation de courant. Si l'une des vitesses de variation de courant est supérieure au seuil de vitesse de variation de courant, un second indicateur de déclenchement d'interruption de courant est stockée dans le module mémoire 164 dans une étape 517. [0061] Le procédé comprend en outre une troisième étape 520 de commande de coupure de courant par le module de commande 165 dans laquelle le microcontrôleur 16 commande l'ouverture du transistor commandé dès que les deux indicateurs de déclenchement se trouvent stockés dans le module mémoire 164. [0062] La première étape 500 et la seconde étape 510 sont réitérées tant que la coupure de courant n'a pas été commandée à l'étape 520. [0063] Pour gagner du temps, lorsque la seconde étape 510 de traitement des données est réalisée pour une itération N, la première étape 500 de mesure de courant de l'itération suivante N+1 est lancée en parallèle. Ainsi, si la coupure de courant n'est pas commandée lors l'étape 520 à l'issu de la seconde étape de traitement 510 de l'itération N en cours, la seconde étape de traitement 510 de l'itération suivante N+1 9 peut être réalisée tout de suite après la fin de la seconde étape de traitement 510 de l'itération N qui était en cours. [0064] Dans le cas où le dispositif 10 est configure pour surveiller un courant alternatif, le bloc de coupure du courant 12 comprend deux transistors commandés 12. Dans ce cas, tant que les transistors 12 du bloc de coupure du courant ne sont pas ouverts, chaque mesure de courant réalisée dans la première étape 500 comprend à la fois une mesure de la valeur positive de l'amplitude du signal de courant et une mesure de la valeur négative de l'amplitude du signal de courant. [0065] Ensuite, chacune des premières comparaisons 512 d'une mesure de courant au seuil de courant comprend une comparaison de la valeur positive de l'amplitude du signal de courant à un seuil positif de courant et une comparaison de la valeur négative de l'amplitude du signal de courant à un seuil négatif de courant. Le premier déclencheur est mémorisé si la valeur positive de l'amplitude du signal de courant est supérieure au seuil positif de courant ou si la valeur négative de l'amplitude du signal de courant est inférieure au seuil négatif de courant. [0066] Chacune des déterminations 514 d'une vitesse de variation de courant comprend une détermination d'une vitesse de variation de courant de valeur positive réalisée à partir des valeurs positives d'amplitude du signal de courant de deux mesures successives et une détermination d'une vitesse de variation de courant de valeur négative réalisée à partir des valeurs négatives d'amplitude du signal de courant des deux mêmes mesures successives. Et chaque seconde comparaison 516 d'une vitesse de variation de courant comprend une comparaison de la vitesse de variation de courant de valeur positive à un seuil de vitesse de variation de courant positif et une comparaison de la vitesse de variation de courant de valeur négative à un seuil de vitesse de variation de courant négatif. Le second déclencheur est mémorisé si la vitesse de variation de courant de valeur positive est supérieur au seuil de vitesse de variation de courant positif ou si la vitesse de variation de courant de valeur négative est inférieure au seuil de vitesse de variation de courant négatif. [0067] Par ailleurs, pour détecter un court-circuit entre deux phases d'un circuit électrique fonctionnant avec un courant alternatif, on peut utiliser deux dispositifs électroniques de coupure de courant 10, chacun protégeant une phase, les deux dispositifs de détection fonctionnant alors en parallèle pour surveiller le même courant de court-circuit entre les deux phases. [0068] Le léger retard lié au temps de latence lié à l'exécution de l'interruption logicielle est bénéfique car il permet au second dispositif électronique de coupure de courant de réagir en parallèle, ce qui permet d'optimiser le dimensionnement global du nombre de transistors commandés à utiliser, l'énergie à dissiper étant répartie sur les deux groupes de transistors commandés plutôt que sur un seul groupe. [0069] Sur la figure 6 est illustré un premier logigramme d'un procédé de déclenchement du dispositif électronique 10 de coupure de courant de la figure 4 selon un second mode de mise en oeuvre. [0070] Dans le second mode de mise en oeuvre du procédé, on réalise tout d'abord, dans une première étape 600, une première mesure de courant à l'aide du moyen de mesure 15. [0071] La mesure est transmise au premier comparateur 160 du microcontrôleur 16 qui réalise alors, dans une étape 605, une première comparaison de la mesure de courant à un seuil de courant, et commande le stockage d'un premier indicateur de déclenchement d'interruption de courant dans le module mémoire 164 dans une étape 610 si la mesure de courant est supérieure au seuil de courant. [0072] Dans le même temps, le moyen de mesure 15 réalise une nouvelle mesure de courant dans une étape 615 et la transmet au microcontrôlcur 16. [0073] A la suite de l'étape 615, le module de détermination 161 détermine, dans une étape 620, une détermination d'une vitesse de variation de courant à partir des deux mesures de courant reçues par le microcontrôlcur 16, et transmet cette vitesse au second comparateur 162. [0074] Le second comparateur réalise alors, dans une étape 625, une seconde comparaison de la vitesse de variation de courant déterminé à un seuil de vitesse de variation de courant, et commande le stockage d'un second indicateur de déclenchement d'interruption de courant dans le module mémoire 164 dans une étape 630 si la vitesse de variation de courant est supérieure au seuil de vitesse de variation de courant. [0075] Dans une étape suivante 635, le module de commande 163 contrôle si les deux in- dicateurs de déclenchement d'interruption de courant sont stockés en mémoire, et commande l'ouverture du ou des transistor(s) du bloc de coupure du courant si les deux indicateurs de déclenchement d'interruption de courant sont stockés en mémoire. Sinon, le module de commande 163 commande une réitération des étapes 605 à 635 avec la nouvelle mesure réalisée à l'étape 615 comme première mesure de courant à comparer au seuil de courant. [0076] L'invention fournit ainsi un dispositif de coupure de courant dont la détection de sur- courant est plus robuste et plus rapide en cas de court-circuit sur faible impédance, et évitant d'augmenter le niveau de courant et l'énergie devant être absorbée par les transistors de puissance MOSFET, tout ceci en permettant d'optimiser au plus juste besoin le nombre de transistors de puissance utilisés en parallèle. 11