Brevet FR3112436A1 — publié le 20220114

Ce dispositif de protection (6) d’un circuit de distribution (1) d’une énergie électrique (V IN ) provenant d’une source d’alimentation (2) et destinée à être délivrée à au moins une charge électrique (10), comprend au moins un contrôleur de puissance à semi-conducteurs (6a) couplé entre la source d’alimentation (2) et la charge électrique (10) et comportant au moins une voie électriquement conductrice (3, 5), des moyens d’acquisition (50) aptes à mesurer la tension aux bornes de chaque voie (3, 5) et des moyens de commutation (6b) couplés à chaque voie (3, 5) et aptes à dissiper une énergie électrique lorsque la tension mesurée par les moyens d’acquisition (50) est supérieure à une valeur seuil. Figure pour l’abrégé : Fig 1 Dispositif de protection d’un circuit de distribution d’une énergie électrique La présente invention concerne les circuits de distribution secondaire d’énergie électrique, et plus particulièrement, les moyens de protection de tels circuits destinés à être embarqués à bord d’un aéronef. Techniques antérieures Un aéronef comprend généralement un système électrique comprenant notamment un circuit de distribution primaire et un circuit de distribution secondaire d’énergie électrique. Ces circuits de distribution permettent de distribuer la puissance électrique provenant de sources internes, par exemple des générateurs ou des batteries, ou de sources externes, tels que des unités de puissance ou un groupe de parcs, vers des charges utiles telles qu’un onduleur ou vers d’autres circuits de distribution de l’aéronef. Les circuits de distribution sont de plus en plus souvent équipés de cartes électroniques et de connecteurs permettant de connecter électriquement les sources d’alimentation aux charges de l’aéronef. Les cartes électroniques sont généralement des contrôleurs de puissance à semi-conducteurs à plusieurs voies électriquement conductrices appelés SSPC (pour « Solid State Power Controller » en anglais), dans lesquels chaque voie de la carte SSPC contrôle l’alimentation électrique d’une charge électrique de l’aéronef. Plus particulièrement, en cas de courts-circuits ou de surcharges électriques, les voies des contrôleurs de puissance à semi-conducteurs sont aptes à passer d’un état électriquement passant à un état électriquement non passant afin d’isoler la charge ou un circuit de distribution d’énergie de la source génératrice d’énergie électrique. Autrement dit, les contrôleurs de puissance à semi-conducteurs sont aptes à conduire l’énergie électrique et à interrompre sa circulation sur commande ou lorsqu’on détecte, une surcharge électrique, un court-circuit ou qu’on souhaite cesser d’alimenter la charge. Cependant, pour mettre en œuvre chaque fonction de manière optimale, il est avantageux d’utiliser des composants électroniques ayant des caractéristiques électriques et thermiques spécifiques, ce qui n’est pas toujours le cas des contrôleurs conventionnels. Plus précisément, les mêmes composants électroniques sont utilisés pour mettre en œuvre les fonctions de conduction et de commutation. De plus, avec l’augmentation croissante de la consommation des aéronefs en énergie électrique, il est nécessaire d’augmenter les performances des dispositifs de protection contre les surcharges et les courts-circuits. De plus, en moyenne tension, par exemple 540 volts ou en haute tension, avoisinant les 3000 volts, les courants de défaut augmentent, ce qui amplifie la problématique de la mise en œuvre des fonctions de conduction et de commutation. Il faut alors isoler rapidement le circuit de distribution d’énergie électrique pour minimiser les risques de destruction des charges électriques. Cela génère toutefois des pics de tension pouvant être de l’ordre de plusieurs kilovolts et provoquer notamment la destruction par claquage des composants de mise en œuvre de la commutation, tel qu’un interrupteur. Une solution consiste à limiter ces surtensions en ralentissant l’ouverture des interrupteurs afin de dissiper par effet joule l’énergie parasite stockée dans les lignes du réseau. Cependant, pour mettre en œuvre cette solution lorsqu’il s’agit des moyennes et hautes tensions, on augmente considérablement l’encombrement et le poids du circuit. Le but de l’invention est de pallier les inconvénients précités et, en particulier, de pallier les inconvénients liés à la commutation suite à l’apparition de courants de surcharge ou de courts-circuits dans un circuit de distribution d’énergie électrique de moyenne ou de haute tension et d’empêcher la destruction ou l’altération des câbles, voir des composants du circuit à alimenter. Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet un dispositif de protection d’un circuit de distribution d’une énergie électrique provenant d’une source d’alimentation et destinée à être délivrée à au moins une charge électrique, comprenant : - au moins un contrôleur de puissance à semi-conducteurs couplé entre la source d’alimentation et la charge électrique et comportant au moins une voie électriquement conductrice et, - des moyens d’acquisition aptes à mesurer la tension aux bornes de chaque voie. Ce dispositif comprend des moyens de commutation couplés à chaque voie et aptes à dissiper une énergie électrique lorsque la tension mesurée par les moyens d’acquisition est supérieure à une valeur seuil. En dissociant les composants mettant en œuvre la fonction de conduction des composants assurant la fonction de commutation, on peut optimiser ces composants pour un fonctionnement optimal, et réduire le poids et l’encombrement de chaque fonction. La fonction de conduction est ici réalisée par le contrôleur de puissance à semi-conducteurs et particulièrement par les voies électriquement conductrices, ce qui permet en outre de minimiser les pertes en conduction par l’utilisation de composants ayant une faible résistance électrique. Par ailleurs, les voies conductrices sont en outre dimensionnées pour minimiser la montée en température, notamment par une optimisation de la résistance thermique de conduction et de convection. Les moyens de commutation sont dimensionnés pour dissiper l’énergie électrique parasite stockée dans les lignes du circuit de distribution. Plus particulièrement, les moyens de commutation sont configurés pour limiter la tension dans les lignes de transmission et ainsi limiter les surtensions, et cela pendant une durée comprise par exemple entre 20 et 400 µ s, dès que les voies commutent d’un état électriquement passant à un état électriquement non passant. Avantageusement, le dispositif comprend un circuit de calage actif apte à piloter les moyens de commutation, et une unité de commande apte à piloter le contrôleur de puissance, le circuit de calage étant couplé entre la source d’alimentation et la charge électrique et comportant une chaîne de diodes. Par « circuit de calage actif », communément appelé « active clamp », on entend tout dispositif apte à fixer une tension aux bornes des voies électriquement conductrices à une valeur supérieure à la tension du réseau pour permettre la dissipation de l’énergie contenue dans le circuit de distribution par les moyens de commutation. Ce circuit commande le passage des moyens de commutation d’un état électriquement non passant à un état électriquement passant lorsque la tension mesurée, aux bornes de la voie, électriquement conductrice, est supérieure à la tension seuil, par exemple 900 volts lorsque les lignes du réseau ont une tension plus ou moins égale à 270 volts. Quant au contrôleur de puissance, chaque voie électriquement conductrice est commandée par une unité de commande telle qu’un microcontrôleur ou tout autre dispositif apte à exécuter des instructions machines. Préférentiellement, les moyens de commutation sont en outre pilotés par l’unité de commande. En d’autres termes, on couple la chaîne de diodes du circuit de calage actif et l’unité de commande afin que les moyens de commutation, par exemple des transistors, puissent également délivrer l’énergie électrique à la charge. L’unité de commande et le circuit de calage actif commandent donc les moyens de commutation. De préférence, les moyens de commutation comprennent au moins un transistor à effet de champ ou un transistor bipolaire à grille isolée. Comme moyens de commutation, il est particulièrement avantageux d’utiliser des transistors ayant une tenue élevée aux courts-circuits en régime saturé pour dissiper l’énergie électrique parasite. Il s’agit de transistors ayant une zone de fonctionnement élargie (« Safe Operating Area » en anglais). Quant aux voies électriquement conductrices, il est avantageux d’utiliser des transistors présentant à l’état passant une résistance faible entre le drain et la source (Rdson pour « Drain-Source on Resistance » en anglais). Ils sont pilotés en régime saturé ou bloqué et utilisés principalement pour délivrer le courant à la charge. Avantageusement, le courant d’alimentation du dispositif est continu et le transistor est couplé en série à une première résistance et/ou couplé en série à un ensemble comprenant une deuxième résistance et un condensateur couplés en dérivation. Lorsque le courant électrique à délivrer est continu, les moyens de commutation peuvent en outre comprendre une première résistance ayant une valeur comprise entre 0.5 ohm et 5 ohms et couplée en série avec un transistor à effet de champ ou bipolaire à grille isolée afin qu’elle puisse contribuer à la dissipation de l’énergie parasite, ce qui permet de réduire les dimensions du transistor. Les moyens de commutation peuvent comporter un condensateur couplé en dérivation à une deuxième résistance, l’ensemble étant couplé à la première résistance et/ou au transistor, ce qui permet après ouverture de la voie électriquement conductrice, de dissiper la chaleur du transistor et de décharger l’énergie électrique parasite accumulée, du condensateur vers la deuxième résistance. De préférence, le courant d’alimentation est alternatif ou continu, le dispositif étant apte à protéger le circuit de distribution d’énergie électrique lorsque le courant d’alimentation circule dans un ou deux sens. Pour une conduction de l’énergie électrique dans un seul sens, la chaîne de diodes comporte, non limitativement, au moins deux diodes raccordées dans des sens passants opposés. L’énergie électrique circule ainsi dans un sens unique vers les moyens de commutation. Par ailleurs, l’homme du métier saura réaliser les couplages nécessaires à la circulation de l’énergie électrique dans un ou deux sens. Avantageusement, le dispositif est apte à séparer la source d’alimentation de la charge électrique. Préférentiellement, les moyens de commutation sont couplés en parallèle entre ladite au moins une voie du contrôleur de puissance. Autrement dit, on couple en série les moyens de commutation et une voie électriquement conductrice, les moyens de commutation étant disposés de part et d’autre de ladite voie, ce qui a pour avantage de rendre le contrôleur de puissance à semi-conducteurs moins sensible à une potentielle panne d’une pluralité de transistors. De plus, en disposant ainsi les moyens de commutation en parallèle, les moyens de commutation sont mutualisés. Autrement dit, comme on utilise moins de composants, le contrôleur de puissance est moins sujet aux pannes. Il est également proposé un circuit de distribution d’une énergie électrique provenant d’une source d’alimentation et destinée à être délivrée à au moins une charge électrique. Le circuit de distribution comporte un dispositif de protection tel que défini ci-dessus. L’invention a encore pour objet un aéronef comportant un circuit de distribution d’énergie électrique tel que défini ci-dessus. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins indexés sur lesquels : illustre schématiquement un circuit de distribution d’énergie électrique apte à délivrer un courant continu ou alternatif et comportant un dispositif de protection ; représente de manière schématique les moyens de commutation du circuit de distribution d’énergie électrique à courant continu, selon un premier mode de réalisation de l’invention ; illustre un deuxième mode de réalisation des moyens de commutation ; et représentent de façon détaillée les moyens de commutation du circuit de distribution d’énergie électrique à courant continu selon un troisième et un quatrième mode de réalisation de l’invention ; illustre schématiquement un premier mode de réalisation du circuit de distribution d’énergie électrique alternative ; et représentent de façon détaillée les voies électriquement conductrices et les moyens de commutation aptes à couper le courant électrique dans ses deux sens de circulation ; illustre un exemple de circuit de distribution d’énergie électrique à courant continu ou alternatif comprenant des moyens de commutation aptes à couper le courant lorsqu’il circule dans un sens défini et, représente le circuit de distribution d’énergie électrique continue ou alternative dans lequel les moyens de commutation sont couplés en série à une voie électriquement conductrice. On se réfère à la figure 1 qui illustre un circuit de distribution d’énergie électrique destiné à être embarqué à bord d’un aéronef et désigné par la référence numérique générale 1. Le circuit de distribution d’énergie électrique 1 comporte une source 2 génératrice de tension alternative ou continue V IN apte à être délivrée à une charge électrique 10, un onduleur ou un redresseur par exemple. Il comporte en outre un dispositif de protection 6 destiné à prévenir toute propagation de surcharges électriques dans le circuit électrique 1 en isolant la charge 10 de la source 2, et cela une fois le défaut apparu. Pour ce faire, le dispositif de protection 6 comporte un contrôleur de puissance à semi-conducteurs 6a couplé entre la source génératrice de tension 2 et la charge électrique 10 pour délivrer l’énergie électrique V OUT à ladite charge et la protéger ainsi que les câbles contre les surcharges ou les courts-circuits. Plus particulièrement, le contrôleur de puissance 6a comprend ici une voie électriquement conductrice 3, tel qu’un interrupteur, apte à passer d’un état électriquement passant à un état électriquement non passant dès détection d’une surcharge ou d’un court-circuit. La voie électriquement conductrice 3 est ainsi dimensionnée pour minimiser les pertes en conduction en utilisant des composants ayant une faible résistance électrique. Elle est en outre dimensionnée pour minimiser la montée en température, notamment en ayant un système de refroidissement présentant une faible résistance thermique de conduction et/ou de convection. Le dispositif de protection 6 comporte en outre des moyens de commutation 6b comportant ici un interrupteur 12 apte à dissiper l’énergie parasite stockée dans ledit circuit 1 pendant une durée de l’ordre d’une milliseconde. Par ailleurs, les moyens de commutation 6b sont couplés en parallèle entre les bornes de la voie électriquement conductrice 3. Ils sont dimensionnés de sorte à dissiper l’énergie parasite contenue dans l’inductance du circuit de distribution d’énergie électrique 1. Un circuit de calage actif non visible sur la figure est apte à piloter les moyens de commutation 6b et plus particulièrement l’interrupteur 12. Plus précisément, le circuit de calage actif est configuré pour limiter la tension lors du passage de l’interrupteur 12 d’un état électriquement passant à un état électriquement non passant dès le dépassement d’une valeur de seuil de tension aux bornes de la voie électriquement conductrice 3. A titre d’exemple, la valeur de seuil est supérieure à 900 volts lorsque la tension est continue sur un réseau de plus ou moins 270 volts. On se réfère à la figure 2 qui représente, de manière schématique, un premier mode de réalisation des moyens de commutation 6b lorsque l’énergie électrique générée par la source 2 est continue. Dans ce cas, la source génératrice 2 est apte à générer un courant en moyenne ou haute tension de type « HVDC » (pour « High Voltage Direct Current » en anglais), de l’ordre de 270 volts par bus d’alimentation. Le dispositif de protection 6 est ici couplé de part et d’autre des lignes de transmission 4 et 8, respectivement en amont et en aval du dispositif de protection 6. Plus précisément, les lignes de transmission 4 sont couplées aux bornes de la source 2 du circuit de distribution 1 et les lignes de transmission 8 sont couplées à la charge électrique 10. Ces lignes de transmission 4 et 8 sont représentées par des inductances, ayant chacune par exemple, une valeur typique d’environ 1 μH par mètre de câble de transmission. Dans cet exemple, il y a deux voies électriquement conductrices 3 et 5, la voie 3 étant couplée entre les bornes A+ et A- du bus positif et la voie 5 entre les bornes B+ et B- du bus négatif du circuit de distribution 1. Chaque voie est couplée en parallèle à des moyens de commutation 6b et plus particulièrement à l’interrupteur 12, par exemple un ou plusieurs transistors à effet de champ ou bipolaire à grille isolée en parallèle. Dans la figure 3, l’interrupteur 12 est en outre couplé en série à un ensemble comprenant une résistance R1 couplée en dérivation à un condensateur C1, ce qui permet de stocker de l’énergie électrique parasite pendant l’ouverture des voies électriquement conductrices 3 et 5 et limiter la tension entre les bornes A+ et A- et entre les bornes B+ et B-. Plus précisément, avant l’ouverture des voies électriquement conductrices 3 et 5, la tension différentielle entre les bornes A et B est inférieure à la valeur de tension de seuil, la résistance R1 maintenant le condensateur C1 déchargé. Après l’ouverture des voies électriquement conductrices 3 et 5, la chute de courant dans ces voies provoque une surtension aux bornes des inductances 4 et 8 qui est proportionnelle à la variation de courant. La variation de courant étant négative et la tension étant de valeur fixe aux bornes de la source 2, la tension varie entre les bornes A+/A- et B+/B-. Lorsque la tension différentielle entre les bornes A+ et A- ou entre B+ et B- devient supérieure à la valeur de seuil, le circuit de calage actif ferme l’interrupteur 12 entre les bornes A+ et A- ou B+ et B-. Le condensateur C1 commence alors à se charger rapidement, ce qui permet de transférer l’énergie parasite des inductances 4 vers le condensateur C1 qui se décharge ensuite dans la résistance R1. A titre d’exemple, le condensateur C1 a une capacité comprise par exemple entre 5 et 20 µF et peut être fabriqué en polypropylène métallisé. Dans les modes de réalisation illustrés dans les figures 4A et 4B, les moyens de commutation 6b ainsi que le circuit de calage actif 14 sont couplés entre les pôles positifs et négatifs A+ et B+ du bus d’alimentation de la source 2. Dans ce cas, lorsque la tension différentielle entre A et B devient supérieure à la valeur de seuil du circuit de calage actif 14, le circuit de calage actif 14 ferme l’interrupteur 12. Le couplage présenté dans les figures 4A et 4B a pour avantage de diviser par deux le seuil de début de limitation en tension par rapport à un montage du type figure 3 : un seul circuit de calage actif 900V en parallèle à la charge figure 4A et 4B, contre deux circuits de calage actif 900V en série avec la charge figure 3 (d’où un seuil de début de limitation en tension total à 1800V). Il permet en outre de mutualiser la fonction de commutation mise en œuvre par les moyens de commutation 6b si plusieurs charges y sont couplées au travers des contrôleurs de puissance 6a. Dans ces exemples, le condensateur C1 est couplé en série à une résistance R2 qui contribue à la dissipation de l’énergie électrique parasite. Le circuit de calage actif 14 comprend ici une chaîne de diodes 50 de type diode stabilisatrice de tension de type Zener ou Transil. La chaîne de diode 50 peut par ailleurs comporter 1 à 8 diodes couplées en série chacune pouvant réaliser une limitation en tension de 150 volts à ses bornes pour déclencher un passage de courant à travers le circuit de calage actif à partir de 900 volts par exemple. Le circuit de calage 14 comporte en outre un condensateur C2 couplé en dérivation à une résistance R4, à une résistance R3 en série et à une diode Zener Z1 en parallèle. Le condensateur C2 a une capacité adaptée aux charges et aux décharges rapides de l’ordre, par exemple, d’une centaine de nanofarads et permet de piloter l’interrupteur 12. La résistance R4 est dimensionnée de manière à décharger le condensateur C2 en moins, par exemple, d’une demie seconde. Le circuit de calage actif 14 comporte en outre une diode D2 couplée en série au condensateur C2 afin de bloquer tout courant qui circule en sens inverse dans le circuit de calage 14. Plus particulièrement, comme illustré dans la figure 4A, l’interrupteur 12 est réalisé sous la forme de deux transistors T1 et T2. Alternativement, tel qu’illustré sur la figure 4B, l’interrupteur 12 comprend une diode D1 à la place du transistor T2 servant d’anti-retour de courant dans les moyens de commutation 6b. La figure 5 illustre schématiquement un premier mode de réalisation du circuit de protection 6. Dans cet exemple, le contrôleur de puissance à semi-conducteurs 6a comprend au moins deux transistors à effet de champ TR 1 et TR 2 , le transistor TR 1 étant couplé au niveau de sa source à la source du transistor TR 2 . La grille de chaque transistor TR 1 et TR 2 est pilotée par l’unité de commande 21. Quant aux moyens de commutation 6b, ils comprennent également au moins deux transistors TR 3 et TR 4 à effet de champ ou bipolaires à grille isolée, le transistor TR 3 ayant sa source couplée à la source du transistor TR 4 . La grille de chaque transistor TR3 et TR4 est commandée par le circuit de calage actif 14. Alternativement, tel qu’illustré dans la figure 6A, le contrôleur de puissance à semi-conducteurs 6a comprend au moins deux rangées 100 et 200 comportant des transistors à effet de champ. La première rangée 100 comporte les transistors TR 1 et TR 2 et la deuxième rangée 200 des transistors à effet de champ TR 5 et TR 6 . Les sources des transistors TR 5 et TR 6 sont reliées aux sources des transistors TR 1 et TR 2 . De même, tel qu’illustré dans la figure 6B, les moyens de commutation 6b comprennent au moins deux rangées 300 et 400 de transistors à effet de champ ou bipolaires à grille isolée. La rangée 300 comporte ici les deux transistors TR 3 et TR 4 et la deuxième rangée 400 comporte les transistors TR 7 et TR 8 . Les sources des transistors TR 7 et TR 8 sont reliées aux sources des transistors TR 3 et TR 4 . Cette configuration permet de bloquer ou de conduire le courant dans les deux sens. Afin de couper le courant dans un sens défini, les moyens de commutation 6b comprennent, tel qu’illustré dans la figure 7, le transistor TR 3 et le transistor TR 4 couplés par leur source et leur drain. Par ailleurs, il est possible d’avoir une pluralité de transistors comprenant une pluralité de drains-sources couplés en parallèle. Quant au contrôleur de puissance à semi-conducteurs 6a, il comporte le transistor TR 1 et TR 2 couplés également par leur source et leur drain. Dans le mode de réalisation de la figure 8 les moyens de commutation 6b sont couplés de part et d’autre des moyens de conduction 6a. Autrement dit, en mettant en série les moyens de commutation 6b et la voie électriquement conductrice 3 du contrôleur de puissance 6a, le contrôleur de puissance 6a devient moins sensible aux éventuelles pannes d’une pluralité d’interrupteurs par exemple des transistors. Dispositif de protection (6) d’un circuit de distribution (1) d’une énergie électrique (V IN ) provenant d’une source d’alimentation (2) et destinée à être délivrée à au moins une charge électrique (10), comprenant : - des moyens de conduction (6a) tels que au moins un contrôleur de puissance à semi-conducteurs (6a) couplé entre la source d’alimentation (2) et la charge électrique (10) et comportant au moins une voie électriquement conductrice (3, 5) ; - des moyens d’acquisition (50) aptes à mesurer la tension aux bornes de chaque voie (3, 5) et, caractérisé en ce que le dispositif (6) comprend des moyens de commutation (6b) couplés à chaque voie (3, 5) et aptes à dissiper une énergie électrique lorsque la tension mesurée par les moyens d’acquisition (50) est supérieure à une valeur de seuil. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un circuit de calage actif (14) apte à piloter les moyens de commutation (6b), et une unité de commande (21) apte à piloter le au moins un contrôleur de puissance (6a), le circuit de calage (14) étant couplé entre la source d’alimentation (2) et la charge électrique (10) et comportant une chaîne de diodes (50). Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de commutation (6b) sont en outre pilotés par l’unité de commande (21). Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de commutation (6b) comprennent au moins un transistor (12) à effet de champ ou un transistor bipolaire à grille isolée. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le courant d’alimentation est continu, le transistor (12) étant couplé en série à une première résistance (R2) et/ou couplé en série à un ensemble comprenant une deuxième résistance (R1) et un condensateur (C1) couplés en dérivation. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le courant d’alimentation est alternatif ou continu, le dispositif étant apte à protéger le circuit de distribution d’énergie électrique (1) lorsque le courant d’alimentation se propage dans un ou deux sens. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le dispositif (6) est apte à séparer la source d’alimentation (2) de la charge électrique (10). Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les moyens de commutation (6b) sont couplés en parallèle de part et d’autre de ladite au moins une voie du contrôleur de puissance (3). Circuit de distribution (1) d’une énergie électrique (V IN ) provenant d’une source d’alimentation (2) et destinée à être délivrée à au moins une charge électrique (10), caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif de protection (6) selon l’une quelconque des revendications précédentes. Aéronef comprenant au moins un circuit de distribution (1) d’une énergie électrique (V IN ) selon la revendication 9.