Brevet FR3127283A1 — publié le 20230324

L’invention concerne un procédé de mesure de la température d’un onduleur (1) destiné à alimenter un moteur électrique (4), l’onduleur (1) comprenant au moins un transistor (2) du type MOS comportant une source (S), une grille (G) et un drain (D). Le procédé comprend : une étape de mesure d’une tension V DS entre le drain et la source et de mesure d’un courant de drain I Don lorsque le courant traverse le transistor du drain vers la source suivant un sens conventionnel, une étape de calcul d’une résistance R DS à partir de la tension V DS et du courant de drain I Don , et une étape de détermination d’une première température T1 du transistor (2) à partir de la résistance R DS et d’une première loi définissant des valeurs de température T1 en fonction de valeurs de résistance R DS . Figure de l’abrégé : Fig. 1 Procédé de mesure de la température d’un onduleur pour moteurs électriques L'invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de mesure de la température d’un onduleur destiné à alimenter en courant un moteur électrique et plus particulièrement un moteur électrique d’un véhicule automobile. De tels moteurs électriques peuvent être utilisés pour des véhicules électriques ou hybrides, par exemple. Toutefois, bien que particulièrement prévus pour une telle application, le procédé de mesure peut être utilisé dans d’autres domaines. Ces moteurs électriques sont positionnés sur la boîte de vitesses ou à l’arrière d’un véhicule électrique. La boîte de vitesses peut être un réducteur (avec un rapport de réduction unique), par exemple. Classiquement un véhicule électrique est équipé de batteries haute tension délivrant un courant continu à un onduleur qui transforme ce courant continu en un courant alternatif permettant d’alimenter le moteur électrique qui assure la mise en mouvement du véhicule. L’onduleur est connecté aux phases du moteur électrique et comprend des moyens de commutation. Les moteurs électriques comprennent classiquement un stator comprenant une pluralité de bobines destinées à être parcourues par un courant électrique et un rotor comportant des aimants permanents. Dans les moteurs électriques du type précité, la rotation du rotor résulte de l'interaction entre un champ magnétique tournant créé par les bobines du stator et un champ magnétique créé par les aimants du rotor. Le champ magnétique tournant du stator est obtenu en commandant l'alimentation électrique des différentes bobines du stator selon une séquence temporelle définie en fonction de la position relative des pôles du rotor par rapport à ces bobines. Cette commande est réalisée par l’onduleur qui comprend plusieurs transistors à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor (MOS) » en anglais), tels les transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor field effect transistor (MOSFET) » en anglais), par exemple. Certain transistor comme le transistor MOSFET LOW SIDE (en anglais) comporte une source reliée à la masse d’une alimentation électrique, une grille agissant comme un commutateur et un drain relié à une phase du moteur électrique. D’autres transistors comme le transistor MOSFET HIGH SIDE (en anglais) comportent un drain relié à une borne positive de l’alimentation électrique, une grille agissant comme un commutateur et une source reliée à une phase du moteur électrique. Un transistor fonctionne en régime de commutation quand son courant de base est soit très faible (transistor bloqué), soit très intense (transistor saturé). Le transistor se comporte ainsi comme un interrupteur. Le courant de drain change de sens périodiquement et très rapidement. La fréquence des variations de sens est élevée. Elle dépend de la fréquence électrique et donc de la vitesse du rotor. En effet, le courant de drain traverse le transistor du drain vers la source suivant un sens normal ou conventionnel et change de sens pour traverser le transistor de la source vers le drain suivant un sens inverse ou non conventionnel, pendant une courte durée (quelques millisecondes environ). Cependant, le courant de drain peut être important (400 Arms max environ). Par conséquent, la température de l’onduleur peut augmenter et atteindre une température élevée de 175°C risquant d’endommager le transistor qui ne doit pas dépasser une température interne de 175°C. Il est connu d’utiliser des capteurs de température, telles des sondes CTN (Coefficient de Température Négatif), disposés dans l’onduleur au plus près d’un transistor, pour mesurer la température du transistor. Ces capteurs de température sont reliés à un contrôleur commandant un système de régulation en température apte à réguler la température de l’onduleur pour éviter qu’il ne dépasse des températures trop élevées de 175°C, par exemple, ou trop froide, ce qui risquerait de l’endommager. Le problème est que la température de l’onduleur peut monter très rapidement jusqu’à 175°C en moins de 5 secondes. Cependant, la mesure de température n’est pas précise car le capteur de température mesure la température du substrat qui est différente de la température interne et donc réelle du transistor. L’utilisation de ces capteurs de température ne permettent pas non plus une mesure de température en temps réel. Le temps de réponse est élevé car il y a une inertie dans la mesure dû au décalage spatial du capteur de température par rapport au transistor. Il se passe un temps non négligeable entre l’élévation de température du transistor et la diffusion de cette température vers le capteur de température. Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un procédé de mesure de la température d’un onduleur pour moteur électrique permettant un contrôle de la température des transistors en temps réel et en continu pour éviter l’endommagement de l’onduleur par des températures extrêmes (très élevées ou très froides). Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un procédé de mesure de la température d’un onduleur destiné à alimenter un moteur électrique en courant. L’onduleur comprend au moins un transistor du type MOS comportant une source, une grille et un drain. La source et le drain sont reliés à une alimentation électrique ou à une phase du moteur électrique. Selon l’invention, le procédé de mesure de la température comprend une étape de mesure d’une tension V DS entre le drain et la source et de mesure d’un courant de drain I Don lorsque le courant traverse le transistor du drain vers la source suivant un sens conventionnel. Le procédé de mesure de la température comprend également une étape de calcul d’une résistance R DS à partir de la tension V DS et du courant de drain I Don et une étape de détermination d’une première température T1 du transistor à partir de la résistance R DS et d’une première loi définissant des valeurs de température T1 en fonction de valeurs de résistance R DS . L‘invention fournit ainsi un procédé de mesure de la température d’un onduleur pour moteur électrique permettant un contrôle de la température des transistors en temps réel. Le contrôle de la température est plus précis car c’est la température réelle du transistor, à l’intérieur du transistor, qui est mesurée. L’invention permet donc de réduire au maximum le temps de réponse. La température du transistor est directement transmise au contrôleur, sans l’intermédiaire d’un capteur de température, ni lapse de temps entre la diffusion de la température du transistor vers le capteur. Ceci permet de réguler la température de l’onduleur plus rapidement. La température de l’onduleur pouvant atteindre une température élevée de 175°C en moins de 5 secondes, le risque d’endommagement de l’onduleur est donc très réduit. L’invention permet également d’éviter d’utiliser des capteurs de températures externes, simplifiant et allégeant l’onduleur en réduisant les coûts. Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend une étape de mesure d’une tension V S D entre la source et le drain lorsque le courant traverse le transistor de la source vers le drain suivant un sens non conventionnel et une étape de détermination d’une deuxième température T2 du transistor à partir de la tension V S D et d’une deuxième loi définissant des valeurs de température T2 en fonction de valeurs de tension V S D . Comme dit précédemment, le courant de drain change de sens périodiquement et traverse le transistor également de la source vers le drain suivant un sens inverse ou non conventionnel, pendant une courte durée (quelques millisecondes environ). L’invention permet également de mesurer la température durant ce lapse de temps pour gagner en précision. La température du transistor est ainsi mesurée en continu, sans interruption et en temps réel quel que soit le sens du courant de drain. La sécurité de l’onduleur est ainsi améliorée. En variante, le temps d’acquisition pour réaliser les mesures des tensions V DS , V S D et du courant de drain I Don est compris entre 5 ms et 10 ms et de préférence inférieur à 5 ms. Des élévations d’intensités élevées dans l’onduleur peuvent faire monter la température de l’onduleur brutalement, en 5 secondes par exemple. Cette acquisition rapide est adaptée aux variations rapides du sens du courant de drain. En variante, les mesures des tensions V DS , V S D et du courant de drain I Don sont réalisées par un dispositif de contrôle intégré dans l’onduleur. Le procédé utilise le dispositif de contrôle ou microcontrôleur déjà intégré dans l’onduleur, ce qui simplifie et allège l’onduleur et évite d’utiliser des composants externes. En variante, l’onduleur comprenant plusieurs transistors du type MOS, les étapes de mesure de tensions V DS , V S D et de courant de drain I Don pour déterminer les températures T1 et T2 sont réalisées pour plusieurs transistors. Il est ainsi possible de mesurer des températures à plusieurs endroits de l’onduleur pour gagner en précision. Il est également possible de réaliser une moyenne des températures. L’invention concerne également un dispositif de mesure de la température d’un onduleur mettant en œuvre le procédé de mesure tel que défini précédemment. Le dispositif de mesure comprend au moins un transistor du type MOS comportant une source, une grille et un drain. La source et le drain sont reliés à une alimentation électrique ou à une phase du moteur électrique. Selon un mode de réalisation, le dispositif de mesure comprend un dispositif de contrôle comportant des moyens d’acquisition destinés à réaliser l’acquisition d’une tension V DS entre le drain et la grille et l’acquisition du courant de drain I Don . Le dispositif de contrôle comporte des moyens de stockage pour stoker une première loi définissant des valeurs d’une première température T1 en fonction de valeurs de résistance R DS et des moyens de calcul pour déterminer une première température T1 à partir d’une première loi et des valeurs de résistance R DS . L’invention concerne également un véhicule électrique comprenant un dispositif de contrôle tel que défini précédemment. On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, des formes d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles : illustre schématiquement un onduleur, selon un mode de réalisation de l’invention ; illustre un graphique dans lequel est représenté la résistance R DS en fonction de la température selon une première loi ; illustre un graphique dans lequel est représenté la tension V S D en fonction de la température selon une deuxième loi. La illustre un onduleur 1 destiné à alimenter en courant un moteur électrique 4 et plus particulièrement un moteur électrique 4 de véhicule électrique ou hybride. L’onduleur 1 comprend trois bras B1, B2 et B3. L’onduleur 1 est connecté aux phases du moteur électrique par l’intermédiaire des trois bras B1, B2 et B3. Chaque bras B1, B2 et B3 comprend deux transistors 2 du type à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor (MOS) » en anglais). Chaque transistor 2 comporte une source S, une grille G agissant comme un commutateur et un drain D. De préférence, le transistor 2 est un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (« metal-oxyd semiconductor field effect transistor (MOSFET) » en anglais). Dans cet exemple, le transistor est un transistor MOSFET LOW SIDE (en anglais). La source est alors reliée à la masse d’une alimentation électrique et le drain est relié à une phase du moteur électrique. D’autres transistors peuvent être utilisés comme le transistor MOSFET HIGH SIDE (en anglais) comportant un drain relié à la borne positive de l’alimentation électrique et une source reliée à une phase du moteur électrique. Le transistor 2 contrôle le courant passant entre le drain D et la source S, en agissant sur la grille G. Il existe une tension V G S entre la grille G et la source S. Un circuit de commande (non représenté) permet de piloter les transistors 2 qui agissent comme des commutateurs. Le circuit de commande pilote l’ensemble des bras B1, B2 et B3 pour générer des courants triphasés dans les trois phases du moteur électrique 4. Chacun des bras B1, B2 et B3 est commandé par le circuit de commande de sorte à permettre la circulation d'un courant alternatif dans la phase correspondante du moteur électrique 4. Les courants alternatifs circulant dans les trois phases du moteur électrique 4 sont coordonnés de manière classique pour que le moteur électrique 4 tourne. Les bras B1, B2 et B3 sont chacun pilotés de la même manière mais en déphasage les uns des autres, de préférence à 120° dans le cas d’un moteur électrique 4 triphasé. Selon l’invention, le procédé de mesure de la température de l’onduleur 1 comprend une étape de mesure d’une tension V DS entre le drain D et la source S et de mesure d’un courant de drain ou de phase I Don lorsque le courant traverse le transistor du drain D vers la source S suivant un sens normal ou conventionnel lorsque le transistor 2 est activé (interrupteur fermé). Les mesures des tensions V DS et du courant de drain I Don sont réalisées par un dispositif de contrôle 3 intégré dans l’onduleur 1. En variante, les mesures des tensions V DS et du courant de drain I Don peuvent être réalisées par un dispositif de contrôle 3 externe à l’onduleur 1. Le dispositif de contrôle 3 comprend une première borne 5 reliée à la source S du transistor 2 et une deuxième borne 6 reliée au drain D du transistor 2. Le dispositif de contrôle 3 comprend des moyens de filtrage pour filtrer les signaux de tensions V DS qui sont de l’ordre du milliohms. Le procédé de mesure de la température de l’onduleur 1 comprend ensuite une étape de calcul d’une résistance R DS à partir de la tension V DS et du courant de drain I Don suivant la relation V DS = R DS x I Don avec V DS en volts, I Don en ampère et R DS en ohms. Le procédé de mesure de la température de l’onduleur 1 comprend une étape de détermination d’une première température T1 du transistor 2 à partir de la résistance R DS et d’une première loi ou table, comme illustrée sur le graphique de la , définissant des valeurs de température T1 en fonction de valeurs de résistance R DS . Les abscisses représentent la température du transistor 2 en °C et les ordonnées représentent la résistance R DS en milliohms. La montre une courbe de résistance R DS qui augmente lorsque la température 7 augmente. Ainsi, en connaissant la résistance R DS du transistor 2, la première loi permet de déduire directement la première température T1 interne du transistor 2. Le transistor 2 MOSFET comprend dans sa structure même deux jonctions PN : entre la source S et la grille G et entre la grille G et le drain D. Dans ce cas, la première température T1 est appelée température de jonction T j . Cependant, pendant un lapse de temps très court, de l’ordre de quelques milliseconde (entre 5 ms et 10 ms), le courant s’inverse et traverse le transistor 2 de la source S vers le drain D suivant un sens inverse ou non conventionnel. Le courant traversant le transistor 2 est alors appelé courant de corps de diode I DOFF . Il n’est pas possible de mesurer la température du transistor 2 pendant ce lapse de temps avec le procédé défini précédemment. L’invention permet également de résoudre ce problème et de mesurer la température du transistor 2 pendant cette inversion de sens du courant. En effet, selon un autre mode de réalisation, le procédé de mesure de la température comprend en plus une étape de mesure d’une tension V S D entre la source S et le drain D lorsque le courant traverse le transistor 2 en sens inverse, le transistor 2 étant non actif (interrupteur ouvert). La mesure de tension V S D est réalisée par le dispositif de contrôle 3 intégré dans l’onduleur 1. Lorsque le courant est inversé, la tension V S D du transistor 2 est égal à la tension directe de la diode qui est également dépendante de la température et du courant de corps de diode I DOFF . Grâce à la proximité du corps de diode et de la jonction du transistor 2 (quelques µm), leur température peut être considérée comme identique. Le procédé de mesure de la température comprend ensuite une étape de détermination d’une deuxième température T2 du transistor 2 à partir de la tension V S D mesurée et d’une deuxième loi ou table, comme illustrée sur la , définissant des valeurs de deuxième température T2 en fonction de valeurs de tension V S D . La deuxième température T2 correspond à la température du corps de diode. Les abscisses représentent la deuxième température T2 du transistor 2 en °C et les ordonnées représentent la tension V S D en millivolts. La montre une droite y définie suivant la relation y= -1,9053 X + 635,87, à titre d’exemple, y étant la tension V S D et X étant la deuxième température T2. La tension V S D diminue lorsque la deuxième température T2 augmente. En connaissant la tension V S D , il est possible d’en déduire la deuxième température T2. De préférence, le temps d’acquisition pour réaliser l’acquisition des tensions V DS , V S D et du courant de drain I Don est compris entre 5 ms et 10 ms. Selon un autre mode de réalisation, la mesure de température est réalisée pour plusieurs transistors 2, voir pour tous les transistors 2 de l’onduleur 1. Les étapes de mesure de tensions V DS , V S D et de courant de drain I Don sont réalisées simultanément pour les transistors 2. Le dispositif de contrôle 3 comprend des moyens de stockage pour stoker les première et deuxième lois ou tables, des moyens d’acquisition permettant de mesurer des valeurs de tension V DS , V S D et de courant de drain I Don et des moyens de calcul pour déterminer les températures T1 et T2 à partir des première et deuxième lois. Ainsi, l’invention permet de mesurer la température du transistor 2 en temps réel, de façon plus précise et de façon continue puisque les températures sont mesurées quel que soit le sens du courant de drain. Procédé de mesure de la température d’un onduleur (1) destiné à alimenter un moteur électrique (4) en courant, l’onduleur (1) comprenant au moins un transistor (2) du type MOS comportant une source (S), une grille (G) et un drain (D), la source (S) et le drain (D) étant reliés à une alimentation électrique ou à une phase du moteur électrique (4), caractérisé en ce qu’il comprend : une étape de mesure d’une tension V DS entre le drain (D) et la source (S) et de mesure d’un courant de drain I Don lorsque le courant traverse le transistor du drain (D) vers la source (S) suivant un sens conventionnel, une étape de calcul d’une résistance R DS à partir de la tension V DS et du courant de drain I Don , et une étape de détermination d’une première température T1 du transistor (2) à partir de la résistance R DS et d’une première loi définissant des valeurs de température T1 en fonction de valeurs de résistance R DS . Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend : une étape de mesure d’une tension V SD entre la source (S) et le drain (D) lorsque le courant traverse le transistor (2) de la source (S) vers le drain (D) suivant un sens non conventionnel, et une étape de détermination d’une deuxième température T2 du transistor (2) à partir de la tension V SD et d’une deuxième loi définissant des valeurs de température T2 en fonction de valeurs de tension V SD . Procédé de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le temps d’acquisition pour réaliser les mesures des tensions V DS , V SD et du courant de drain I Don est compris entre 5 ms et 10 ms. Procédé de mesure selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les mesures des tensions V DS , V SD et du courant de drain I Don sont réalisées par un dispositif de contrôle (3) intégré dans l’onduleur (1). Procédé de mesure selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l’onduleur (1) comprend plusieurs transistors (2) du type MOS, les étapes de mesure des tensions V DS , V SD et de courant de drain I Don pour déterminer les températures T1 et T2 étant réalisées pour plusieurs transistors (2). Dispositif de mesure de la température d’un onduleur (1) destiné à alimenter un moteur électrique (4) en courant, l’onduleur (1) comprenant au moins un transistor (2) du type MOS comportant une source (S), une grille (G) et un drain (D), la source (S) et le drain (D) étant reliés à une alimentation électrique ou à une phase du moteur électrique (4), caractérisé en ce qu’il met en œuvre le procédé de mesure tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 5. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de contrôle (3) comportant des moyens d’acquisition destinés à réaliser l’acquisition d’une tension V DS entre le drain (D) et la grille (G) et l’acquisition d’un courant de drain I Don , des moyens de stockage pour stoker une première loi définissant des valeurs de premières températures T1 en fonction de valeurs de résistance R DS et des moyens de calcul pour déterminer la première température T1 à partir d’une première loi et des valeurs de résistance R DS . Véhicule électrique, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de contrôle (3) tel que défini selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7.