BR112014014351B1 - Controle de uma carga indutiva com mecanismo de redução de corrente sensível à temperatura - Google Patents

Abstract

CONTROLE DE UMA CARGA INDUTIVA, COM MECANISMO DE REDUÇÃO DE CORRENTE SENSÍVEL À TEMPERATURA. A invenção refere-se ao controle de uma carga indutiva. É implementada uma estratégia de controle para gerar um sinal de controle para um elemento de comutação com base em uma referência de ponto de ajuste, com um mecanismo que consiste na definição de um valor máximo permitido (Imax) da corrente na carga como uma função da temperatura no nível do elemento de comutação. O mecanismo apresenta um limiar de temperatura (Tshd), por exemplo, um limiar de corte. O valor máximo permitido (Imax) da corrente é mantido constante, igual a um valor limite superior (Isup ), durante uma fase de elevação de temperatura para todas as temperaturas que sejam inferiores ao limiar. O valor máximo permitido da corrente é abruptamente tornado igual a um valor limite inferior (Iinf) logo que a temperatura alcance o limiar. Finalmente, durante uma fase de diminuição de temperatura, o valor máximo permitido da corrente gradualmente aumenta novamente até o valor limite superior quando a temperatura diminui.

Description

[001] A presente invenção refere-se geralmente ao controle de cargas indutivas, por exemplo, por modulação de largura de pulso, e mais especificamente a tal controle com mecanismo de redução de corrente sensível à temperatura (ou função TDCR, a abreviação significando "Redução de Corrente Dependente de Temperatura").

[002] A invenção encontra aplicações, em particular, no setor automotivo, por exemplo, em sistemas para controle eletrônico de um acionador, tal como um dispositivo para controle eletrônico da regulação de pressão (ou dispositivo ETC, a abreviação significando "Controle Eletrônico de Regulação de Pressão") ou da válvula de recirculação de gases queimados (ou dispositivo EGR, a abreviação significando "Recirculação de Gás de Exaustão"), ou de qualquer outra válvula usada em monitoramento de motores ou similares, ou mais geralmente de qualquer outro item de equipamento acionado por motor elétrico, tal como uma bobinadora de janela, por exemplo.

[003] O controle de cargas indutivas por modulação de largura de pulso pode em geral ser realizado por uma estrutura de comutação tal como uma ponte-H. Esta estrutura compreende quatro comutadores de potência, a saber dois comutadores "altos" no lado de uma fonte de alimentação positiva e dois comutadores "baixos" no lado de uma fonte de alimentação negativa ou terra.

[004] Um primeiro par formado por um primeiro comutador alto e por um primeiro comutador baixo permite, quando estão ambos fechados, que flua corrente na carga em uma determinada direção. Um segundo par formado pelo outro comutador alto e pelo outro comutador baixo permite pelo contrário, quando estão ambos fechados, que flua corrente na carga na direção oposta. Os dois comutadores baixos, ou os dois comutadores altos, quando estão ambos fechados, permitem o fluxo de uma corrente sem carga.

[005] Cada comutador compreende geralmente um transistor de potência MOS (o acrônimo significando "Semicondutor de Óxido Metálico"). É produzida uma sequência de sinais de controle analógicos para os quatro transistores MOS, de acordo com uma determinada estratégia, com base em um sinal de controle de ponto de ajuste. Este sinal de controle de ponto de ajuste pode ser modulado por largura de pulso, com uma razão de funcionamento que torna possível controlar a quantidade de corrente injetada na carga e, portanto, em média, a intensidade da corrente na carga indutiva.

[006] Para esta finalidade, a estrutura de comutação é alternativamente posicionada em um determinado estado no qual o fluxo na carga de uma corrente de determinado valor é controlado em uma ou na outra direção, e em outro estado no qual se permite que a corrente sem carga flua na carga, através de dois transistores que estão fechados.

[007] Ligeiras variações em tensão e corrente (denominadas "Taxa de Variação") são realizadas no nível das portas de controle dos transistores MOS, de modo a evitar comutações bruscas que gerem perturbações eletromagnéticas.

[008] As perdas de energia no nível dos comutadores são de dois diferentes tipos: perdas estáticas, produzidas através do efeito Joule quando os comutadores estão fechados, e perdas dinâmicas relacionadas com a comutação dos comutadores. As primeiras perdas estão relacionadas com a resistência interna RdsON dos transistores MOS. Quanto mais lentas as variações em corrente e tensão, mais significativas são as perdas dinâmicas.

[009] As perdas dinâmicas estão essencialmente localizadas no nível dos transistores que não participam no funcionamento sem carga. Dependem da taxa de varredura (Taxa de Variação) em tensão e em corrente.

[010] No caso de um pico na corrente absorvida na carga, de refrigeração insuficiente, e/ou de uma temperatura ambiente demasiado elevada, a temperatura no nível das junções dos transistores MOS, denominada "temperatura de junção", pode elevar-se para além de limites aceitáveis, que dependem da tecnologia usada.

[011] Isto é porque, com a finalidade de limitar a elevação na temperatura de junção dos transistores e, portanto, evitar a sua destruição, é possível implementar um mecanismo de redução de corrente sensível à temperatura ou mecanismo TDCR.

[012] O efeito de tal mecanismo é reduzir automaticamente a corrente na carga quando a temperatura de junção dos transistores "baixos" excede um primeiro limiar (denominado de limiar de aviso ou "alerta"), inferior a um segundo limiar (denominado limiar de corte ou "Desligamento") para além do qual o fluxo de corrente nos transistores MOS é interrompido de modo a evitar a sua destruição. Tal mecanismo TDCR intervém sobre um valor máximo permitido para a corrente na carga, o qual é usado como parada alta na estratégia para controlar a corrente nos transistores. A corrente máxima permitida é reduzida, e em seguida opcionalmente aumentada novamente, em ambos os casos de modo linear, até que um equilíbrio temperatura- corrente seja alcançado. Neste ponto de equilíbrio, a temperatura de junção e a corrente máxima permitida na carga são estabilizadas.

[013] Tal mecanismo TDCR é implementado, por exemplo, nos circuitos TLE7209 da empresa Infineon e L9958 da empresa STMicroelectronics, e apresenta resultados satisfatórios.

[014] Contudo, a pressão sobre os custos de fabricação no setor automotivo está levando ao uso de pacotes cada vez menores para os circuitos integrados que transportam este tipo de controle. Regulamentações estão também sugerindo a eliminação de ligações soldadas para a ligação com os chips de semicondutores nos quais os transistores MOS estão integrados, e sua substituição por cola que é um condutor térmico pior. Portanto, a resistência térmica interna tende a aumentar.

[015] Nestas circunstâncias, o resultado da implementação de mecanismos TDCR de tipo conhecido, como descritos acima, é impedir que a corrente nas cargas controladas seja capaz de alcançar os valores que pode ser necessário alcançar, em um modo exclusivamente transitório. Correntes transitórias regulares são o que condicionam o dimensionamento de uma ponte-H.

[016] A invenção destina-se a eliminar, ou ao menos diminuir, todos ou alguns dos inconvenientes acima mencionados do estado da técnica mencionado.

[017] Para este fim, um primeiro aspecto da invenção propõe um dispositivo de controle para uma carga indutiva que compreende: • uma estrutura de comutação com ao menos um elemento de comutação, adaptada para conduzir uma corrente de determinado valor na carga como função de uma referência de ponto de ajuste, • uma unidade de controle projetada para implementar uma estratégia de controle para gerar ao menos um sinal de controle para o elemento de comutação com base na referência de ponto de ajuste, com um mecanismo consistindo na definição de um valor máximo permitido da corrente na carga entre um valor limite superior e um valor limite inferior, como uma função de um valor representativo da temperatura no nível do elemento de comutação.

[018] De acordo com modalidades do dispositivo, a unidade de controle é concebida de tal modo que: • durante uma fase de elevação de temperatura, o valor máximo permitido da corrente é mantido constante, igual ao valor limite superior, desde que a temperatura no nível do elemento de comutação seja inferior a um primeiro limiar de temperatura ou limiar elevado de temperatura, • o valor máximo permitido da corrente é abruptamente tornado igual ao valor limite inferior logo que o valor da temperatura no nível do elemento de comutação alcança o primeiro limiar de temperatura, e • durante uma fase de diminuição de temperatura, o valor máximo permitido da corrente é gradualmente aumentado até o valor limite superior à medida que a temperatura ao nível do elemento de comutação diminui.

[019] Portanto, pode ser encontrado um ponto de equilíbrio através de maiores valores da temperatura no nível do elemento de comutação e através de menores valores do valor máximo permitido da corrente na carga, sendo permitido que seja alcançada a maior temperatura apenas em um modo transitório, portanto sob condições que não põem em risco a integridade do elemento de comutação.

[020] Se o fenômeno térmico transitório for tal que a limiar elevado de temperatura não é alcançado, então não existe redução em corrente no estado da técnica, a redução em corrente começando tão logo o limiar de aquecimento de temperatura é excedido.

[021] Um segundo aspecto da invenção refere-se a um circuito integrado que compreende um dispositivo de acordo com o primeiro aspecto mencionado acima. Pode ser, por exemplo, um microcontrolador, um ASIC (o acrônimo significando "Circuito Integrado de Aplicação Específica"), um SoC (a abreviação significando "Sistema em Chip"), ou similar.

[022] Um terceiro aspecto da invenção refere-se a um método de controle para uma carga indutiva que compreende as etapas que consistem em: • conduzir uma corrente de determinado valor na carga como uma função de uma referência de ponto de ajuste, com o auxílio de uma estrutura de comutação com ao menos um elemento de comutação, • implementar uma estratégia de controle para gerar ao menos um sinal de controle para o elemento de comutação com base na referência de ponto de ajuste, com um mecanismo consistindo na definição de um valor máximo permitido da corrente na carga como uma função de um valor representativo da temperatura no nível do elemento de comutação, entre um valor limite superior e um valor limite inferior.

[023] De acordo com modalidades do método, o mecanismo é tal que: • durante uma fase de elevação de temperatura, o valor máximo permitido da corrente é mantido constante, igual ao valor limite superior, desde que a temperatura no nível do elemento de comutação seja inferior a um primeiro limiar de temperatura ou limiar elevado de temperatura, • o valor máximo permitido da corrente é abruptamente tornado igual ao valor limite inferior logo que o valor da temperatura no nível do elemento de comutação alcança o primeiro limiar de temperatura, e • durante uma fase de diminuição de temperatura, o valor máximo permitido da corrente é gradualmente aumentado até o valor limite superior à medida que a temperatura no nível do elemento de comutação diminui.

[024] Em modalidades do dispositivo e do método, a referência de ponto de ajuste pode ser a razão de funcionamento de um sinal periódico de controle de ponto de ajuste. Estas modalidades permitem o controle da corrente na carga indutiva por modulação de largura de pulso.

[025] Por exemplo, o valor limite inferior do valor máximo permitido da corrente na carga pode ser aproximadamente 2,5 A. Tal corrente permite que um mecanismo acionado por um pequeno motor elétrico execute a função em modo reduzido, sem levar a corte. Isto reduz a gravidade do defeito de funcionamento.

[026] Também por exemplo, o limiar elevado de temperatura pode ser substancialmente igual a 170o C e, portanto, corresponder à temperatura de corte dos mecanismos TDCR conhecidos. Mencionado de outro modo, o limiar elevado de temperatura pode ser um limiar de corte, cujo valor é substancialmente igual, por exemplo, a 170o C.

[027] Em modalidades, além disso, o mecanismo e o método são tais que, se durante a fase de elevação de temperatura a temperatura for maior que um segundo limiar determinado ou limite baixo de temperatura, que é inferior ao limiar elevado de temperatura, embora sendo inferior ao referido limiar elevado, durante um período maior que um intervalo de tempo determinado, então o valor máximo permitido da corrente é abruptamente tornado igual ao valor limite inferior antes de ser gradualmente aumentado até o valor limite superior durante a fase de diminuição de temperatura. Deste modo, é garantida a prevenção de dano ao elemento de comutação.

[028] Por exemplo, o valor do limiar baixo de temperatura pode ser substancialmente igual ao valor do limiar elevado menos 10% a 15%, a saber, por exemplo, 150o C se o limiar elevado for igual a 170o C. O limiar baixo de temperatura corresponde ao início da redução da corrente de limitação nos mecanismos TDCR convencionais.

[029] Outras características e vantagens da invenção tornar-se-ão mais evidentes com a leitura da descrição a seguir. A última é puramente ilustrativa e deve ser lida com relação aos desenhos apensos nos quais: • as Figuras 1a-1c são diagramas que ilustram o controle de uma carga indutiva por modulação de largura de pulso com o auxílio de uma ponte-H, • as Figuras 2a e 2b são gráficos de um sinal de controle periódico de ponto de ajuste modulado por largura de pulso, e da evolução da corrente na carga indutiva controlada,

[030] - as Figuras 3a e 3b são gráficos de um sinal de controle periódico de ponto de ajuste modulado por largura de pulso, que dá origem a uma limitação de corrente na carga indutiva controlada, • a Figura 4 é um diagrama funcional de um dispositivo de controle exemplificativo de acordo com modalidades, • a Figura 5 é um gráfico que ilustra o princípio de um mecanismo de redução de corrente sensível à temperatura de acordo com o estado da técnica, • a Figura 6 é um gráfico que ilustra o princípio de um mecanismo de redução de corrente sensível à temperatura de acordo com modalidades, e • a Figura 7 é um gráfico que ilustra a redução em corrente em uma implementação exemplificativa de um mecanismo de acordo com a Figura 6.

[031] Com referência às Figuras 1a a 1c, um dispositivo de controle para uma carga indutiva tal como um motor elétrico 1 compreende, por exemplo, uma estrutura de comutação do tipo "ponte-H".

[032] Tal estrutura de comutação compreende quatro comutadores, cada um tendo, por exemplo, um transistor de potência MOS. Um primeiro transistor M1 está conectado entre um terminal positivo de fonte de alimentação trazido, por exemplo, para a tensão da bateria Vbat, e um primeiro terminal do motor. Um segundo transistor M2 está conectado entre o referido primeiro terminal do motor e, por exemplo, um terminal de terra Gnd. Um terceiro transistor M3 está conectado entre um segundo terminal do motor e o terminal de terra Gnd. Finalmente, um quarto transistor M4 está conectado entre o terminal positivo da fonte de alimentação Vbat e o referido segundo terminal do motor. Os transistores M1 e M4 são denominados transistores do lado alto ("lado alto") e os transistores M2 e M3 são denominados transistores do lado baixo ("lado baixo"). A ponte pode ser controlada de acordo com três estados possíveis.

[033] Em um primeiro estado, o par formado pelo transistor do lado alto M1 e pelo transistor do lado baixo M3 permite, quando estes transistores estão ligados (comutadores fechados), que flua uma corrente através do motor 1 em uma primeira direção, de Vbat para Gnd, como indicado por uma seta na Figura 1a. Os transistores M2 e M4 estão então desligados (comutadores abertos).

[034] Inversamente, em um segundo estado, o par formado pelo transistor do lado baixo M2 e pelo transistor do lado alto M4 permite, quando estes transistores estão ligados (comutadores fechados), que flua uma corrente através do motor 1 na direção oposta, ainda de Vbat para Gnd, como indicado pela seta na Figura 1b. Os transistores M1 e M3 estão então desligados (comutadores abertos).

[035] Finalmente, em um terceiro estado ilustrado pela Figura 1c, os transistores do lado alto M1 e M4 estão desligados (comutadores abertos) e os transistores do lado baixo M2 e M3 estão ligados (comutadores fechados). Isto torna possível evacuar a energia acumulada na carga indutiva, na forma de uma corrente que flui para a terra Gnd através de M2 e M3, após a abertura do transistor M1, como representado pela seta na Figura 1c. Este estado é denominado de estado "sem carga". Pode ser comandado subsequentemente à operação da ponte-H nos acima mencionados primeiro estado ou segundo estado. Este estado sem carga pode também ser alcançado através dos transistores do lado alto ligados (M1 e M4 fechados) e dos transistores do lado baixo desligados (M2 e M3 abertos).

[036] Deverá ser entendido que a invenção não é limitada pelo tipo de estrutura de comutação. Em particular, também se aplica a uma estrutura de comutação de meia-ponte, ou a um único comutador de potência. Também, a modalidade do comutador ou comutadores de potência mostrada nas Figuras 1a-1c é um exemplo meramente não- limitativo. Estes comutadores podem compreender individualmente outro tipo de transistor de efeito de campo (FET), um transistor bipolar (BJT, a abreviação significando "Transistor de Junção Bipolar"), um transistor IGBT (a abreviação significando "Transistor Bipolar de Porta Isolada"), etc., ao invés de um transistor MOS. Podem também compreender uma montagem de tais transistores, opcionalmente com outros componentes tais como resistores, capacitores, etc.

[037] O controle da corrente na carga 1 pode ser realizado por modulação de largura de pulso (PWM) de um sinal periódico de controle de ponto de ajuste com uma razão de funcionamento de ponto de ajuste determinada, o qual é usado para gerar sinais de comutação para a ponte de transistores.

[038] Como representado na Figura 2a, tal sinal de controle de ponto de ajuste PWM está, em cada período, em um primeiro estado lógico determinado dentre os estados lógicos elevado e baixo durante ao menos uma primeira duração, e no outro estado lógico durante o restante do período. No exemplo mostrado na figura, o sinal PWM está no estado lógico elevado durante um tempo inferior ao período T. A razão de funcionamento de ponto de ajuste dcom é dado por:

[039] A razão de funcionamento de ponto de ajuste dcom pode variar, entre 0% e 100%. É mais frequentemente usada no intervalo 10% a 30%. As correntes transitórias correspondem ao intervalo 80% a 100%.

[040] A Figura 2b mostra a evolução do valor instantâneo da corrente IM na carga (aqui um motor 1) obtida em resposta ao sinal de controle de ponto de ajuste PWM da Figura 2a.

[041] Durante o período de ativação do sinal PWM, quer dizer, por exemplo, quando este sinal está no estado lógico alto, a corrente IM aumenta até um ponto de ajuste determinado. A ponte-H é então controlada no primeiro ou no segundo estado, ilustrados nas Figuras 1a e 1b, respectivamente, como uma função da direção de rotação do motor que for desejada.

[042] Durante o período de desativação do sinal PWM, quer dizer no exemplo quando este sinal está no estado lógico baixo, a corrente IM diminui até o valor zero. A ponte-H é então controlada no terceiro estado, ilustrado na Figura 1c, ou estado sem carga.

[043] Devido à natureza indutiva da carga constituída pelo motor, a corrente IM aumenta e diminui com uma inclinação suave, ao invés das bordas quadradas do sinal PWM.

[044] O valor médio <IM> da corrente IM é dado por:

onde R é a resistência total do circuito (principalmente aquela do motor 1).

[045] As Figuras 3a e 3b mostram que para valores elevados da razão de funcionamento, o valor IM pode estar limitado a um valor Imax.

[046] Uma modalidade de um dispositivo de controle é apresentado esquematicamente na Figura 4.

[047] O dispositivo compreende uma unidade de controle 2, por exemplo, um microcontrolador, um circuito ASIC, um microprocessador, um SoC ou similar.

[048] A unidade 2 recebe como entrada sinais de controle CDE e DIR, assim como um sinal de relógio CLK. Entrega como saída sinais de controle para os transistores MOS da ponte-H que alimenta o motor 1, da qual apenas os transistores M1 e M2 das Figuras 1a-1c são representados aqui por razões de clareza da figura e de concisão da presente revelação. De modo similar, os meios para geração da taxa de varredura (Taxa de Variação) serão detalhados apenas para o transistor M1 sozinho. Estes meios compreendem uma fonte de corrente controlada 21 e uma fonte de corrente controlada 31, respectivamente projetadas para carregar e descarregar a porta de controle do transistor M1. As fontes de corrente 21 e 31 são controladas, respectivamente, por um sinal S21 e por um sinal S31 gerados pela unidade de controle 2. Por exemplo, a inclinação (Taxa de Variação) em corrente pode ser da ordem de 3 A/μs e a inclinação em tensão 4 V/μs. O transistor M2 é controlado diretamente por um sinal S41 gerado pela unidade de controle 2. Um detector 41 fornece um sinal lógico I2 que sinaliza para a unidade 2 que a corrente que atravessa o transistor M2 excede Imax. O sinal ref, que é ligado à entrada "-" do comparador é proporcional a Imax. Este é também um sinal que pode ser fornecido por uma saída da unidade de controle 2.

[049] No lado de entrada da unidade de controle 2, o sinal DIR é, por exemplo, um sinal lógico binário que controla a direção de rotação do motor, o que quer dizer a direção de fluxo da corrente através da ponte-H (vide Figuras 1a e 1b). O sinal CDE é o sinal de controle de ponto de ajuste do tipo PWM, com a razão de funcionamento de ponto de ajuste dcom, que determina a quantidade de corrente que alimenta a carga e, portanto, a velocidade e/ou o torque do motor 1.

[050] A unidade de controle 2 também recebe um sinal Temp, representativo da temperatura Tj no nível das junções dos transistores de potência usados como comutadores na estrutura de comutação formada pela ponte-H. Pode ser um sinal analógico, em cujo caso a unidade 2 pode compreender um conversor analógico-digital no nível da entrada que o recebe, ou então ser um sinal digital cuja expressão mais simples é em 2 bits (um para cada um dos limiares de temperatura). Pode ser produzido por qualquer sensor de temperatura adequado.

[051] A unidade de controle 2 é concebida, por exemplo, por meio de software e/ou por meio de lógica com fios, para implementar uma estratégia de controle para a estrutura de comutação. O controle dado pela implementação desta estratégia é essencialmente dependente dos sinais CDE e DIR, que determinam um ponto de ajuste de primeira ordem para a corrente IM no motor 1.

[052] Além disso, diversos mecanismos tornam possível refinar o ponto de ajuste em termos de corrente, de modo em particular, garantir um determinado número de proteções. Em particular, a unidade 2 implementa um mecanismo de redução de corrente sensível à temperatura ou mecanismo TDCR. Este mecanismo consiste na variação de um valor Imax, intervindo na estratégia de controle, e que corresponde ao valor máximo permitido para a corrente IM no motor.

[053] O gráfico da Figura 5 ilustra a limitação de corrente obtida com uma função TDCR de acordo com o estado da técnica que foi apresentado na introdução.

[054] Tal mecanismo atua sobre o valor Imax intervindo na estratégia de controle da estrutura de comutação. Mais particularmente, o mecanismo reduz o valor de Imax quando a temperatura de junção Tj dos transistores MOS desta estrutura exceder um primeiro limiar Tw correspondente a uma temperatura de aviso. A temperatura Tj pode ser a máxima das temperaturas de 4 sensores (um para cada transistor) ou então ser medida por um único sensor colocado no centro da zona de instalação dos 4 transistores.

[055] Portanto, desde que a temperatura Tj seja menor que Tw, o valor de Imax é constante, igual a um valor determinado. O valor da corrente IM no motor é determinado como uma função da razão de funcionamento dcom controle do ponto de ajuste CDE. A porção correspondente 40a da curva 40 que dá Imax como uma função de Tj, a qual é representada no gráfico da Figura 5, é uma porção reta horizontal (ou tem uma inclinação ligeiramente negativa).

[056] Contudo, para valores de Tj para além de Tw, o valor de Imax diminui linearmente quando Tj aumenta. A porção correspondente 40b da curva que dá Imax como uma função de Tj é, como representado no gráfico da Figura 5, uma porção reta com uma inclinação negativa. Quando a temperatura Tj cai, o valor de Imax é aumentado. O funcionamento estabiliza, portanto, em torno de um ponto de funcionamento representado por 41 na Figura 5. A queda na temperatura Tj pode ser provocada pela diminuição no valor do parâmetro Imax, em particular se a corrente IM no motor foi controlada até o seu valor máximo ou até um valor próximo a este valor máximo. Pode também ser provocada por outra causa, por exemplo, por uma diminuição na razão de funcionamento dcom do sinal de controle de ponto de ajuste CDE se existir um ponto de ajuste transitoriamente elevado na corrente.

[057] Em todos os casos, não é permitido que o valor da temperatura Tj exceda um segundo limiar Tshd, correspondente a uma temperatura de corte (ou "desligamento"), maior que o primeiro limiar Tw correspondente à temperatura de aviso. Isto é porque, para valores de Tj maiores que Tshd, o controle de qualquer corrente nos transistores MOS é interrompida, para evitar a sua destruição.

[058] Para resumir, o valor máximo IM permitido para a corrente na carga, o que quer dizer para a corrente IM no motor, varia entre um valor extremo elevado para os pequenos valores da temperatura Tj no nível das junções dos transistores MOS, e um valor extremo baixo para o segundo limiar Tshd correspondente à temperatura de corte. Além disso, o valor Imax segue uma variação linear inversa, como uma função da temperatura Tj, para valores de Tj maiores que o primeiro limiar correspondente à temperatura de aviso. O ponto de equilíbrio entre o valor máximo permitido Imax da corrente na carga por um lado, e a temperatura de junção por outro lado, é substancialmente alcançado (quer dizer dentro de oscilações possíveis, que podem ocorrer em torno do ponto de funcionamento) pelos valores superiores da referida corrente e pelos valores inferiores da referida temperatura.

[059] Em um exemplo, o primeiro limiar Tw é da ordem de 150o C, e o segundo limiar Tshd é da ordem de 170o C, para garantir uma vida útil de 8.000 horas, que é o padrão no setor automotivo. É na verdade sabido que a vida útil dos transistores é inversamente proporcional ao tempo despendido em funcionamento a temperaturas excessivamente elevadas. A lei de Arrhenius indica que a vida útil é reduzida a metade para cada aumento de 10o C na temperatura de funcionamento. Por exemplo, se os transistores podem funcionar durante 1.000 horas a 150o C, os mesmos podem funcionar durante 500 horas a 160o C, 250 horas a 170o C, etc. Portanto, às 8.000 horas têm que ser ligadas a um perfil térmico (o tempo agregado despendido em cada temperatura). O produto é habitualmente dimensionado pela fixação de 1.000 horas a uma temperatura de junção de 150o C (como se às 8.000 horas fossem despendidas a uma temperatura de junção de 120o C).

[060] Contudo, é desejável utilizar transistores mais baratos, portanto não tão grandes (quer dizer com uma porta mais estreita), que apresentam uma maior resistência interna RdsON e uma resistência térmica também mais elevada, que transistores tradicionais. A temperatura de junção dos transistores é, portanto, maior a um valor constante de corrente, ou, como um corolário, a corrente máxima permitida Imax é menor para os mesmos valores limiares de temperatura do mecanismo TDCR. Um impacto dual do desempenho térmico é, portanto, experimentado em ambos estes níveis. Segue a partir disto que, devido ao mecanismo TDCR, é mais raramente possível alimentar a carga com a máxima corrente disponível, e isto pode ser prejudicial em algumas aplicações e/ou circunstâncias de uso.

[061] Com a finalidade de compensar este fenômeno e permitir funcionamento com uma corrente de carga que possa transitoriamente exceder o primeiro limiar correspondente à temperatura de aviso Tw da Figura 5, é proposta uma alternativa aos mecanismos TDCR conhecidos.

[062] A ideia fundamental consiste em reduzir ligeiramente a vida útil, de modo a permitir transitoriamente o funcionamento da carga sob a máxima corrente mesmo se a temperatura de aviso for excedida. Na verdade, as correntes transitórias esperadas são relativamente frequentes, mas não representam uma duração agregada significativa e dificilmente afetam a vida útil.

[063] Com referência ao gráfico da Figura 6, o mecanismo proposto pode funcionar com um limiar Tsup. Este limiar pode, por exemplo, ser idêntico ao limiar Tshd (limiar de corte) dos mecanismos do estado da técnica se todas as outras coisas forem iguais. Por exemplo, Tsup pode, portanto, também ser igual à aproximadamente 170o C.

[064] O valor máximo IM permitido para a corrente na carga (corrente IM no motor) varia ainda entre um valor extremo elevado Isup para valores baixos da temperatura Tj no nível das junções dos transistores MOS, e um valor extremo baixo Iinf para os valores da temperatura que forem maiores que o limiar Tsup.

[065] Contudo, a curva que dá o valor de Imax como uma função de Tj apresenta uma histerese, como será compreendido após leitura do que segue.

[066] Durante a fase de aumento de temperatura, o valor Tj da temperatura de junção dos transistores MOS aumenta até que alcance a temperatura Tsup, sem modificação do valor máximo Imax permitido para a corrente na carga que permanece no valor extremo elevado Isup.

[067] Quando a temperatura Tj alcança o limiar Tsup (menor ou igual à temperatura de corte), o valor máximo Imax permitido para a corrente na carga cai abruptamente para o valor extremo baixo Iinf. A expressão "abruptamente" é entendida como significando que é feita provisão para a redução máxima na corrente na carga ser obtida imediatamente. O valor Iinf pode ser zero, correspondendo, portanto, a um anulamento total da corrente na carga. De preferência, contudo, é muito baixo em relação ao valor extremo elevado Isup mas não zero, de modo a permitir que a carga permaneça em funcionamento, mesmo se isto implicar em um modo de funcionamento degradado. Por exemplo, o valor extremo baixo pode ser igual a 2,5 A. Outros valores, baixos em relação ao valor da temperatura extrema elevada, podem ser evidentemente previstos como uma função da aplicação de interesse. Observemos também que a corrente na carga está submetida à lei de variação em um indutor e, portanto, existe uma corrente transitória de descarga indutiva cujo IM pode ser maior que Imax.

[068] Finalmente, durante a fase de diminuição de temperatura, que necessariamente se segue à diminuição na corrente na carga, permite-se que o valor Imax aumente, por exemplo, linearmente. Pode recuperar o valor extremo elevado Isup para um determinado valor Tinf da temperatura Tj. O valor Tinf corresponde a uma temperatura de retorno para o valor extremo elevado Isup do valor máximo Imax Isup permitido para a corrente na carga. O sistema pode ser dimensionado de modo que o valor Tinf pode ser substancialmente igual ao valor Tw correspondente à temperatura de aviso dos mecanismos do estado da técnica, por exemplo, 150o C como indicado previamente. Deste modo, e se todas as outras coisas forem iguais, as características de funcionamento não são modificadas no que se refere à fase de diminuição de temperatura.

[069] Será observado que a temperatura varia tanto mais rapidamente quanto a resistência térmica dos novos transistores usados é maior que aquela dos transistores usados até agora. O transistor não permanece na temperatura Tsup ou em uma temperatura próxima à última durante um longo período de tempo. Mas o fato de ter baixado imediatamente o valor da corrente não é imediatamente seguido por um efeito. A temperatura diminui apenas de acordo com a constante de tempo do decaimento na corrente na carga. Tj pode, portanto, exceder ligeiramente a temperatura Tsup. No caso onde a temperatura de corte é igual ao valor Tsup, um intervalo de tempo antes do corte torna possível prevenir o último de ocorrer durante fenômenos transitórios tais como estes.

[070] Como foi compreendido, modalidades da invenção tornam possível, quando é necessária uma corrente transitória elevada (o que quer dizer uma corrente que provoca uma elevação de temperatura para além do limiar Tsup), exceder o limite em termos de corrente que seria imposta por um mecanismo TDCR do estado da técnica como ilustrado na Figura 5. O ponto de equilíbrio entre o valor máximo permitido Imax da corrente na carga por um lado, e a temperatura de junção Tj por outro lado, é alcançado por meio dos menores valores da referida corrente e por meio dos maiores valores da referida temperatura. Este modo de funcionamento contrasta totalmente com as características previamente mencionadas dos mecanismos TDCR do estado da técnica.

[071] Considerando que o dispositivo de controle é, portanto, forçado a funcionar transitoriamente e uma temperatura igual ao limiar Tsup durante 70 milissegundos a cada 5 segundos para os 2% da vida útil onde a temperatura envolvente é suficientemente elevada (isto é, 160 horas), isto representa menos que 4 horas de funcionamento com Tj = Tsup. Para Tsup = 180o C, a lei de Arrhenius dá, em relação a 120o C, um fator de aceleração de 64. Isto significa que estas 4 horas são o equivalente à 256 horas a 120o C, quer dizer 3% da vida útil.

[072] Portanto, ao preço de um ligeiro corte na margem disponível na vida útil dos transistores, contorna-se o efeito limitativo dos mecanismos TDCR do estado da técnica que impedem o benefício da utilização, quando necessário, da máxima corrente disponível, em um modo transitório.

[073] Será observado que pode acontecer que a temperatura de junção Tj exceda o limiar de aviso Tw dos mecanismos do estado da técnica, e permaneça acima deste limiar durante algum tempo sem contudo alcançar a temperatura Tsup. Se este tempo for relativamente longo, esta situação pode levar ao dano do transistor MOS, por exemplo.

[074] É por isto que algumas modalidades prevêem um recurso de segurança, o qual será explicado com referência ao gráfico da Figura 7.

[075] Nestas modalidades, na verdade, o valor máximo permitido Imax da corrente na carga é abruptamente diminuído até o valor limite inferior Iinf se, durante a fase de elevação de temperatura, a temperatura Tj for maior que o limiar de temperatura Tinf, inferior ao limiar de temperatura Tshd, enquanto sendo inferior ao referido limiar Tsup, durante um tempo maior que um determinado intervalo de tempo, por exemplo 2 s. O caso típico previsto aqui corresponde à porção de curva 63 na Figura 7. A rápida diminuição na corrente Imax é ilustrada pela porção de curva 63. Quando a corrente tiver diminuído, a temperatura Tj cai novamente e a corrente Imax pode então ser aumentada gradualmente até o valor limite superior Isup quando a temperatura no nível do elemento de comutação diminui. Isto é ilustrado pela porção de curva 64.

[076] Será observado que a curva da Figura 7 pode estabilizar em um ponto de equilíbrio 61. Aqui novamente, este equilíbrio é alcançado por meio de maiores valores da temperatura e por meio de menores valores da corrente máxima permitida Imax.

[077] No exemplo mostrado na Figura 7, o valor do limiar baixo pode corresponder ao valor do limiar de aviso Tw dos mecanismos TDCR do estado da técnica. De modo geral, o valor do limiar Tinf pode ser definido por referência ao valor do limiar elevado. No exemplo onde Tsup = 170o C e Tinf = 150o C, o valor do limiar baixo é substancialmente igual ao valor do limiar elevado menos 12%.

[078] A descrição acima foi dada apenas como ilustração, e não está limitando o âmbito da invenção. Qualquer modalidade alternativa tecnicamente concebível pode ser preferida às modalidades descritas.

[079] Em particular, a geração do sinal digital Temp representativo da temperatura Tj no nível das junções P-N dos transistores MOS pode ser realizada no microcontrolador que implementa a unidade de controle 2, com base em um sinal analógico externo. O sinal digital Temp pode também corresponder à saída de dois comparadores analógicos, indicando o cruzamento dos limiares Tinf e Tsup.

[080] De modo similar, os valores de limiares de temperatura não são limitados aos exemplos dados aqui puramente como ilustração, e podem ter qualquer valor adequado para as necessidades da aplicação.

[081] Finalmente, a invenção aplica-se evidentemente ao controle de qualquer carga indutiva, não apenas àquela de um motor elétrico. Isto pode envolver, por exemplo, um acionador eletromagnético com bobina fixa e núcleo móvel (ou o inverso).

Claims (20)

1. Dispositivo de controle para uma carga indutiva que compreende: uma estrutura de comutação com ao menos um elemento de comutação, adaptada para conduzir uma corrente de determinado valor na carga como função de uma referência de ponto de ajuste (CDE), uma unidade de controle (2) projetada para implementar uma estratégia de controle para gerar ao menos um sinal de controle (S21, S31) para o elemento de comutação com base na referência de ponto de ajuste (CDE), com um mecanismo consistindo na definição de um valor máximo permitido (Imax) da corrente na carga como uma função de um valor representativo da temperatura no nível do elemento de comutação, entre um valor limite superior (Isup) e um valor limite inferior (Iinf), caracterizado pelo fato de que o mecanismo é tal que apresente meios para: manter constante o valor máximo permitido (Imax) da corrente, durante uma fase de elevação de temperatura, igual ao valor limite superior (Isup), desde que a temperatura no nível do elemento de comutação seja inferior a um primeiro limiar de temperatura (Tsup), tornar abruptamente o valor máximo permitido da corrente igual ao valor limite inferior (Iinf) logo que o valor da temperatura no nível do elemento de comutação alcança o primeiro limiar de temperatura (Tsup), e permitir que o valor máximo permitido da corrente seja gradualmente aumentado novamente até o valor limite superior (Isup), durante uma fase de diminuição de temperatura, à medida que a temperatura ao nível do elemento de comutação diminui, de modo que seja encontrado um ponto de equilíbrio.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referência de ponto de ajuste é a razão de funcionamento de um sinal periódico de controle de ponto de ajuste.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o valor limite inferior (Iinf) do valor máximo permitido (Imax) da corrente na carga é aproximadamente 2,5 A.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o valor limite inferior (Iinf) do valor máximo permitido (Imax) da corrente na carga é aproximadamente 2,5 A.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro limiar de temperatura (Tsup) é um limiar de corte.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o mecanismo é tal que, além disso, se durante a fase de elevação de temperatura a temperatura for maior que um segundo limiar de temperatura determinado, menor que o primeiro limiar de temperatura (Tsup), enquanto sendo menor que o referido primeiro limiar de temperatura (Tsup), durante um tempo superior a um determinado intervalo de tempo, então o valor máximo permitido da corrente é abruptamente diminuído até o valor limite inferior (Iinf) antes de ser permitido gradualmente aumentar novamente até o valor limite superior (Isup) durante a fase de diminuição de temperatura.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o valor do segundo limiar de temperatura é substancialmente igual ao valor do primeiro limiar de temperatura menos 10% a 15%.

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de comutação compreende um transistor.

9. Circuito integrado, caracterizado pelo fato de que compreende um dispositivo como definido na reivindicação 1.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro limiar de temperatura (Tsup) é um limiar de corte, cujo valor é igual a 170o C.

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o mecanismo é tal que, além disso, se durante a fase de elevação de temperatura a temperatura for maior que um segundo limiar de temperatura determinado, menor que o primeiro limiar de temperatura (Tsup), enquanto sendo menor que o referido primeiro limiar de temperatura (Tsup), durante um tempo superior a um determinado intervalo de tempo, então o valor máximo permitido da corrente é abruptamente diminuído até o valor do limite inferior (Iinf) antes de ser permitido gradualmente aumentar novamente até o valor limite superior (Isup) durante a fase de diminuição de temperatura, e em que o valor do segundo limiar de temperatura é substancialmente igual ao valor do primeiro limiar de temperatura menos 10% a 15%.

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de comutação compreende um transistor MOS.

13. Método de controle para uma carga indutiva que compreende as etapas que consistem em: conduzir uma corrente de determinado valor na carga como uma função de uma referência de ponto de ajuste (CDE), com o auxílio de uma estrutura de comutação com ao menos um elemento de comutação, implementar uma estratégia de controle para gerar ao menos um sinal de controle (S21, S31) para o elemento de comutação com base na referência de ponto de ajuste (CDE), com um mecanismo consistindo na definição de um valor máximo permitido (Imax) da corrente na carga como uma função de um valor representativo da temperatura no nível do elemento de comutação, entre um valor limite superior (Isup) e um valor limite inferior (Iinf), caracterizado pelo fato de que o mecanismo é tal que: durante uma fase de elevação de temperatura, o valor máximo permitido (Imax) da corrente é mantido constante, igual ao valor limite superior (Isup), desde que a temperatura no nível do elemento de comutação seja inferior a um primeiro limiar de temperatura (Tsup), o valor máximo permitido (Imax) da corrente é abruptamente tornado igual ao valor limite inferior (Iinf) logo que o valor da temperatura no nível do elemento de comutação alcança o primeiro limiar de temperatura (Tsup), e durante uma fase de diminuição de temperatura, permite-se que o valor máximo permitido (Imax) da corrente seja gradualmente aumentado novamente até o valor limite superior (Isup) à medida que a temperatura no nível do elemento de comutação diminui.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a referência de ponto de ajuste é a razão de funcionamento de um sinal periódico de controle de ponto de ajuste.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o primeiro limiar de temperatura (Tsup) é um limiar de corte (Tj).

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o mecanismo é tal que, além disso, se durante a fase de elevação de temperatura a temperatura for maior que um segundo limiar de temperatura determinado, menor que o primeiro limiar de temperatura (Tsup), enquanto sendo menor que o referido primeiro limiar de temperatura (Tsup), durante um tempo superior a um determinado intervalo de tempo, então o valor máximo permitido (Imax) da corrente é abruptamente diminuído até o valor limite inferior (Iinf) antes de ser permitido gradualmente aumentar novamente até o valor limite superior (Isup) a medida que a temperatura no nível do elemento de comutação diminui.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o valor do segundo limiar de temperatura é substancialmente igual ao valor do primeiro limiar de temperatura menos 10% a 15%.

18. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o valor limite inferior (Iinf) do valor máximo permitido (Imax) da corrente na carga é aproximadamente 2,5 A.

19. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o valor limite inferior (Iinf) do valor máximo permitido (Imax) da corrente na carga é aproximadamente 2,5 A.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o primeiro limiar de temperatura (Tsup) é um limiar de corte (Tj), cujo valor é substancialmente igual, por exemplo, a 170o C.

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