FR2748611A1 - Dispositif de coupure a tec de puissance et detection de court-circuit - Google Patents
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Abstract
Dispositif de coupure équipé d'un TEC de puissance (1) et d'un dispositif de détection d'un courant de court-circuit circulant à travers le TEC de puissance, caractérisé en ce qu'à la borne de grille est reliée une diode de blocage (7), dont l'autre borne se trouve en fonctionnement à une tension de blocage constant, qui possède la même polarité que la tension de commande dans l'état de conduction complète du TEC, et en ce que la tension de blocage et la résistance de dérivation (3) sont dimensionnées de sorte que, dans le cas d'un court-circuit soudain entre le drain et la tension de commande, le courant traversant le TEC (1) est limité par la variation provoquée par la chute de tension sur la résistance de dérivation (3) de la tension de source à une valeur telle que, dans un intervalle de temps nécessaire pour la coupure du TEC par suite du signal de sortie du dispositif de détection d'un court-circuit, une détérioration du TEC et/ou d'autres composants par le court-circuit est évitée.
Description
La présente invention a trait à un dispositif de coupure équipé d'un
transistor à effet de champ de puissance, qui est destiné à la coupure d'un courant circulant à travers une charge, qui est montée entre une borne de tension d'alimentation et la borne de drain du TEC de puissance, et en amont de la borne de grille duquel est montée une résistance série à la borne éloignée de la borne de grille de laquelle peut être une tension de commande pour le TEC de puissance, avec un dispositif de détection d'un courant de court-circuit circulant à travers le TEC de puissance, qui, dans le cas d'un court-circuit, génère un signal de sortie destiné à la coupure du TEC de puissance, le dispositif de détection du court-circuit présentant une résistance de dérivation montée en aval de la borne de source du TEC de puissance et évaluant la chute de tension sur la résistance de dérivation en vue de la détection du courant. De tels dispositifs sont connus. Le signal de sortie indiquant un court-circuit est appliqué à un circuit de commande analogique (contrairement à un circuit numérique) qui coupe le TEC dans le délai le plus bref après l'apparition du signal de sortie précité, de sorte que des dommages peuvent être évités au TEC ou à d'autres composants
de circuit, par suite du courant de court-circuit.
Le demandeur a essayé de réaliser la commande non au moyen d'un circuit analogique, mais au moyen d'un circuit contenant un microprocesseur, qui certes coupe le plus rapidement possible le TEC lors de l'apparition du signal indiquant le court-circuit, par exemple au moyen d'un signal d'interruption appliqué au microprocesseur, mais ne pouvant pas couper aussi rapidement que les circuits analogiques classiques. Il a tout d'abord supposé que la grandeur de la surintensité apparaissant en cas de court-circuit est limitée à des valeurs admissibles grâce à la chute de tension apparaissant sur la résistance de dérivation par suite du courant intense, car cette chute de tension diminue la tension de commande s'exerçant sur le TEC entre la borne de source et la borne de grille. Mais ceci n'a pas été confirmé expérimentalement, au contraire, initialement après l'application du court-circuit, un courant de court-circuit extrêmement intense a été observé. Les causes en sont la capacité grille-source et la résistance série de grille. Par le condensateur, dans le cas d'un accroissement rapide de
tension sur la source, ce qui est le cas lors d'un court-
circuit, des charges sont pompées dans la grille, qui ne peuvent pas s'écouler à cause de la résistance série de grille, la tension de grille s'élève par conséquent au-delà de la tension de commande, l'effet de limitation de courant de l'accroissement de tension sur la source étant ainsi inefficace. Le remède pourrait être d'une part de supprimer, ou d'autre part de réduire la résistance série de grille, les porteurs de charge pompés dans la grille s'écoulant ensuite dans le cas d'une structure appropriée, s'écouler rapidement dans le circuit de commande, l'effet de limitation de courant de l'accroissement de tension sur la source étant ainsi efficace. Dans ce cas, cependant, par suite de la mise en conduction et hors conduction rapide du TEC de puissance, des parasites électromagnétiques apparaissent, rendant possible la qualification du circuit selon les prescriptions EMV (dose électromagnétique admissible) uniquement à l'aide de composants
supplémentaires de déparasitage.
Selon l'invention, l'accroissement de la tension de grille au-delà de la tension de commande peut être évité grâce à un circuit de blocage simple, dans lequel, à la borne de grille, est reliée une diode de blocage par l'une de ses extrémités, dont l'autre extrémité se trouve en fonctionnement à une tension de blocage constante, qui présente la même polarité que la tension de commande lors de la conduction complète du TEC de puissance, et en ce que la tension de blocage et la résistance de dérivation sont dimensionnées, de sorte que, dans le cas d'un courtcircuit brusque entre la borne de drain et la borne de tension d'alimentation, le courant circulant à travers le TEC de puissance est limité par la variation provoquée par la chute de tension sur la résistance de dérivation de la tension de source, à une valeur telle qu'à l'intérieur d'un intervalle de temps qui est nécessaire pour la coupure du TEC de puissance en raison du signal de sortie du dispositif de détection d'un court-circuit, une détérioration du TEC de
puissance et/ou d'autres composants de circuit par le court-
circuit est évitée.
L'avantage de l'invention réside dans le fait qu'également dans le cas de courts-circuits apparaissant brusquement, une limitation du courant à travers le TEC apparaît pratiquement instantanément en raison de la chute de tension croissant brusquement sur la résistance de dérivation. Ainsi, par dimensionnement approprié, le courant peut être réduit à des valeurs telles que des dommages dans la période jusqu'à ce que le circuit de commande coupe le TEC par abaissement de sa tension de commande, ne sont pas à craindre, même si cette période jusqu'à la coupure devait être considérablement plus longue que dans le cas de
circuits de commande classiques en technique analogique.
Dans le cas de l'invention, il est en outre avantageux que la résistance série montée en amont de la borne de grille provoque dans le cas de la commande du TEC dans le sens du blocage, une coupure ralentie du TEC, ce qui réduit des parasites électromagnétiques. Grâce à l'invention, il est garanti que, dans le cas d'un dimensionnement approprié, en cas de court-circuit, une telle coupure ralentie n'a pour conséquence aucune destruction. Dans le cas du circuit représenté dans l'exemple de réalisation, également dans le cas de la mise en conduction du TEC, grâce à la résistance série, se produit un ralentissement de la transition de l'état non-conducteur dans l'état conducteur, ce qui provoque également une réduction de parasites électromagnétiques. Si dans des cas particuliers, le processus de mise en conduction du TEC se produit particulièrement rapidement, la résistance série pourrait alors, dans le cas du circuit représenté dans l'exemple de réalisation être shuntée avec les polarités choisies des différentes tensions, par une diode, dont la
cathode est reliée à la borne de grille du TEC.
La limitation de tension sur la grille est influencée par la tension de blocage et la tension de seuil
de la diode de blocage.
Dans une forme de réalisation de l'invention, le TEC de puissance est un TEC réalisé en vue de la commande de circuit numérique. Un tel TEC est réalisé pour une tension de grille de 5 V en vue de l'obtention complète de l'état conducteur, et a, par exemple déjà pour une tension de grille de 3 V, une résistance interne parfaitement efficace pour la limitation du courant. Dans ce cas, on peut adopter la disposition afin que la résistance de dérivation soit dimensionnée de sorte que, dans le cas d'un courant accru qui lui est appliqué, la coupure complète du TEC peut être tolérée en cas de court-circuit pour une chute de courant de 2 V, de sorte qu'entre source et grille agit encore une tension de 3 V. D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront de la description qui va suivre
d'un exemple de réalisation de l'invention en regard des dessins, qui représentent des particularités essentielles à
l'invention, et des revendications. Les différentes
caractéristiques peuvent être obtenues séparément ou en combinaison quelconque dans le cas d'une forme de
réalisation de l'invention.
La Figure 1 représente un exemple de réalisation d'un circuit selon l'invention, la Figure 2a représente un diagramme temporel de la tension de commande agissant entre grille et source dans l'état conducteur et dans le cas d'un court-circuit apparaissant avec et sans diode de blocage, la Figure 2b représente le courant circulant à travers la résistance de dérivation en fonction du temps
selon une représentation correspondant à la Figure 2a.
Le circuit représenté sur la Figure 1 est prévu pour l'utilisation dans l'électricité ou l'électronique d'un véhicule automobile et fonctionne par conséquent, dans l'exemple, avec une tension de fonctionnement de 12 V. Le circuit comporte un transistor à effet de champ de puissance, ci-après appelé TEC 1. Entre la borne de source de celui-ci et la masse se trouve une résistance de dérivation 3. La borne de drain D du TEC 1 est reliée par l'intermédiaire d'une charge à alimenter en courant à l'aide du TEC 1, à une borne UB, qui se trouve en fonctionnement à la tension de fonctionnement positive de 12 V. La charge 5 est symbolisée par une résistance ohmique d'une valeur de 10 Ohm. Il peut s'agir effectivement d'une lampe ou d'un autre appareil de consommation électrique. Pour des raisons de simplicité, un appareil d'utilisation est représenté par une résistance ohmique, mais le dispositif pourrait également actionner un appareil d'utilisation à résistance inductive, par exemple une bobine magnétique. On comprendra qu'il peut être approprié dans le cas d'une charge inductive, de prévoir d'autres dispositions de circuit, par exemple de manière connue, de prévoir une diode non asservie montée en
parallèle sur la charge.
A la borne de grille G du TEC 1, est d'une part reliée l'anode d'une diode de blocage 7, dont la cathode se trouve à une tension de 5 V, d'autre part une résistance série 9, dont l'autre borne forme l'entrée pour une tension de commande à délivrer à un circuit de commande. A la borne de source S, est relié un circuit de valeur de seuil, qui, lorsque la tension sur la borne de source S dépasse la valeur de 0,5 V, délivre à une sortie INT un signal négatif devant être appliqué à un circuit de commande, qui coupe le
TEC par variation de la tension de commande.
Le circuit de valeur de seuil comporte un amplificateur opérationnel 15. Son entrée avec inversion est reliée par l'intermédiaire d'une résistance 17 au point de liaison entre la borne de source du TEC 1 et la résistance de dérivation 3. L'entrée sans inversion de celui-ci reçoit, par l'intermédiaire d'une résistance 25, une tension de seuil de 0,5 V et d'autre part, par l'intermédiaire d'une résistance de couplage 19, est reliée à la sortie de l'amplificateur opérationnel 15, qui est également la sortie du circuit de valeur de seuil. A celle-ci est appliquée, par l'intermédiaire d'une résistance 21, une tension de 5 V. la résistance de couplage 19 provoque conjointement avec la
résistance 25, un hystérésis du circuit de valeur de seuil.
Dans l'exemple de réalisation, le TEC 1 est du type IRLR024, la diode de blocage 7 du type 1N4148, l'amplificateur opérationnel du type LM2901; la résistance de dérivation 3 présente une valeur de 0,22 Ohm, la résistance série 9 à une valeur de 10 kiloohm, la résistance 17 une valeur de 10 kiloohm, la résistance 19 une valeur de
330 kiloohm, la résistance 21 une valeur de 1 kiloohm.
L'amplificateur opérationnel 15 se trouve à une tension d'alimentation de 10 V, la résistance à une valeur de 1 kiloohm. Le signal de commande, qui est appliqué à la résistance série 9 en vue de la commutation du TEC 1, est délivré par un microprocesseur et s'élève pour l'état non- conducteur du TEC 1 à 0 V et pour l'état conducteur à 5 V. En tenant compte de la tension de seuil d'environ 0,5 V (à cause des très faibles courants) de la diode de blocage 7, la tension s'exerçant sur la grille G du TEC 1 par rapport à la masse est limitée approximativement au plus à 5,5 V (dans
le cas d'un court-circuit).
Le circuit de valeur de seuil répond dans le cas d'un courant circulant à travers la résistance de dérivation 3 d'environ (0,5 V/0,22 Ohm =) 2,3 A. Le courant dans le cas d'un court-circuit est limité à 10 A. La chute de tension sur la résistance de
dérivation 3 s'élève alors à 2,2 V et la tension grille-
source maximale s'élève à 5,5 V - 2,2 V = 3,3 V. La Figure 2a représente l'allure de principe de la tension sur la grille par rapport à la masse sans diode
de blocage (courbe a) et avec diode de blocage (courbe b).
On voit que, dans le cas sans diode de blocage, la tension de grille s'élevant tout d'abord à 5 V dans le cas de l'apparition d'un court-circuit s'élève à 8,5 V, correspondant à un accroissement de la tension de source par
rapport à la masse de 4 V dans le cas d'un courant de court-
circuit d'environ 20 A (cf. également Figure 2b). Par contre, avec une diode de blocage, seul un accroissement de tension très faible sur la grille est présent dans le cas du court-circuit et par conséquent circule selon la Figure 2b vis-à-vis de l'état non-conducteur du TEC 1 de 1 A, seul un courant accru dans le cas d'un court-circuit d'environ 10 A. tl est l'instant du court-circuit, t2 est l'instant de la coupure du TEC 1. Un courant de court-circuit divisé par deux correspond à une puissance de perte divisée par deux
dans TEC (P = U * I) ou dans la dérivation (P = I2 * R).
Ceci permet des composants plus favorables en coût.
A l'invention appartiennent également des formes de réalisation dans lesquelles la limitation de la tension de grille au potentiel de commande s'effectue par un autre élément de limitation, par exemple, une diode Zener
convenablement choisie, montée entre grille et masse.
Claims (2)
1. Dispositif de coupure équipé d'un TEC de puissance, qui est destiné à la coupure d'un courant circulant à travers une charge montée entre une borne de tension d'alimentation et la borne de drain du TEC de puissance, et en amont de la borne de grille duquel est montée une résistance série, à la borne éloignée de la borne de grille de laquelle peut être appliquée une tension de commande pour le TEC de puissance, avec un dispositif de détection d'un courant de court- circuit circulant à travers le TEC de puissance, qui, dans le cas d'un court-circuit, génère un signal de sortie destiné à la coupure du TEC de puissance, le dispositif de détection du court-circuit présentant une résistance de dérivation montée en aval de la borne de source du TEC de puissance et évaluant la chute de tension sur la résistance de dérivation en vue de la détection du courant, caractérisé en ce qu'à la borne de grille est reliée une diode de blocage (7) par sa première borne, dont l'autre borne se trouve en fonctionnement à une tension de blocage constante, qui possède la même polarité que la tension de commande dans l'état complètement conducteur du TEC de puissance (1), et en ce que la tension de blocage et. la résistance de dérivation (3) sont dimensionnées de sorte que, dans le cas d'un court-circuit instantané entre la borne de drain et la borne de tension de fonctionnement, le courant circulant à travers le TEC de puissance (1) est limité par la variation provoquée par la chute de tension sur la résistance de dérivation (3) de la tension de source à une valeur telle qu'à l'intérieur d'un intervalle de temps, qui est nécessaire pour la coupure du TEC de puissance (1) en raison du signal de sortie du dispositif de détection d'un court-circuit, une détérioration du TEC de puissance et/ou d'autres composants
de circuit par le court-circuit est évitée.
2. Dispositif de coupure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le TEC de puissance (1) est réalisé en vue de la commande au moyen de circuits numériques.
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