FR2779880A1

FR2779880A1 - Circuit d'alimentation electrique notamment pour automobile

Info

Publication number: FR2779880A1
Application number: FR9910068A
Authority: FR
Inventors: Roger Miller
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 1999-12-17
Also published as: GB2323175A8; GB9801974D0; GB2323175B; JPH1127854A; IT1298519B1; DE19803040A1; FR2759213A1; JP3220427B2; GB2323175A; US5939863A; ITMI980173A1

Abstract

L'invention concerne un circuit d'alimentation transmettant de l'énergie à une charge inductive et comprenant un circuit de pilotage couplé à une borne positive d'entrée (B+) du circuit d'alimentation, une résistance (R1) de détection de courant couplée en série avec la charge inductive, la tension analogique aux bornes de la résistance (R1) de détection de courant mesurant le courant transmis par le circuit d'alimentation à la charge inductive, et un circuit intégré (IC1) ayant des première et seconde broches d'entrée de détection de courant couplées à la résistance (R1) de détection de courant pour la réception de la tension analogique aux bornes de la résistance (R1) de détection de courant, et une broche de sortie (O. S.) de détection de courant qui transmet une représentation numérique de la tension analogique reçue par la première et la seconde broche d'entrée de détection de courant.

Description

La présente invention concerne des circuits de protec-

tion de batteries d'accumulateurs contre un courant inverse, de détection de courant et de détection de température et, plus précisément, elle concerne un nouveau circuit destiné à remplir ces trois fonctions et à donner un signal

numérique correspondant de sortie.

Les circuits classiques d'alimentation qui sont connec-

tés à une batterie d'accumulateurs (par exemple une batterie d'automobile) mettent en oeuvre une combinaison d'un relais électromécanique et de diodes pour la protection du circuit d'alimentation contre les détériorations dues à la connexion de la batterie en sens inverse. La détection du courant dans les alimentations classiques est en général réalisée à

l'aide d'une résistance en shunt.

Un circuit classique d'alimentation 10, tel qu'il est utilisé dans l'industrie automobile, est représenté sur la figure 1. Ce circuit 10 comporte un bus de courant continu positif (B+) et une borne de masse destinée à être connectée

à une batterie d'accumulateurs (non représentée). Six tran-

sistors de puissance Q1 à Q6 forment un circuit à pont complet pour le pilotage par exemple d'un moteur triphasé d'induction. Les circuits 11, 12 et 13 de commande de pilotage de grille commandent en alternance la mise aux

états conducteur et non-conducteur des transistors de puis-

sance Q1 à Q6 pour la production d'énergie pulsée à des

bornes A, B et C, de manière connue dans la technique.

Un circuit à relais M est utilisé pour la protection des transistors de puissance contre les détériorations lorsqu'une batterie d'accumulateurs est connectée en sens inverse. Lorsque la connexion d'une telle batterie est inversée, une diode Dl est polarisée en inverse si bien qu'un courant est arrêté et ne peut pas circuler dans la bobine du relais. Le contact du relais s'ouvre alors et déconnecte la batterie du circuit d'alimentation 10. Lorsque la batterie est convenablement connectée, le courant dans le sens direct circule dans la diode Di et la bobine du relais si bien que le contact du relais se ferme et le circuit d'alimentation est alimenté par la batterie d'accumulateurs

entre la borne B+ et la masse.

La détection du courant dans le circuit classique d'alimentation 10 de la figure 1 est réalisée par détection de la tension aux bornes d'une résistance en shunt Ri, de manière bien connue dans la technique. La détection de température dans le circuit classique d'alimentation 10

n'est pas possible sans utilisation d'un composant supplé-

mentaire de détection de température, tel qu'un thermo-

couple, une thermistance ou analogue.

Le circuit classique 10 d'alimentation de la figure 1 présente des inconvénients car, dans l'industrie automobile, les informations tirées de la détection du courant et de la détection de la température sont transmises habituellement à un microprocesseur ou analogue sous forme d'informations numériques destinées à être utilisées par le microprocesseur pour la commande de l'ensemble du fonctionnement de l'automobile. Ainsi, une solution peu coûteuse assurant la protection de la batterie contre une connexion en sens inverse, la détection du courant et la détection de température dans un circuit d'alimentation ayant un nombre minimal de composants et formant une interface numérique pour la transmission des informations relatives au courant et à la température à un

microprocesseur est donc nécessaire.

Pour remédier aux inconvénients des circuits d'alimen-

tation de la technique antérieure qui comportent des circuits classiques de protection contre la connexion en sens inverse de la batterie d'accumulateurs, des circuits

classiques de détection de courant et des circuits clas-

siques de détection de température, l'invention met en oeuvre un dispositif à semi-conducteur de puissance, de préférence un dispositif MOS commandé tel qu'un transistor

à effet de champ MOSFET de puissance ou un transistor bipo-

laire à grille isolée de puissance IGBT, dans le trajet du courant circulant dans le sens direct depuis un étage de puissance pour assurer la protection contre la connexion de la batterie en sens inverse, la détection du courant et la

détection de la température. La grille du dispositif à semi-

conducteur de puissance est couplée à la borne du bus positif du circuit et est couplée en alternance à la masse lorsque la température doit être contrôlée. Dans un autre aspect de l'invention, un dispositif de conversion d'informations est utilisé et est destiné à transformer un signal analogique représentatif d'au moins un courant circulant dans un élément de détection de courant ou un signal de température produit par un élément de détection de température en informations numériques destinées à un microprocesseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

seront mieux compris à la lecture de la description qui va

suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un circuit d'alimentation

de la technique antérieure comprenant un circuit de protec-

tion contre la connexion de la batterie en sens inverse et de détection de courant; la figure 2 est un schéma d'un circuit d'alimentation ayant un circuit de protection contre la connexion en sens

inverse de la batterie, de détection de courant et de détec-

tion de température dans un exemple de réalisation de l'invention; la figure 3 est un schéma d'un circuit d'alimentation comprenant un circuit de détection de courant dans un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est un schéma d'un circuit d'alimentation ayant un circuit de détection de courant dans un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 5 est un schéma d'un circuit d'alimentation ayant un circuit de détection de courant dans un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 6 est un schéma d'un circuit d'alimentation comprenant un circuit de protection contre la connexion en sens inverse de la batterie et de détection de courant et un circuit de détection de température selon l'invention; et la figure 7 est un schéma d'un circuit d'alimentation utilisant un circuit de protection contre la connexion en sens inverse de la batterie et de détection de courant dans

un autre mode de réalisation de l'invention.

On se réfère maintenant aux dessins sur lesquels les références identiques désignent des éléments analogues; la figure 2 représente un circuit 100 d'alimentation ayant une configuration correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention. Ce circuit 100 d'alimentation de la figure 2 comporte un étage de puissance analogue à celui de la

figure 1, mais ne comprend qu'un circuit unique de protec-

tion contre la connexion de la batterie en sens inverse, qui peut aussi assurer les fonctions de détection de courant et

de détection de température.

Le circuit 100 d'alimentation comporte un transistor

à effet de champ MOSFET Q7 de puissance à conduction verti-

cale et à canal N, connecté en série avec le trajet de circulation du courant dans le sens direct de l'étage de puissance vers la masse. Il faut noter que tout dispositif à semi-conducteur de puissance ayant une diode incorporée d'orientation convenable peut être utilisé, par exemple un transistor MOSFET de puissance à conduction verticale et à canal P peut être utilisé lorsque la diode incorporée est inversée. Plus précisément, la source du transistor Q7 est connectée à un noeud commun de source du pont complet qui a une borne de détection de courant I SENSE. Le drain du transistor Q7 est connecté à la masse. Ainsi, la diode incorporée du transistor Q7 est orientée afin que sa cathode soit aussi couplée à la masse et son anode soit couplée à la

borne I SENSE.

La grille du transistor Q7 (ayant une borne appelée I/TEMP) est couplée au bus B+ du circuit 100 d'alimentation par une résistance R2 de polarisation. Lorsque la batterie (non représentée) est convenablement connectée à la borne B+, la grille du transistor Q7 est polarisée à une tension supérieure à la source et le transistor Q7 passe à l'état conducteur. Dans une application à une automobile, la grille est polarisée à une tension de 12 V environ. Ainsi, le transistor Q7 conduit un courant de l'étage de puissance du circuit 100 d'alimentation à la masse et le circuit d'ali- mentation relié aux bornes A, B et C est complet. Cependant, si la batterie est connectée avec une orientation inverse, la grille du transistor Q7 n'est pas à un potentiel supérieur à celui de la source et le transistor Q7 reste à

l'état non conducteur si bien qu'il ne conduit pas de cou-

rant et protège notamment les transistors de puissance Q1 à

Q7 et les circuits de commande 11, 12 et 13. Il est avan-

tageux que la combinaison de la diode et du relais (Dl, M) du circuit de protection contre la connexion en sens inverse de la batterie, selon la technique antérieure, ne soit pas

nécessaire dans le circuit de la présente invention.

Lorsque le transistor Q7 est polarisé dans le sens

direct, le courant qui circule peut être détecté par détec-

tion de la chute de tension dans le sens direct entre la source et le drain (c'est-à-dire la tension entre la borne I SENSE et la masse). Comme le courant qui circule dans le

transistor Q7 est le même que l'ensemble du courant circu-

lant dans l'étage de puissance, la tension détectée à la borne I SENSE est une mesure précise du courant du circuit d'alimentation 100. Il est avantageux que la résistance supplémentaire de shunt (Ri) du circuit de détection de courant de la technique antérieure ne soit pas nécessaire

dans le circuit de la présente invention.

Dans l'ensemble classique du circuit d'alimentation 100, les dispositifs Q1 à Q6 sont couplés thermiquement à un radiateur commun. Le dispositif Q7 peut être couplé au même radiateur. Lorsque la grille du transistor Q7 (la borne I/TEMP) est connectée à la masse, les caractéristiques de la diode incorporée D2 sont utilisées pour la détection de la température du transistor Q7 qui constitue aussi une mesure précise de la température de fonctionnement du circuit 100 d'alimentation. Il faut noter que la borne I/TEMP doit être connectée à la masse en synchronisme avec l'arrêt de la conduction du circuit en pont. Par exemple, la chute de tension dans le sens direct de la diode incorporée diminue d'environ 2 mV par élévation de température de 1 C (pour un courant constant dans le sens direct). En conséquence, la tension à la borne I SENSE est mesurée lorsque la borne I/TEMP est couplée à la masse pour l'obtention de la

température du circuit d'alimentation 100.

A l'aide de la nouvelle configuration selon l'inven-

tion, la protection contre la connexion en sens inverse de la batterie, la détection du courant et la détection de la température sont réalisées avantageusement dans un circuit d'alimentation ayant un nombre minimal de composants. Ainsi, l'invention a des fonctionnalités supérieures à celles des circuits d'alimentation de la technique antérieure, pour un

coût minimal.

On se réfère maintenant à la figure 3 qui représente

un second exemple de réalisation de l'invention.

Le circuit de la figure 3 comprend un réseau de tran-

sistors en pont complet, couplé entre le bus continu positif B+ et la masse. Il faut noter que le pont complet comprend quatre transistors Q1 à Q4, par exemple des transistors de puissance MOSFET, représentés par les transistors Q1 et Q4 qui sont à l'état non-conducteur, et par des diodes D2 et D3 qui sont des diodes à fonctionnement astable tel que le courant circule de la masse dans la self L pour revenir au bus B+. Ainsi, les diodes D2 et D3 représentent des diodes à montage antiparallèle, par exemple des diodes de Schottky, qui sont couplées aux bornes des transistors MOSFET Q2 et Q3

(non représentées).

Le circuit 200 d'alimentation comporte une résistance Ri de détection de courant (résistance en shunt) couplée en série avec la self de sortie L afin que la self L reçoive le courant de sortie du pont, et la résistance Ri donne une tension de sortie qui correspond au courant transmis à la self L. Cette configuration convient particulièrement bien au pilotage d'un moteur à réluctance commutée à l'aide d'une alimentation commandée à une seule extrémité, par exemple

dans une application à une automobile.

Le circuit 200 d'alimentation comprend aussi un circuit intégré ICI qui, comme représenté, a un boîtier à deux lignes de connexion à huit broches, mais il faut noter que le boîtier particulier utilisé n'est pas primordial selon

l'invention. Le circuit ICI reçoit des informations analo-

giques qui correspondent au courant transmis à la self L en fonction de la tension produite aux bornes de la résistance Ri. La tension analogique apparaissant aux bornes de la résistance R1 est transmise au circuit intégré ICI par les

broches 7 et 6. Le circuit ICI transforme la tension analo-

gique transmise aux broches 7 et 6 en un courant de bits, de préférence un courant de bits en série, et transmet des données numériques à la broche 1 (borne SDA). Le circuit ICI

reçoit un signal d'horloge par la broche 2 (borne SCL).

L'interface SDA et SCL convient particulièrement bien à l'industrie automobile et permet la création de signaux d'après la référence I2C. Le circuit ICI peut éventuellement donner un signal à la broche 3 (borne O.S.) lorsque la tension analogique présente entre les broches 7 et 6 dépasse

une limite prédéterminée.

Le circuit d'alimentation 200 comporte aussi un capteur

202 de température qui peut comprendre par exemple une ther-

mistance, un thermocouple ou analogue, le capteur de température étant couplé au circuit ICI par la broche 5. Le

capteur 202 de température est de préférence couplé thermi-

quement aux composants Q1 à Q4 de puissance afin que le capteur de température donne un signal analogique qui est une représentation précise de la température des composants de puissance. Le circuit ICI transforme le signal analogique provenant du capteur 202 de température en un signal numérique destiné à être transmis à la borne SDA. Ainsi, un microprocesseur couplé à l'interface numérique (c'est-à-dire aux bornes SDA et SCL) peut recevoir les caractéristiques de

courant et de température du circuit d'alimentation 200.

On se réfère à la figure 4 qui représente un troisième exemple de réalisation selon l'invention, comprenant un circuit d'alimentation 204. Ce circuit 204 est pratiquement identique au circuit d'alimentation de la figure 3, mais il ne comporte pas la résistance Ri de détection de courant en

série avec la self L. Au contraire, le circuit 204 d'ali-

mentation utilise la résistance à l'état conducteur du transistor Q1 placé du côté élevé pour la mesure du courant transmis à la self L. En fait, lorsque le courant transmis à la self L augmente, la tension aux bornes du transistor Q1 augmente aussi. Ainsi, les broches 7 et 6 du circuit intégré ICI sont connectées aux bornes du transistor Q1 si bien que la tension aux bornes du transistor Q1 est transmise au circuit ICI et est utilisée comme signal analogique représentatif du courant transmis à la self L. Il faut comprendre que la tension aux bornes du transistor Q1 représente le courant qui circule dans la self L uniquement lorsque le transistor Q1 est polarisé à l'état

conducteur par un circuit de commande (non représenté).

Lorsque le transistor Q1 est polarisé à l'état non-conduc-

teur et les diodes D2 et D3 des transistors Q2 et Q3 respectivement ont un fonctionnement astable, la tension aux bornes du transistor Q1 représente pratiquement la tension aux bornes de la self L. Ainsi, le cas échéant, le circuit ICI peut donner un signal numérique à la borne SDA afin qu'il soit représentatif de la tension aux bornes de la self L. On se réfère maintenant à la figure 5 qui représente un quatrième exemple de réalisation de l'invention, ayant un circuit d'alimentation 206. Ce circuit 206 est pratiquement

le même que le circuit d'alimentation 204, mais la résis-

tance à l'état conducteur du transistor Q2 est utilisée comme résistance de détection de courant si bien que les broches 7 et 6 du circuit ICI sont couplées aux bornes du transistor Q2. Il faut comprendre que les diodes Di et D4 représentent les diodes antiparallèles connectées aux bornes des transistors Q1 et Q4 respectivement, et que les diodes Dl et D4 ont un fonctionnement astable si bien que le courant circule depuis la masse dans la diode D4, la self L, la diode Dl vers le bus B+. Comme dans le cas du circuit d'alimentation 204 de la figure 4, le circuit IC1 reçoit une tension entre les broches 7 et 6 qui est représentative du courant circulant dans la self L lorsque le transistor Q2

est à l'état conducteur et conduit un courant.

On se réfère maintenant à la figure 6 qui représente

un schéma d'un cinquième exemple de réalisation de l'inven-

tion mettant en oeuvre un circuit d'alimentation 208. Ce circuit 208 comporte des transistors Q1 et Q4 qui sont couplés à la self L. Il faut noter que la self L peut représenter une phase d'un moteur à réluctance commutée de type polyphasé et que des composants supplémentaires de puissance de commutation, tels que des transistors Q2 et Q3, sont omis par raison de clarté. Le circuit d'alimentation 208 comprend un transistor MOSFET Q7 couplé en série avec les composants de puissance Q1 et Q4 jusqu'à la masse afin qu'un courant circulant dans les composants de puissance et la self L circule dans le transistor Q7. Ainsi, comme dans le cas du circuit d'alimentation 100 de la figure 2, le transistor Q7 peut être utilisé pour détecter à la fois le courant et la température et pour assurer la protection

contre une connexion en sens inverse de la batterie.

Les broches 7 et 6 du circuit IC1 sont couplées aux bornes du transistor Q7 par des résistances R4 et R5, ces résistances pouvant donner une détection de température Kelvin. Ainsi, lorsque le transistor Q7 est polarisé à l'état conducteur, la tension entre les broches 7 et 6 du circuit IC1 est représentative du courant circulant dans la

self L. Lorsque le transistor Q7 est mis à l'état non-

conducteur, le courant circule dans la diode antiparallèle du transistor Q7 qui crée entre les broches 7 et 6 du circuit ICi une tension représentative de la température des

composants de puissance du circuit 208 d'alimentation.

Ainsi, le circuit ICi produit un signal numérique à la borne SDA qui est représentatif à la fois du courant et de la température. En outre, le circuit IC1 est destiné à donner un signal à la borne O.S. qui est représentatif de l'un au

moins des états de surintensité ou de température excessive.

Il est avantageux que le circuit IC1 forme une interface numérique convenant à la norme I2C de l'industrie automobile qui permet à un microprocesseur ou un autre dispositif de traitement, incorporé par exemple à une

application automobile, de recevoir certaines caracté-

ristiques d'un circuit d'alimentation incorporé à l'automo-

bile, telles que les valeurs du courant et de la température du circuit d'alimentation. Le microprocesseur peut alors prendre des mesures correctrices lorsque le courant et/ou la température du circuit d'alimentation dépassent des limites prédéterminées. On se réfère maintenant à la figure 7 qui représente

un autre mode de réalisation de l'invention. Plus précisé-

ment, le transistor MOSFET Q7 a été remplacé par un transistor bipolaire à grille isolée IGBT Q8 destiné à assurer à la fois les propriétés de protection contre la connexion en sens inverse de la batterie et la détection du courant dans le circuit de la figure 2. Il faut noter que le circuit de la figure 7 n'a pas de caractéristique de détection de température puisque le transistor IGBT ne

comporte pas une diode incorporée.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux circuits qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif

sans sortir du cadre de l'invention.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Circuit d'alimentation comportant une borne positive d'entrée (B+) et une borne de masse, le circuit d'alimentation transmettant de l'énergie à une charge inductive et étant caractérisé en ce qu'il comprend: un circuit de pilotage couplé à la borne positive d'entrée (B+), une résistance (Rl) de détection de courant couplée en série avec la charge inductive, la tension analogique aux bornes de la résistance (Ri) de détection de courant mesurant le courant transmis par le circuit d'alimentation à la charge inductive, un circuit intégré (ICl) ayant des broches d'entrée et des broches de sortie, des première et seconde broches d'entrée de détection de courant du circuit intégré (ICl) couplées à la résistance (Rl) de détection de courant pour la réception de la tension analogique aux bornes de la résistance (Ri) de détection de courant, et une broche de sortie (O. S.) de détection de courant du circuit intégré (IC1) qui transmet une représentation numérique de la tension analogique reçue par la première et la seconde broche d'entrée de

détection de courant.

2. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une broche d'entrée d'horloge (SCL) du circuit intégré (IC1) destinée à

recevoir un signal d'horloge.

3. Circuit d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une broche de sortie d'alarme du circuit intégré (ICl), la broche de sortie d'alarme transmettant un signal lorsque la

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tension analogique entre les première et seconde broches d'entrée de détection de courant dépasse une

limite prédéterminée.

4. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque

des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le

circuit d'alimentation est couplé à une batterie

d'accumulateurs d'automobile.

5. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque

des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il

comprend: un capteur de température (202) couplé au circuit de pilotage et transmettant une tension analogique qui représente la température du circuit de pilotage, une broche d'entrée de température du circuit intégré (ICl) couplée au capteur de température (202) et recevant la tension analogique transmise par le capteur de température (202), et une broche de sortie de température du circuit intégré (IC1) qui transmet une représentation numérique de la tension analogique reçue par la broche d'entrée

de température.

6. Circuit d'alimentation selon la revendication , caractérisé en ce que la broche de sortie (O.S.) de détection de courant est la broche de sortie (O.S.) de

température.