FR2924869A1

FR2924869A1 - Procede de protection d'un circuit de chauffage electrique d'un vehicule automobile contre une inversion de batterie et dispositif associe

Info

Publication number: FR2924869A1
Application number: FR0708633A
Authority: FR
Inventors: Jean Gatinois; Bertrand Puzenat; Alain Renard
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-06-12
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: FR2924869B1

Abstract

Dispositif électronique (100) de commande d'un circuit (110) de chauffage électrique de véhicule automobile, comprenant au moins un transistor MOSFET (121) de puissance.Selon l'invention, ledit dispositif comprend un circuit (130) de protection apte à appliquer audit transistor MOSFET de puissance, lors d'une inversion de batterie, une tension (Vgs) de commande supérieure au seuil (Vgsth) de conduction dudit transistor (121).Application aux installations de chauffage électrique des véhicules automobiles.

Description

PROCEDE DE PROTECTION D'UN CIRCUIT DE CHAUFFAGE ELECTRIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE CONTRE UNE INVERSION DE BATTERIE ET DISPOSITIF ASSOCIE

La présente invention concerne un procédé de protection contre une inversion de la polarité d'une batterie d'un dispositif électronique de commande d'un circuit de chauffage électrique de véhicule automobile. Elle concerne également un dispositif électronique de commande d'un circuit de chauffage électrique de véhicule automobile adapté pour résister à cette inversion de polarité de sorte à ce que le dispositif électronique de commande ne soit pas endommagé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'industrie automobile, et plus spécialement dans celui des io installations de chauffage électrique des véhicules automobiles. Les circuits de chauffage électrique des véhicules automobiles sont constitués par des éléments chauffants généralement disposés en série sur la batterie des véhicules avec un transistor MOSFET de puissance appartenant à un dispositif électronique de commande de l'alimentation en courant des 15 éléments chauffants, un tel transistor fonctionnant vis-à-vis d'un élément chauffant comme un commutateur de courant. En effet, selon la tension Vgs appliquée entre le grille et la source du transistor, la résistance drain-source équivalente de ce dernier peut varier entre des valeurs très élevées, ce qui a pour résultat de couper l'alimentation en courant de l'élément chauffant, ou, 20 au contraire, des valeurs très faibles permettant à la batterie de fournir à l'élément chauffant un courant suffisant pour produire par effet Joule la puissance calorifique désirée. Par ailleurs, on sait qu'un transistor MOSFET de puissance présente une diode intrinsèque parallèle, conductrice du courant de la source vers le 25 drain. Aussi, afin de neutraliser la présence de cette diode parasite, le transistor est monté entre les bornes de la batterie de manière que la diode intrinsèque soit elle-même montée en inverse et présente donc une très forte impédance dans des conditions nominales de fonctionnement de la batterie.

A titre d'exemple, la source du transistor est reliée à la borne OV de la batterie, tandis que le drain est relié à la borne +12V à travers l'élément chauffant, ceci bien entendu pour une batterie de 12V. Si le potentiel appliqué à la grille du transistor est telle que la tension grille-source Vgs est inférieure à s un seuil Vgsth donné, le transistor est non-conducteur et aucun courant ne traverse l'élément chauffant, étant entendu que la diode intrinsèque est également non-conductrice, comme on vient de le voir. Lorsque la grille du transistor est polarisée de manière suffisante pour que la tension Vgs dépasse le seuil Vgsth, le transistor devient conducteur et l'élément chauffant est alors 10 alimenté en courant, la diode intrinsèque restant non-conductrice. Pour les transistors MOSFET de puissance généralement utilisés aujourd'hui, Vgsth vaut de 2 à 4V et Vgs est de l'ordre de 8V, la résistance drain-source dans le sens passant correspondante Rdson étant de 20mO environ. De tels transistors sont prévus pour pouvoir commuter des courants 15 d'alimentation d'éléments chauffants jusqu'à une intensité de 25A, ce qui signifie que la puissance Rdson.I2 produite par effet Joule dans ces transistors peut atteindre 12,5W. On comprend qu'il soit nécessaire de prévoir des moyens pour évacuer de telles quantités de chaleur afin d'éviter de détériorer les dispositifs de commande des circuits de chauffage, en particulier les 20 transistors MOSFET de puissance eux-mêmes. C'est dans ce but que les dispositifs de commande incluant des transistors MOSFET de puissance comportent des dissipateurs de chaleur, lesquels sont en pratique des équipements de réalisation complexe et coûteuse. 25 Par ailleurs, les normes d'environnement électrique de l'industrie automobile imposent aux constructeurs de s'assurer qu'une inversion de batterie ne puisse détruire les dispositifs de commande électronique, notamment les transistors MOSFET de puissance. Dans le cas du montage qui a été décrit plus haut, on peut voir que, lors 30 d'une inversion de batterie, la source du transistor est portée au potentiel de 12V de la batterie, avec pour conséquence que le transistor devient alors non-conducteur. En revanche, la diode intrinsèque devient conductrice puisqu'elle se trouve polarisée dans le sens passant. Dans ces conditions, la tension Vforward aux bornes de la diode vaut environ 0,6V, ce qui correspond à une puissance Vforward.l de 15W pour un courant de 25A. On constate que cette puissance est du même ordre de grandeur que celle dégagée par le transistor dans des conditions nominales de fonctionnement de la batterie. Une inversion de batterie n'est donc pas susceptible d'affecter le dimensionnement du dissipateur de chaleur, tel qu'établi dans le cadre d'un fonctionnement normal de la batterie. La technologie des transistors MOSFET de puissance évolue aujourd'hui vers la réalisation de composants dont la résistance Rdson peut io être réduite jusqu'à 4mO, tout en restant d'un coût relativement modéré. Il en résulte que la puissance dissipée par ces transistors dans les conditions nominales de fonctionnement de la batterie est également diminuée d'un facteur de l'ordre de 5, soit 2,5 Watts, d'où la possibilité de simplifier considérablement la conception et le coût du dissipateur de chaleur. En tout 15 état de cause, l'éventuel surcoût des transistors basse résistance est largement compensé par l'économie faite sur le dissipateur de chaleur. Cet avantage est cependant contrarié par l'obligation de prendre en compte les situations d'inversion de batterie, puisque, même avec les transistors MOSFET de nouvelle génération, la puissance dissipée par la 20 diode intrinsèque reste élevée et donc incompatible avec les dissipateurs de chaleur bon marché envisagés pour un fonctionnement normal de la batterie. Aussi, un but de l'invention est de proposer un procédé qui permettrait de contourner cette difficulté afin d'obtenir qu'un dissipateur de chaleur dimensionné dans des conditions nominales de fonctionnement de la batterie 25 pour des transistors MOSFET de puissance basse résistance, soit également suffisant et donc utilisable en cas inversion de la polarité de la batterie. Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un procédé de protection contre une inversion de batterie d'un dispositif électronique de commande d'un circuit de chauffage électrique de véhicule automobile, ledit 30 dispositif électronique de commande comprenant au moins un transistor MOSFET de puissance, remarquable en ce que ledit procédé consiste, lors d'une inversion de batterie, à appliquer audit transistor MOSFET de puissance une tension de commande supérieure au seuil de conduction dudit transistor.

Ainsi, dès qu'une inversion de batterie est détectée, le transistor MOSFET de puissance est rendu automatiquement conducteur de manière à court-circuiter la diode intrinsèque, alors conductrice, et limiter le courant qui la traverse. Le dispositif électronique de commande se trouve donc parfaitement s protégé, quelles que soient les conditions de fonctionnement de la batterie. Selon un mode de réalisation avantageux, ladite tension de commande en inversion de batterie est choisie telle que la résistance du transistor MOSFET de puissance est sensiblement égale à la résistance dudit transistor en fonctionnement nominal de ladite batterie. lo On obtient ainsi que le transistor MOSFET de puissance se comporte lors d'une inversion de batterie de la même manière que dans les conditions nominales de fonctionnement de la batterie, notamment en ce qui concerne la résistance Rdson pour laquelle le dissipateur de chaleur a été initialement dimensionné. 15 L'invention concerne également un dispositif électronique de commande d'un circuit de chauffage électrique de véhicule automobile, comprenant au moins un transistor MOSFET de puissance, remarquable en ce que ledit dispositif comprend un circuit de protection apte à appliquer audit transistor MOSFET de puissance, lors d'une inversion de la polarité de la 20 batterie du véhicule automobile, une tension de commande supérieure au seuil de conduction dudit transistor. Selon un mode de réalisation particulier, ledit circuit de protection est un circuit élévateur de tension apte à augmenter le potentiel électrique de la grille du transistor MOSFET de puissance. 25 Avantageusement, le potentiel électrique appliqué à la grille du transistor MOSFET de puissance par le circuit élévateur de tension, lors d'une inversion de batterie, est choisi tel que la résistance du transistor MOSFET de puissance est sensiblement égale à la résistance dudit transistor en fonctionnement nominal da la batterie. 30 La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.

La figure 1 est un schéma d'un dispositif électronique de commande conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma d'un circuit élévateur de tension mis en oeuvre dans le dispositif de la figure 1.

Sur la figure 1 est représenté un dispositif électronique 100 de commande d'un circuit de chauffage électrique d'un véhicule automobile, constitué ici par un élément chauffant 110 alimenté en courant entre les bornes ûBAT et +BAT de la batterie du véhicule. Ce circuit de chauffage est un radiateur électrique de chauffage utilisant classiquement des pierres à effet io CTP, c'est-à-dire autorégulé en consommation maximum de courant. L'alimentation en courant électrique de l'élément chauffant 110 du circuit de chauffage est commandée par une centrale 120 de gestion électronique des différentes fonctions du véhicule. Concernant la fonction de chauffage, la centrale 120 de gestion est apte à commander la tension 15 appliquée à la grille G d'un transistor MOSFET 121 de puissance disposé en série avec l'élément chauffant 110 entre les bornes de la batterie. Pour mettre le chauffage du véhicule en marche, la centrale 120 de gestion porte la grille du transistor 121 à un potentiel tel que la tension Vgs de commande entre la grille G et la source S soit supérieure à la tension Vgsth 20 de seuil de conduction du transistor. A titre d'exemple, la tension Vgsth varie entre 2 et 4V et la tension Vgs de commande est prise typiquement égale à 8V, valeur pour laquelle la résistance directe Rdson entre le drain D et la source S du transistor 121 vaut environ 4mû avec les transistors MOSFET de puissance de nouvelle génération. On a vu plus haut que des valeurs aussi 25 faibles de résistance Rdson présentaient l'avantage de permettre la réalisation de dissipateurs de chaleur très simples et bon marché. Pour arrêter le chauffage, il suffit à la centrale 120 de gestion de porter la grille G du transistor 121 à un potentiel tel que Vgs<Vgsth. Le transistor 121 devient alors non-conducteur et coupe ainsi l'alimentation en courant de 30 l'élément chauffant 110. En réalité, ce qui vient d'être décrit n'est vérifié que lorsque la batterie du véhicule fonctionne dans des conditions nominales de polarité. Par contre, en cas d'inversion de batterie, on peut voir que si les pôles ûBAT et + BAT sont inversés la diode intrinsèque 122 du transistor 121 devient conductrice, permettant ainsi la circulation d'un courant électrique correspondant à une puissance dégagée dans la diode 122 de l'ordre d'une dizaine de watts, plus précisément 15 Watts.

Dans ces conditions, le dissipateur de chaleur dimensionné à quelques watts (2,5 watts) pour un fonctionnement nominal de la batterie devient insuffisant pour évacuer cette puissance et on encoure une destruction du module de commande par échauffement excessif du fait que cette puissance ne peut être dissipée au moyen du dissipateur dimensionné pour un io fonctionnement nominal. C'est pourquoi, il est prévu dans le dispositif 100 de commande de la figure 1 un circuit 130 de protection dont le but est d'appliquer au transistor MOSFET 121 de puissance une tension Vgs de commande supérieure à la tension Vgsth de seuil dès qu'une inversion de batterie est détectée. Ainsi, 15 lorsque la polarité de la batterie est inversée, on impose au transistor 121 d'être conducteur et donc de court-circuiter la diode intrinsèque 122. La puissance produite par cette dernière devient alors négligeable puisque la plus grande partie du courant travers le transistor lui-même dont on a vu que la puissance qu'il dégage pouvait être notablement réduite grâce aux nouvelles 20 technologies MOSFET. Bien entendu, il y a avantage à choisir la tension Vgs de commande telle que la résistance Rdson en inversion de batterie soit sensiblement égale à celle pour laquelle le dissipateur de chaleur a été dimensionné en fonctionnement nominal de la batterie. De cette manière, on assure une 25 compatibilité totale du dissipateur de chaleur avec toutes les conditions de fonctionnemént de la batterie, qu'elles soient nominales ou en inversion de polarité. En pratique, le circuit 130 de protection peut être un circuit élévateur de tension apte à augmenter le potentiel électrique appliqué à la grille G du 30 transistor de manière à réaliser la condition Vgs>Vgsth, même si le potentiel de la source S atteint une valeur élevée de l'ordre de 12V en situation d'inversion de batterie.

La figure 2 fournit un exemple de réalisation d'un tel circuit élévateur de tension sous la forme d'un doubleur de tension.

On observera sur la figure 2 la présence d'une diode D4 qui assure que le circuit 130 ne fonctionne qu'en cas d'inversion de batterie.

Le passage en inversion de batterie ouvre le circuit 130, ce qui met en fonctionnement un premier étage 131 qui est multivibrateur astable destiné à commander alternativement deux transistors bipolaires 132a, 132b constituant un étage 132 doubleur de tension. La tension-crête fournie en sortie de l'étage 132 est donc de l'ordre de 24V pour une tension finale de 20V environ qui, lo dans l'exemple de la figure 2, peut être appliquée aux transistors MOSFET de puissance de trois éléments chauffants.

Avec une tension de grille G de 20V, on obtient une tension Vgs de 8V, pour laquelle le transistor 121 est conducteur avec une résistance Rdson de 4mû, conformément au but recherché.

15 Les trois grilles G1, G2 et G3 représentées sur la figure 2 correspondent à la commande de trois transistors MOSFET apte à commander chacun un élément chauffant. Les diodes Dl, D2 et D3 sont placées sur le circuit d'alimentation respectif de chaque grille de sorte à : autoriser la commande simultanée des trois grilles G1, G2 et

20 G3 en cas d'inversion de polarité de la batterie,

dissocier la commande des grilles G1, G2 ou G3 en

fonctionnement nominal de la batterie, c'est-à-dire quand une

commande de arrive par la centrale de gestion 120(1), 120(2)

et/ou 120(3). Ceci permet de rendre indépendant la commande 25 de chaque MOSFET en évitant un retour de G1 vers G2 ou G3. On dispose donc d'un radiateur électrique comprenant des éléments chauffants dont la mise en oeuvre est placée sous la dépendance d'un module de commande qui comporte un circuit de protection 130 qui évite une dégradation consécutive à une inversion de polarité d'une batterie du véhicule

30 automobile alimentant le radiateur.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de protection d'un dispositif électronique (100) de commande d'un circuit (110) de chauffage électrique de véhicule automobile contre une inversion de polarité d'une batterie alimentant ledit véhicule, ledit dispositif électronique de commande comprenant au moins un transistor MOSFET (121) de puissance, caractérisé en ce que ledit procédé consiste, lors d'une inversion de polarité de la batterie, à appliquer audit transistor MOSFET de puissance une tension (Vgs) de commande supérieure au seuil (Vgsth) de conduction dudit transistor (121). i0

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite tension (Vgs) de commande en inversion de batterie est choisie telle que la résistance (Rdson) du transistor MOSFET (121) de puissance est sensiblement égale à la résistance dudit transistor en fonctionnement nominal de ladite batterie. 15

3. Dispositif électronique (100) de commande d'un circuit (110) de chauffage électrique de véhicule automobile, comprenant au moins un transistor MOSFET (121) de puissance, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un circuit (130) de protection apte à appliquer audit transistor MOSFET de 20 puissance, lors d'une inversion de batterie, une tension (Vgs) de commande supérieure au seuil (Vgsth) de conduction dudit transistor (121).

4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ledit circuit (130) de protection est un circuit élévateur de tension apte à augmenter le potentiel 25 électrique de la grille (G) du transistor MOSFET (121) de puissance.

5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le potentiel électrique appliqué à la grille (G) du transistor MOSFET (121) de puissance par le circuit élévateur de tension, lors d'une inversion de batterie, est choisi tel que la 30 résistance (Rdson) du transistor MOSFET de puissance est sensiblement égale à la résistance dudit transistor (121) en fonctionnement nominal de la batterie.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 5, dans lequel le transistor MOSFET (121) de puissance est commandé par une centrale (120) de gestion électronique raccordé électriquement à la grille (G) du transistor.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel est installé une diode (D4) qui assure que le circuit (130) de protection ne fonctionne qu'en cas d'inversion de polarité de la batterie.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel le io circuit (130) de protection comprend deux transistors bipolaires (132a, 132b) connectés électriquement et directement l'un à l'autre pour former un étage (132) doubleur de tension.

9. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le transistor MOSFET (121) 15 de puissance comporte une résistance (Rdson) drain-source dans le sens passant est au maximum de 4 mû.

10. Radiateur électrique pour véhicule automobile comprenant au moins un élément chauffant dont la mise en oeuvre est placé sous la dépendance d'un 20 dispositif électronique (100) de commande selon l'une des revendications 3 à 9.