FR3042331A1 - Dispositif de pont a diodes triphase, cote alimentation - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un dispositif de pont à diodes triphasé (100) d'aide à la commande de moteur électrique, comprenant trois générateurs d'impulsions configurés pour fournir un signal d'alimentation triphasé, présentant trois phases (U, V, W) décalées de 120°, chaque phase était reliée à une branche supérieure, connectée à une ligne d'alimentation (VBAT) et à une branche inférieure connectée à une masse, ledit dispositif comprenant par ailleurs au moins un groupe de trois transistors à effet de champ à grille isolée (TS_10, TS_20, TS_30) connecté chacun sur la branche supérieure et la branche inférieure, le dispositif comprenant par ailleurs une capacité de réserve (CR) connectée aux trois branches supérieures par l'intermédiaire, pour chaque branche supérieure, d'une capacité de transfert (C10, C20, C30) et de deux diodes (D10, D20, D30), et chaque branche supérieure comprenant une capacité d'autoamorçage (Cbu, Cbv, Cbw) connectée entre la grille du transistor correspondant et la capacité de réserve (CR), de façon à ce que les capacités d'autoamorçage (Cbu, Cbv, Cbw), les capacités de transfert (C10, C20, C30) et les deux diodes (D10, D20, D30) reliant chaque branche supérieure à la capacité de réserve (CR) forment, avec ladite capacité de réserve (CR), une pompe de charge.
Description
L’invention concerne les dispositifs de commande de grille, plus couramment désignés sous l’expression anglaise de « Gâte Driver Unit » et sous l’acronyme GDU correspondant. Ces dispositifs de commande de grille sont intégrés à des calculateurs électroniques embarqués, en particulier, à bord de véhicule, pour commander des transistors à effet de champ à grille isolée, plus couramment désignés sous l’acronyme anglais deMOSFETs, pour « Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor» en langue anglaise, signifiant transistor à effet de champ à structure métal-oxyde semi-conducteur, permettant de contrôler des moteurs électriques.
Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif de pont à diodes triphasé 100, destiné à une utilisation par un dispositif de commande de grille commandant des MOSFETs, en triphasé, pour l’alimentation d’un moteur électrique, en particulier d’un moteur électrique à courant continu sans balai.
Comme cela est connu de l’homme du métier, les GDU actuels servant à commander les six MOSFETs d'un pont triphasé sont classés essentiellement en deux familles. Les GDU bas de gamme, peu chers et présentant peu de fonctionnalités, ne permettent généralement pas de piloter à 100 % des MOSFETs situés sur le haut du pont triphasé, du côté de la ligne d’alimentation, autrement les MOSFETs « High Side », pour « côté haut », selon l’expression anglaise connue de l’homme de l’art.
Il existe par ailleurs, dans l’état de la technique, des GDU haut de gamme, plus onéreux, présentant des fonctionnalités plus riches et pouvant piloter à 100% les MOSFETs High Side. L’inconvénient des premiers MOSFETs, à bas coût, réside dans leur incapacité à piloter à 100% les MOSFETs High Side, empêchant de tirer parti du maximum de puissance du moteur. L’inconvénient des GDU haut de gamme réside dans leur coût élevé.
Dans le contexte d’un calculateur électronique doté d’un GDU pilotant un moteur électrique, notamment un moteur électrique à courant continu sans balai, il est généralement recherché la possibilité de commander à 100% les MOSFETs alimentant ledit moteur, en triphasé, afin d’en tirer un maximum de puissance.
Dans ce cadre, il existe donc un besoin pour le développement d’un dispositif de pont à diodes triphasé, à bas coût, permettant de commander à 100 %, à tout instant, les MOSFETs High Side. Un tel pont à diodes triphasé, comme indiqué précédemment, est particulièrement destiné à être commandé par un GDU, au sein d’un calculateur électronique embarqué, notamment, à bord d’un véhicule automobile.
En effet, dans certaines applications de commande de moteur électrique, seul le fait de pouvoir commander les MOSFETs à 100% peut être pertinent, sans que de quelconques fonctionnalités optionnelles, telles que celles proposées dans les GDU haut de gamme, ne soient souhaitées.
Un principe de la présente invention réside donc dans la possibilité d’étendre les capacités de fonctionnement de GDU dits bas de gamme, en leur associant quelques composants supplémentaires, afin de les rendre aptes à piloter à 100 %, cycliquement, au moins l'un des trois MOSFETs High Side d’un pont à diodes triphasé. A cet effet, plus précisément, l’invention concerne un dispositif de pont à diodes triphasé pour la commande de moteur électrique, comprenant trois générateurs d’impulsions configurés pour coopérer avec des moyens de filtrage pour transformer, respectivement un signal d’alimentation en tension continue en un signal sinusoïdal, de façon à constituer un signal d’alimentation triphasé, présentant trois phases décalées de 120°, chaque phase étant reliée par une branche supérieure, connectée à une ligne d’alimentation et une branche inférieure connectée à une masse, ledit dispositif comprenant par ailleurs, au moins trois transistors à effet de champ à grille isolée connectés chacun sur une branche supérieure, côté ligne d’alimentation, chaque branche supérieure comprenant par ailleurs une capacité d’autoamorçage,
Et le dispositif étant remarquable en ce qu’il comprend en outre : • une capacité de réserve connectée aux trois branches supérieures par l’intermédiaire, pour chaque branche supérieure, • d’une capacité de transfert, et • de deux diodes, de façon à ce que la capacité de transfert et les deux diodes reliant chaque branche supérieure à la capacité de réserve forment, avec ladite capacité de réserve, une pompe de charge, chaque branche supérieure comprenant une capacité d’autoamorçage connectée entre la grille du transistor de la branche supérieure correspondante et ladite capacité de réserve, Les capacités de transfert, les capacités d’autoamorçage, les diodes et la capacité de réserve étant configurées pour former une pompe de charge triphasée, de sorte que, à tout instant, parmi les trois générateurs d’impulsions alimentant chaque branche supérieure, l’un au moins ne fonctionnant ni à 100%, ni à 0%, la capacité de réserve soit chargée en permanence via la capacité de transfert dudit au moins un générateur d’impulsions, permettant d’assurer la charge des capacités d’autoamorçage de chaque branche supérieure, de façon à booster à 100% au moins un générateur d’impulsions d’une des deux autres branches supérieures en vue de commander à 100 % le transistor correspondant, connecté sur ladite au moins une branche supérieure alimentée par le générateur d’impulsions boosté à 100 %.
Selon un mode de réalisation préféré, une résistance de limitation est câblée en série de la capacité de transfert, sur chaque branche supérieure.
Selon un mode de réalisation préféré, une résistance est câblée entre la capacité d’autoamorçage et la capacité de réserve de la pompe de charge, pour chaque branche supérieure.
Selon un mode de réalisation, au moins trois transistors à effet de champ à grille isolée sont connectés chacun sur une branche inférieure, côté masse.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de pompe à diodes triphasée selon l’invention comprend exactement six transistors à effet de champ à grille isolée.
Selon une mise en œuvre préférée du dispositif de pompe à diodes triphasée selon l’invention, ledit dispositif est destiné à la commande de moteurs électriques à courant continu sans balai.
La présente invention vise aussi un dispositif de commande d’un moteur électrique, comprenant un dispositif de commande de grille, comprenant un dispositif de pompe à diode triphasée tel que brièvement décrit ci-dessus.
La présente invention vise aussi un calculateur électronique pour véhicule automobile, comprenant un tel dispositif de commande d’un moteur électrique.
La présente invention vise également un véhicule automobile comprenant un tel calculateur électronique. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente le schéma électronique d’un dispositif de commande de grille classique, selon l’état de la technique ; - la figure 2 montre un dispositif de commande de grille apte à booster dans certains cas la commande de MOSFET côté ligne d’alimentation, selon l’état de l’art ; - la figure 3 représente un dispositif de commande de grille présentant le dispositif de pont à diodes triphasé, selon l’invention ; - la figure 4A représente un diagramme des signaux générés par les générateurs d’impulsions sur les trois phases alimentant le moteur électrique considéré, dans le contexte du pont à diodes triphasé selon l’invention ; - la figure 4B représente un zoom sur une partie du diagramme de la figure 4A. L'invention est présentée principalement en vue d’une application dans le contexte d’un système de diagnostic embarqué de véhicule automobile. Cependant, d’autres applications sont également visées par la présente invention, notamment toute mise en œuvre dans tout type système de diagnostic embarqué de tout type de véhicule terrestre ou non.
En référence à la figure 1, il est représenté le schéma d’une architecture de puissance d'une commande de moteur électrique, selon l’état de l’art. Un GDU, c’est-à-dire un dispositif de commande de grille, pilote, via des générateurs d’impulsions, les six MOSFETs du pont triphasé qui alimentent à leur tour les trois phases du moteur électrique MOT.
Dans le cas des moteurs électriques à courant continu sans balai, ou moteurs BLDC, pour « Brush Less Direct Courant », selon l’acronyme anglais connu de l’homme du métier, la séquence de commande des MOSFETs doit suivre une périodicité synchronisée à la rotation dudit moteur électrique, l’objectif étant de produire, à partir de l’alimentation en tension continue fournie par la batterie, via la ligne d’alimentation, trois ondes sinusoïdales U, V, W déphasées de 120° l’unepar rapport à l’autre, pour alimenter les trois phases du moteur.
La forme des ondes sinusoïdales générées par les générateurs d’impulsions est rendue la plus fidèle possible à une sinusoïde par l’intermédiaire de filtres adaptés. En outre, lesdits signaux sinusoïdaux doivent présenter une amplitude maximale pour pouvoir obtenir le maximum de puissance, et donc de performance, du moteur électrique, surtout lorsque l’alimentation fournie par la batterie est faible. Sur un véhicule automobile, cela peut se produire, typiquement, durant l’hiver. L’objectif est ainsi de faire fonctionner les générateurs d’impulsions sur l’intégralité de leur plage de fonctionnement théorique, entre 0% et 100% de rapport cyclique.
Cependant, comme expliqué précédemment, certains GDU à bas coût sont limités à 95 % de rapport cyclique. Cela touche en particulier, en raison de la simplicité de fonctionnement de leur alimentation, les trois MOSFETs connectés du côté de la ligne d’alimentation, autrement dit, selon l’expression en anglais connue de l’homme du métier, les MOSFETs High Side, référencés TS_10, TS_20, TS_30 sur la figure 2.
En effet, pour permettre un fonctionnement du GDU correspondant à 100 % de rapport cyclique, les grilles de commande de ces MOSFETs High Side devraient être alimentées par au moins 10 V au-dessus de la tension de batterie VBAT. Il est par conséquent nécessaire que les GDU soient en mesure de fournir une tension supérieure à la tension délivrée par la batterie sur la ligne d’alimentation. Or les pilotes standards des GDU à bas coût utilisent seulement des montages appelés « boostrap », signifiant « autoamorçage », utilisant une simple capacité (Cbu sur la figure 2) se chargeant quand un MOSFET Low Side correspondant, c’est-à-dire le MOSFET connecté à la masse GND; est fermé, et se déchargeant sur le pilote de grille du MOSFET High Side quand ce dernier est fermé.
Or, ce principe ne fonctionne pas lorsqu’un MOSFET High Side reste longtemps fermé, c’est-à-dire lors des passages à 100% de rapport cyclique du générateur d’impulsions correspondant, à très basse vitesse du moteur.
Le schéma de la figure 2 montre le fonctionnement d’une capacité d’autoamorçage Cbu, dite de « boostrap >> selon le terme anglais connu de l’homme du métier, sur une voie U du pont triphasé. Pour plus de lisibilité de la figure 2, ce mécanisme n’est représenté que pour la voie U, bien que celui-ci soit identiquement présent sur les voies V et W.
En pratique, le circuit de charge pompe du GDU charge la capacité de réserve C_pompe en lui délivrant une tension constante, typiquement de l’ordre de 13V dans le contexte d’un calculateur électronique embarqué dans un véhicule automobile. Cette capacité de réserve C_pompe sert de réservoir de tension pour permettre les charges successives des trois capacités d’autoamorçage, dont seule celle de la phase U, Cbu, est représentée sur la figure 2, bien que la même capacité d’autoamorçage existe sur les branches des phases V et W, de la même manière. La charge de ladite capacité de réserve C_pompe est possible lorsque le MOSFET Low Side de la phase correspondante, en l’espèce la phase U, est fermé, comme le montre la figure 2.
Lorsque la charge de la capacité de réserve est achevée, le MOSFET High Side de la phase concernée, en l’espèce la phase U, se ferme de sorte que la capacité d’autoamorçage Cbu se trouve isolée de la capacité de réserve par l’intermédiaire de la diode D. Par conséquent, la capacité d’autoamorçage Cbu se décharge doucement. A travers ce fonctionnement, si le cycle n'est pas réactualisé à bref délai, la tension aux bornes de la capacité d’autoamorçage Cbu devient trop faible pour maintenir correctement la commande du MOSFET High Side, ce qui limite la possibilité d’user du passage à 100 % dudit MOSFET High Side.
Pour pallier ce défaut, le dispositif de pont à diodes triphasé 100 selon l’invention est proposé.
En effet, dans le cadre du développement de la présente invention, il a été constaté qu’il était possible de tirer parti du fait que, compte tenu des temps morts requis entre les fermetures des MOSFETs High Side et des MOSFETs Low Side, en pratique, en triphasé, lorsqu’une phase est très proche des 100 % de rapport cyclique, les deux autres phases ne sont en fait pas nulles.
Le schéma de la figure 3 montre le fonctionnement dudit dispositif de pont diodes triphasé 100, selon l’invention. Par l’adjonction d’un circuit de charge spécifique EXT, de préférence externe au GDU, constitué de composants discrets, et par un câblage judicieux, le dispositif 100 selon l’invention permet en effet d’aider les capacités d’autoamorçage (Cbu pour la phase U, celles des phases V et W, Cbv et Cbw, n’étant pas représentées) de façon qu’elles soient en mesure de fournir à tout instant une tension d'aide à leur branche High Side respective, quel que soit le niveau de rapport cyclique des générateurs d’impulsions correspondant, sur les trois phases U, V, W.
En effet, le principe dudit circuit de charge, appelé pompe de charge ou encore « doubleur de tension », ou bien « pompe de charge de Dickson », exploite le fait qu’au moins une des trois branches supérieures correspondantes possède un générateur d’impulsions qui ne fonctionne ni à 0% ni à 100%, et s’en sert de façon à ce qu’il alimente une nouvelle capacité de réserve supplémentaire CR, commune aux trois branches supérieures, à travers les capacités de transferts C10 pour la phase U, C20 pour la phase V et C30 pour la phase W, et les diodes D10 pour la phase U, D20 pour la phase V, et D30 pour la phase W. C’est l’exploitation de cette particularité du dispositif de commande de grille (GDU) en triphasé qui permet de disposer à tout instant d’une capacité de réserve supplémentaire CR chargée et apte à assurer une charge suffisante des capacités d’autoamorçage sur chacune des branches supérieures (Cbu pour la phase U, Cbv pour la phase V, Cbw pour la phase W), de préférence, selon un mode de réalisation, respectivement via les résistances R10, R20 et R30.
Selon le mode de réalisation préféré, dans le but de réduire les courants de charge / décharge de la capacité de réserve supplémentaire CR, des résistances de limitation en série avec les capacités de transfert C10, C20, C30, sont prévues.
En résumé, le dispositif de pont à diodes triphasé 100 selon l’invention constitue une pompe de charge triphasée optimisée.
Les figures 4A et 4B montrent un exemple de résultat obtenu sur les signaux issus des générateurs d’impulsions sur les trois phases U, V, W. Dans l’exemple représenté à la figure 4A, la pompe formée sur la phase U par les diodes D10 et le capacité de transfert C10 ne fonctionne plus, alors que la pompe formée sur la phase V par les diodes D20 et la capacité de transfert C20 et la pompe formée sur la phase W par les diodes D30 et la capacité de transfert C30 fonctionnent. Comme le montre le zoom de la figure 4B, pendant ce laps de temps, le générateur d’impulsions de la phase U reste à 100%.
En raison de la cyclicité des ondes alimentant le circuit selon les trois phases U, V, W décalées de 120° l’une par rapport à l’autre, la capacité de réserve supplémentaire CR est chargée en permanence, de sorte que les trois capacités d’autoamorçage (Cbu pour la phase U, Cbv pour la phase V, Cbw pour la phase W), sur chacune des branches supérieures, peuvent être chargées à tout instant. A titre d’exemple, dans le cadre d’une application pour coopérer avec un dispositif de commande de grille dans un calculateur électronique embarqué dans un véhicule automobile, les capacités de transfert C10, C20, C30 valent chacune par exemple 100nF, la capacité de réserve CR supplémentaire vaut par exemple 470nF. Les résistances de limitation si elles sont présentent, valent de l’ordre de10Q. Les résistances R10, R20, R30 câblées entre la capacité d’autoamorçage Cbu et la capacité de réserve CR de la pompe de charge, pour chaque branche supérieure, valent chacune typiquement 6,2kQ. Les générateurs d’impulsions fournissent par exemple un signal cadencé à 20kHz.
Ainsi, en résumé, le dispositif de pont à diodes triphasé 100 selon l’invention repose sur l’exploitation judicieuse de trois pompes de charges de Dickson associées permettant d’étendre la plage de fonctionnement des dispositifs de commande de grille à bas coût jusqu'à 100 % de rapport cyclique du générateur d’impulsions, à tout instant.
Il est à noter, en outre, que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit à titre d’exemple et est susceptible de variantes à la portée de l’homme du métier.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de pont à diodes triphasé (100) pour la commande de moteur électrique, comprenant trois générateurs d’impulsions configurés pour coopérer avec des moyens de filtrage pour transformer, respectivement un signal d’alimentation en tension continue en un signal sinusoïdal, de façon à constituer un signal d’alimentation triphasé, présentant trois phases (U,V,W) décalées de 120°, diaque phase (U,V,W) étant reliée à une branche supérieure, connectée à une ligne d’alimentation (VBAT) et à une branche inférieure connectée à une masse, ledit dispositif comprenant par ailleurs, au moins trois transistors à effet de champ à grille isolée (TS_10, TS_20, TS_30) connectés chacun sur une branche supérieure, côté ligne d’alimentation, et le dispositif (100) étant caractérisé en qu’il comprend : • en outre une capacité de réserve (CR) connectée aux trois branches supérieures par l’intermédiaire, pour chaque branche supérieure, • d’une capacité de transfert (C10, C20, C30) et • de deux diodes (D10, D20, D30), de façon à ce que la capacité de transfert (C10, C20, C30) et les deux diodes (D10, D20, D30) reliant chaque branche supérieure à la capacité de réserve (CR) forment, avec ladite capacité de réserve, une pompe de charge, chaque branche supérieure comprenant une capacité d’autoamorçage (Cbu, Cbv, Cbw) connectée entre la grille du transistor (TS_10, TS_20, TS_30) de la branche supérieure correspondante et ladite capacité de réserve (CR), les capacités de transfert (C10, C20, C30), les capacités d’autoamorçage (Cbu, Cbv, Cbw), les diodes (D10, D20, D30) et la capacité de réserve (CR) étant configurées pour former une pompe de charge triphasée, de sorte que, à tout instant, parmi les trois générateurs d’impulsions alimentant chaque branche supérieure, l’un au moins ne fonctionnant ni à 100 %, ni à 0 %, la capacité de réserve (CR) est chargée en permanence via la capacité de transfert dudit au moins un générateur d’impulsions, permettant d’assurer la charge des capacités d’autoamorçage (Cbu, Cbv, Cbw) de chaque branche supérieure, de façon à booster à 100% au moins un générateur d’impulsions d’une des deux autres branches supérieures en vue de commander à 100 % le transistor correspondant, connecté sur ladite au moins une branche supérieure alimentée par le générateur d’impulsions boosté à 100 %.
- 2. Dispositif de pont à diodes triphasé (100) selon la revendication précédente, comprenant une résistance de limitation câblée en série de la capacité de transfert (C10, C20, C30), sur chaque branche supérieure.
- 3. Dispositif de pont à diodes triphasé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une résistance (R10, R20, R30) câblée entre la capacité d’autoamorçage (Cbu, Cbv, Cbw) et la capacité de réserve (CR) de la pompe de charge, pour chaque branche supérieure.
- 4. Dispositif de pont à diodes triphasé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant par ailleurs au moins trois transistors à effet de champ à grille isolée (TL_10, TL 20, TL30) connectés chacun sur une branche inférieure, côté masse.
- 5. Dispositif de pont à diodes triphasé (100) selon la revendication 4, comprenant exactement six transistors à effet de champ à grille isolée (TS10, TS_20, TS 30, TL_10, TL_20, TL_30.
- 6. Dispositif de pont à diodes triphasé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, destiné à la commande de moteurs électriques à courant continu sans balai.
- 7. Dispositif de commande d’un moteur électrique, comprenant un dispositif de commande de grille, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de pont à diodes triphasé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
- 8. Calculateur électronique pour véhicule automobile, comprenant un dispositif de commande d’un moteur électrique (MOT) selon la revendication 7.
- 9. Véhicule automobile comprenant un calculateur électronique selon la revendication 8.
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