FR3079088A1 - Dispositif electronique de commande electrique d'une charge inductive. - Google Patents
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Abstract
La description se rapporte notamment à un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive, comprenant : - un transistor de puissance (M1), - un circuit de pilotage (DRV) et - une interface (AI1) reliant le transistor de puissance (M1) au circuit de pilotage (DRV) afin de le piloter, l'interface (AI1) comprenant deux transistors (Q1, Q2) et trois résistances (R1, R2, R3).
Description
La description se rapporte au domaine de l’électronique de puissance (notamment automobile) et de la conversion d’énergie. Elle se rapporte plus spécifiquement aux dispositifs électroniques de commande électrique pour charges inductives, en particulier pour moteurs électriques sans balais. De telles commandes visent notamment à faire varier la vitesse desdits moteurs en faisant varier la tension moyenne à leurs bornes.
Habituellement, de tels dispositifs électroniques comprennent un microcontrôleur pour la gestion d’un algorithme de pilotage, de certaines protections, et de la communication avec l’environnement du moteur.
Ils comprennent également, de façon conventionnelle, un circuit de pilotage (driver en anglais) pour piloter des composants de puissance. Ce circuit de pilotage intègre généralement des circuits d’alimentation de composants de commande, des circuits de protection rapprochée de composants de puissance, des circuits analogiques de mesure (de courants et de tensions) ou encore l’interface matérielle de communication avec le moteur électrique.
Ils comprennent enfin un étage de puissance (inverter en anglais) comprenant des transistors MOSFET ou des transistors IGBT, ainsi que des composants de filtrage.
Le microcontrôleur et le circuit de pilotage peuvent être réalisés soit en utilisant deux circuits distincts, soit en utilisant un seul circuit intégrant les fonctions de microcontrôleur et de circuit de pilotage.
La solution qui consiste à utiliser deux circuits séparés offre une plus grande flexibilité et est adaptée pour la commande de composants de puissance consommant beaucoup d'énergie, ou encore pour la commande de composants de puissance utilisés dans un environnement hostile (notamment en cas de température ambiante élevée, par exemple au-delà de 100°C). La puissance à dissiper est en effet répartie sur deux boîtiers distincts, ce qui fonctionne mieux.
La solution qui consiste à utiliser un circuit unique intégrant le microcontrôleur et le circuit de pilotage dans un même boîtier doit dissiper la totalité des pertes. Certes, un circuit unique dissipe souvent moins d'énergie que la somme de deux circuits remplissant collectivement la même fonction. Mais le fait que cette énergie, le cas échéant légèrement inférieure, doive être dissipée via une surface plus faible, pose des problèmes. Il n'est pas possible de dissiper autant d'énergie sur une petite surface que sur une surface beaucoup plus importante. En pratique, l'usage d'un circuit unique pour le microcontrôleur et le circuit de pilotage se limite donc au pilotage de composants de puissance consommant peu d'énergie, ou alors est prévu pour un environnement à température ambiante suffisamment basse pour permettre la dissipation requise.
L'invention vise à améliorer la situation.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive, comprenant :
- un transistor de puissance,
- un circuit de pilotage et
- une interface reliant le transistor de puissance au circuit de pilotage afin de le piloter, l'interface comprenant deux transistors et trois résistances.
Un tel dispositif électronique est avantageux en ce qu'il permet de mettre en œuvre une amplification d'un signal de commande du transistor de puissance en dehors du circuit de pilotage et ainsi de diminuer la chaleur dissipée par le circuit de pilotage. Il est ainsi envisageable d'intégrer un microcontrôleur au circuit de pilotage (au sein d'une même puce) sans être confronté à un problème de dissipation de chaleur insuffisante. Le dispositif électronique permet donc notamment de commander un transistor MOSFET ou IGBT de forte puissance avec un circuit de pilotage limité en puissance. Il permet en particulier de piloter un transistor MOSFET ou IGBT présentant de fortes valeurs de charge de grille (par exemple supérieur à 150nC). La capacité en courant de sortie du circuit de pilotage est accrue grâce à l'interface (et plus spécifiquement grâce à ses transistors).
Le dispositif selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le transistor de puissance est un transistor MOSFET.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le transistor de puissance est de type N, à enrichissement.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le transistor de puissance est un transistor IGBT.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel les transistors de l'interface sont des transistors bipolaires.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel un premier des transistors de l'interface est un transistor NPN et un deuxième des transistors de l'interface est un transistor PNP.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel l'émetteur du premier transistor est connecté à la grille du transistor de puissance à travers une première des résistances de l'interface, et dans lequel l'émetteur du deuxième transistor est connecté à la grille du transistor de puissance à travers une deuxième des résistances de l'interface.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel les bases des premier et deuxième transistors sont en court-circuit et sont connectées au circuit de pilotage à travers une troisième résistance de l'interface.
De préférence, le circuit de pilotage est relié à la grille du transistor de puissance.
Le fait de mettre les deux bases ensemble assure une autoprotection en tension inverse base émetteur pour les deux transistors.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le collecteur du deuxième transistor est relié à la source du transistor de puissance.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le collecteur du premier transistor est relié à une source de tension d'alimentation.
La source d’alimentation du circuit de pilotage est prévue pour la commande du transistor de puissance ou via une alimentation auxiliaire (une alimentation régulée, une pompe à charge ou une alimentation dite « bootstrap »).
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique comprenant :
- une pluralité de transistors de puissance identiques les uns aux autres et
- une pluralité d'interfaces identiques les unes aux autres, associées respectivement à chacun des transistors de puissance.
Un aspect de l'invention se rapporte à un dispositif électronique comprenant trois paires de transistors de puissance et trois paires d'interfaces, le collecteur du deuxième transistor d'une première interface de chaque paire d'interfaces étant relié au drain du transistor de puissance associé à la deuxième interface de chaque paire d'interfaces, le collecteur du deuxième transistor de la deuxième interface de chaque paire d'interfaces étant relié à la masse.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un détail de dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive de l'art antérieur ;
- la figure 2 représente un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive selon l'art antérieur de la figure 1 ;
- la figure 3 représente un détail de dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive (par exemple un moteur sans balais triphasé) selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 représente un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive selon le mode de réalisation de l'invention de la figure 3 (par exemple utilisé pour piloter un composant de puissance unique).
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque élément mentionné dans le cadre d'un mode de réalisation ne concerne que ce même mode de réalisation, ou que des caractéristiques de ce mode de réalisation s'appliquent seulement à ce mode de réalisation.
La figure 1 représente un détail de dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive de l'art antérieur. Le dispositif comprend un circuit de pilotage DRV, un transistor de puissance M1 (en l'espèce de type MOSFET), et une interface 11 agencée pour permettre le pilotage du transistor de puissance M1. L'interface 11 comprend deux résistances R1 et R2 ainsi qu'une diode D1.
La figure 2 représente un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive selon l'art antérieur de la figure 1. Le dispositif électronique comprend un circuit de pilotage DRV, six interfaces 11, I2, I3, I4, I5 et I6, toutes identiques à l'interface 11 de la figure 1, et six transistors de puissance M1, M2, M3, M4, M5 et M6, tous identiques au transistor de puissance M1 de la figure 1. Le dispositif électronique de la figure 2 est alimenté notamment par une source de tension VCC, GND. Il est protégé par un condensateur polarisé C1.
La figure 3 représente un détail de dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif comprend un circuit de pilotage DRV, un transistor de puissance M1 (en l'espèce de type MOSFET), et une interface d'amplification AU agencée pour permettre le pilotage du transistor de puissance M1. L'interface AU comprend deux transistors Q1 et Q2, ainsi que trois résistances R1, R2 et R3.
La figure 4 représente un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive selon l'art antérieur de la figure 3. Le dispositif électronique comprend un circuit de pilotage DRV, six interfaces d'amplification AI1, AI2, AI3, AI4, AI5 et AI6, toutes identiques à l'interface AI1 de la figure 1, et six transistors de puissance M1, M2, M3, M4, M5 et M6, tous identiques au transistor de puissance M1 de la figure 3. Le dispositif électronique de la figure 4 est alimenté notamment par une source de tension VCC, GND. Il est protégé par un condensateur polarisé C1.
Selon un premier mode de réalisation, un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive comprend un transistor de puissance M1 (ou a fortiori plus d'un transistor de puissance). Le dispositif comprend aussi un circuit de pilotage DRV (qui peut être un circuit de pilotage conventionnel). Il comprend enfin une interface AI1 reliant le transistor de puissance M1 au circuit de pilotage DRV afin de le piloter. Il peut a fortiori comprendre plus d'une interface (notamment en présence de plusieurs transistors de puissance). Cette interface AU comprend deux transistors Q1 et Q2, ainsi que trois résistances R1, R2 et R3. Les deux transistors permettent d'amplifier le signal transmis au transistor de puissance M1. L'interface AI1 est donc une interface d'amplification. Le dispositif électronique évite ainsi que des courants forts (de l'ordre de ceux qui sortent des transistors Q1 et Q2) aient à circuler dans le circuit de pilotage, qui a alors moins de chaleur à dissiper.
La charge inductive pilotée est par exemple un moteur sans balais polyphasé (par exemple un moteur triphasé).
Selon un deuxième mode de réalisation, le transistor de puissance M1 d'un dispositif électronique selon le premier mode de réalisation est un transistor MOSFET.
Selon un troisième mode de réalisation, le transistor de puissance M1 d'un dispositif électronique selon le deuxième mode de réalisation est un transistor de type N, à enrichissement. Il peut s'agir notamment d'un transistor de type BSC080N03LS de la société Infineon. Ce modèle de transistors présente une RDSON maximale de 8ιτιΩ. L'acronyme RDSON provient de l'expression Résistance Drain Source ON, ON signifiant activation en anglais et désignant le mode dans lequel le transistor MOSFET est fermé. Lorsque le transistor MOSFET est fermé, il peut ainsi être assimilé (entre son drain et sa source) à une résistance RDSON dont la valeur peut fluctuer en fonction des paramètres d'utilisation du transistor MOSFET, mais qui reste inférieure à 8ιτιΩ. Un tel transistor peut supporter un courant de drain constant de 53A, et de manière ponctuelle (pendant des périodes très brèves) des courants très supérieurs (de l'ordre de 200A).
Selon un quatrième mode de réalisation, le transistor de puissance M1 d'un dispositif électronique selon le premier mode de réalisation est un transistor IGBT (acronyme provenant de l’anglais Insulated Gâte Bipolar
Transistor, signifiant transistor bipolaire à grille isolée). Un transistor IGBT combine les avantages de simplicité de commande de la technologie du transistor à effet de champ par rapport au transistor bipolaire, et des faibles pertes par conduction du transistor bipolaire, notamment pour des tensions VCC élevées là ou les transistors MOSFET présentent un RDSON trop important. Selon une mise en oeuvre possible, le transistor IGBT est monté de manière identique à un transistor MOSFET, des montages de transistors MOSFET étant décrits ci-après. La grille du transistor IGBT correspond alors à la grille du transistor MOSFET, le collecteur du transistor IGBT correspond au drain du transistor MOSFET (de type N), et l'émetteur du transistor IGBT correspond à la source du transistor MOSFET (de type N), l’IGBT se montant en lieu et place du transistor MOSFET.
Selon un cinquième mode de réalisation, les transistors Q1 et Q2 de l'interface AU d'un dispositif électronique selon l'un des premier au quatrième modes de réalisation sont des transistors bipolaires.
En particulier, selon un sixième mode de réalisation, dans un dispositif électronique selon le cinquième mode de réalisation, un premier (Q1) des transistors de l'interface AU est un transistor NPN. Il s'agit par exemple d'un transistor 2N3904 de la société Fairchild. Ce transistor est un transistor NPN à usage général (comme amplificateur ou comme interrupteur notamment), qui fonctionne entre -55°C et +150°C et qui accepte les paramètres d'entrée maximaux suivants à 25°C : 200mA de courant de collecteur, 6V de tension émetteur-base, 60V de tension collecteur-base, et 40V de tension collecteur-émetteur. Un deuxième (Q2) des transistors de l'interface AU est un transistor PNP.
Les deux transistors bipolaires de commutation complémentaires Q1 et Q2 sont de capacités adaptées aux besoins en courant pour commander le transistor de puissance M1.
On peut citer comme exemple un courant de 200mA pic pour une capacité Qg de l’ordre de 100nC, ou encore un courant de 700 mA pic pour une capacité Qg de 400Nc, pour un temps de commutation équivalent.
Des transistors discrets Q1 et Q2 peuvent être utilisés. Mais il est également possible d'utiliser une paire complémentaire de transistors NPN et PNP d'un boîtier comprenant de multiples paires complémentaires de transistors, afin de faciliter l’intégration de l'interface AU (et le cas échéant d'autres interfaces du même type voire identiques) sur un circuit imprimé.
Le transistor Q1 fournit l’énergie nécessaire à la fermeture du transistor de puissance M1. Le transistor Q2 évacue l’énergie pour permettre le blocage (ouverture) de ce transistor de puissance M1.
Selon un septième mode de réalisation, dans un dispositif électronique mettant en œuvre à la fois le sixième et le troisième modes de réalisation, l'émetteur du premier transistor Q1 est connecté à la grille du transistor de puissance M1 à travers une première (R1) des résistances de l'interface AI1. De même, l'émetteur du deuxième transistor Q2 est connecté à la grille du transistor de puissance M1 à travers une deuxième (R2) des résistances de l'interface AI1.
R1 est une résistance de mise en conduction du transistor de puissance M1. R2 est une résistance de blocage du transistor de puissance M1. Ces résistances R1 et R2, par un réglage de leurs valeurs respectives, permettent de régler indépendamment le temps de mise en conduction du transistor de puissance M1 et le temps de blocage du transistor de puissance M1. Un tel réglage permet d’optimiser (réduire au maximum) les pertes (résultant en un échauffement) dues à la commutation du transistor de puissance M1 et d'améliorer la performance CEM globale du dispositif électronique.
Selon un huitième mode de réalisation, les bases des premier et deuxième transistors Q1 et Q2 d'un dispositif électronique selon le septième mode de réalisation sont en court-circuit et sont connectées au circuit de pilotage à travers une troisième résistance R3 de l'interface AU.
La résistance R3 est avantageusement de valeur élevée par rapport aux résistances R1 et R2. Elle permet de réduire le courant de sortie du circuit de pilotage des transistors par un facteur voisin de 50 fonction du gain des transistors Q1 et Q2 utilisés. La puissance dissipée pour commander le transistor de puissance M1 est ainsi déportée dans des composants externes au circuit de pilotage DRV, à savoir notamment les résistances R1 et R2, et les transistors Q1 et Q2.
Le gain des transistors Q1 et Q2 peut être voisin de 100. Dans cette hypothèse, pour faire générer 100mA aux transistors Q1 et Q2, il suffit que le circuit de pilotage injecte un signal de commande de 1mA dans les transistors Q1 et Q2 (sans compter l'alimentation des transistors Q1 et Q2).
Selon un neuvième mode de réalisation, le collecteur du deuxième transistor Q2 d'un dispositif électronique selon le septième ou huitième mode de réalisation est relié à la source du transistor de puissance M1.
Selon un dixième mode de réalisation, le collecteur du premier transistor Q1 d'un dispositif électronique selon l'un des septième au neuvième modes de réalisation est relié à une source de tension d'alimentation, par exemple à la borne +Vbat d'une batterie de véhicule automobile, par exemple via une alimentation auxiliaire (une alimentation régulée une pompe à charge ou une alimentation dite « bootstrap »). Selon une mise en œuvre possible, cette source de tension est connectée au collecteur du premier transistor Q1 en contournant le circuit de pilotage DRV. L'alimentation du premier transistor Q1 ne provient alors pas du circuit de pilotage DRV, ce qui est de nature à réduire l'énergie dissipée par le circuit de pilotage.
Selon un onzième mode de réalisation, un dispositif électronique selon l'un des premier au dixième modes de réalisation comprend une pluralité de transistors de puissance M1, M2, M3, M4, M5, M6 identiques les uns aux autres. Il comprend également une pluralité d'interfaces AU, AI2, AI3, AI4, AI5, AI6 identiques les unes aux autres, associées respectivement à chacun des transistors de puissance M1, M2, M3, M4, M5, M6. Selon une mise en œuvre possible, cette pluralité de transistors de puissance et d'interfaces est groupée par paires, chaque paire (de deux transistors de puissances et de deux interfaces associées) commandant par exemple une phase respective d'un moteur sans balais.
Selon un douzième mode de réalisation, un dispositif électronique mettant en œuvre l'ensemble des troisième, sixième et onzième modes de réalisation comprend trois paires de transistors de puissance ({M1, M2}, {M3, M4} et {M5, M6}) et trois paires d'interfaces ({AU, AI2}, {AI3, AI4}, {AI5, AI6}). Le collecteur du deuxième transistor Q2 d'une première interface AI1, de chaque paire d'interfaces {AU, AI2} est relié au drain du transistor de puissance M2 associé à la deuxième interface AI2 de chaque paire d'interfaces. Le collecteur du deuxième transistor Q2 de la deuxième interface AI2 de chaque paire d'interfaces est relié à la masse. On note avantageusement les valeurs suivantes pour les résistances : Ride l’ordre de 47Ω, R2 de l’ordre de 22Ω et R3 de l’ordre de 2ΚΩ.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive, comprenant :- un transistor de puissance (M1),- un circuit de pilotage (DRV) et- une interface (AU) reliant le transistor de puissance (M1) au circuit de pilotage (DRV) afin de le piloter, l'interface (AI1) comprenant deux transistors (Q1, Q2) et trois résistances (R1, R2, R3).
- 2. Dispositif électronique selon la revendication 1, dans lequel le transistor de puissance (M1) est un transistor MOSFET, un transistor IGBT ou de type N, à enrichissement
- 3. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les transistors (Q1, Q2) de l'interface (AI1) sont des transistors bipolaires.
- 4. Dispositif électronique selon la revendication 3, dans lequel un premier (Q1) des transistors de l'interface (AI1) est un transistor NPN et un deuxième (Q2) des transistors de l'interface (AI1) est un transistor PNP.
- 5. Dispositif électronique selon la revendication 4 lorsqu'elle dépend de la revendication 3, dans lequel l'émetteur du premier transistor (Q1) est connecté à la grille du transistor de puissance (M1) à travers une première (R1) des résistances de l'interface (AI1), et dans lequel l'émetteur du deuxième transistor (Q2) est connecté à la grille du transistor de puissance (M1) à travers une deuxième (R2) des résistances de l'interface (AU).
- 6. Dispositif électronique selon la revendication 5, dans lequel les bases des premier et deuxième transistors (Q1, Q2) sont en court-circuit et sont connectées au circuit de pilotage à travers une troisième résistance (R3) de l'interface (AU).
- 7. Dispositif électronique selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le collecteur du deuxième transistor (Q2) est relié à la source du transistor de puissance (M1).
- 8. Dispositif électronique selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le collecteur du premier transistor (Q1) est relié à une source de tension d'alimentation.
- 9. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, comprenant :- une pluralité de transistors de puissance (M1, M2, M3, M4, M5, M6) identiques les uns aux autres et- une pluralité d'interfaces (AI1, AI2, AI3, AI4, AI5, AI6) identiques les unes aux autres, associées respectivement à chacun des transistors de puissance (M1, M2, M3, M4, M5, M6).
- 10. Dispositif électronique selon la revendication 9 lorsqu'elle dépend des revendications 3 et 4, comprenant trois paires de transistors de puissance (M1, M2, M3, M4, M5, M6) et trois paires d'interfaces (AI1, AI2, AI3, AI4, AI5, AI6), le collecteur du deuxième transistor d'une première interface (AI1, AI3, AI5) de chaque paire d'interfaces étant relié au drain du transistor de puissance (M2, M4, M6) associé à la deuxième interface (AI2, AI4, AI6) de chaque paire d'interfaces, le collecteur du deuxième transistor de la deuxième interface (AI2, AI4, AI6) de chaque paire d'interfaces étant relié à la masse.
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