FR3098005A1 - Dispositif de protection d’une charge dans un circuit d’électronique de puissance - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif de protection (4) d’une charge (2) comprend un pyrofusible (6) couplé à un relais électromagnétique (7) comprenant des moyens actionneurs (71) aptes à faire passer ledit relais (7) d’un premier état de fonctionnement (P1) dans lequel la charge est alimentée à un deuxième état de fonctionnement (P2) autorisant la délivrance d’un courant de commande à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible, lorsque le courant d’alimentation de la charge est supérieur à une valeur seuil, provoquant une rupture irréversible du pyrofusible alimenté, pour découpler la charge d’une source d’alimentation délivrant le courant d’alimentation. Figure pour l’abrégé : Fig 1B
Description
La présente invention concerne, de manière générale, les circuits d’électronique de puissance et, plus particulièrement, les interrupteurs de puissance.
Les circuits d’électronique de puissance comportent généralement un grand nombre de composants, par exemple des convertisseurs de puissance, souvent soumis à des risques de court-circuit ou de surintensité, pouvant dégrader lesdits composants, voire provoquer un incendie.
Il est donc primordial de protéger ces composants de tout risque de décharge de courant nettement supérieure à ce que les composants sont capables de supporter.
Actuellement, plusieurs alternatives ont été proposées pour permettre l’interruption et/ou le rétablissement du passage de ce courant. On peut citer par exemple l’emploi de contacteurs et de relais statiques communément désignés par l’homme du métier sous le vocable anglo-saxon de « solid-state relay ».
L’utilisation d’un contacteur ou d’un relais statique requiert un temps de latence important. En d’autres termes, il s’agit du délai entre la mesure de l’intensité du courant et l’envoi d’un signal de commande au contacteur ou au relais statique pour provoquer le déclenchement de l’interruption du passage dudit courant.
Ce délai peut être critique en cas de court-circuit. En effet, l’interruption ne peut se faire durant ce temps de latence.
En variante, il a également été proposé d’implémenter un fusible apte à détecter les surintensités et permettant de s’affranchir d’une chaîne d’acquisition de données, en le couplant en série avec un pyrofusible communément appelé « pyroswitch » en anglais.
Le pyrofusible comprend un module pyrotechnique, apte à exploser, et au moins un module fusible couplé en parallèle avec le module pyrotechnique.
Le pyrofusible ainsi couplé en série avec un fusible classique, est apte à interrompre le passage du courant après une détection par le module fusible d’une surintensité ou d’un court-circuit.
Cependant, le temps de latence reste critique et peut endommager les câbles électriques.
De plus, bien que le pyrofusible soit léger, le fusible a approximativement une masse de 200g, ce qui alourdit significativement l’ensemble du circuit.
L’enjeu est donc de remplacer le fusible par un dispositif de détection d’une surintensité ou d’un court-circuit, destiné à être couplé au pyrofusible, qui soit plus léger, et qui présente un temps de latence relativement faible et un encombrement réduit.
Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet un procédé de protection d’une charge dans un circuit d’électronique de puissance comprenant un relais électromagnétique couplé à un pyrofusible.
Ladite protection est mise en œuvre lorsqu’un courant d’alimentation de la charge est supérieur à une valeur seuil.
Le procédé comprend un passage du relais électromagnétique d’un premier état de fonctionnement dans lequel la charge est alimentée à un deuxième état de fonctionnement autorisant la délivrance d’un courant de commande à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible et une rupture irréversible du pyrofusible alimenté pour découpler la charge d’une source d’alimentation délivrant le courant d’alimentation.
Par « charge » on entend un composant d’électronique de puissance ou tout autre type de composant appartenant à un circuit d’électronique de puissance.
On entend également par « relais électromagnétique » tout composant de détection d’un courant ayant une intensité au-dessus d’une valeur nominale, comprenant une combinaison de moyens mécaniques et magnétiques pouvant conférer audit composant deux états de fonctionnement.
Il n’est pas exclu que le relais électromagnétique ait des états intermédiaires entre le premier et le deuxième état de fonctionnement.
Ainsi, lorsque le relais électromagnétique autorise la délivrance du courant de commande à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible, dès que le courant d’alimentation dépasse la valeur de seuil, le pyrofusible est alimenté par un courant de forte intensité, ce qui provoque son explosion et l’interruption irréversible du passage du courant.
Avantageusement, le relais électromagnétique comprend une tige électriquement conductrice mobile dans l’entrefer d’un électro-aimant alimenté à partir du courant d’alimentation de la charge, à l’encontre de l’effort exercé par un ressort.
Le passage du relais électromagnétique du premier état au deuxième état de fonctionnement comprend donc la génération d’un champ magnétique apte à déplacer la tige mobile électriquement conductrice d’une position de repos jusqu’à une position de couplage d’une deuxième source d’alimentation délivrant le courant de commande à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible.
Dans la position de repos de la tige électriquement conductrice, le relais électromagnétique n’autorise pas le contact entre la deuxième source d’alimentation et l’une des bornes d’entrée du pyrofusible. Le pyrofusible n’est donc pas alimenté et autorise le passage du courant vers ladite charge.
Dans la position de couplage, la tige est mise en contact avec des lignes conductrices permettant de délivrer le courant de commande au pyrofusible en passant par le relais électromagnétique.
Par exemple, la deuxième source d’alimentation est une batterie.
En variante, la deuxième source d’alimentation comprend une barre de puissance.
Autrement dit, la barre de puissance alimente le pyrofusible par des moyens de raccordements présentant un encombrement minimal.
Avantageusement, le procédé comprend un réglage de la valeur seuil du courant entre 20A et 2000A.
Le réglage de la valeur seuil du courant comprend le réglage de la force de rappel du ressort par exemple en serrant ou en desserrant des vis appropriées.
Ainsi, si on veut augmenter la valeur seuil, il est préférable d’augmenter la force de rappel en serrant les vis.
En desserrant lesdites vis, on diminue la force de rappel et, par conséquent, la valeur seuil.
Bien sûr, l’homme du métier pourra utiliser tout moyen mécanique ou électronique permettant de régler la valeur seuil d’un relais électromagnétique.
L’invention a encore pour objet un dispositif de protection d’une charge dans un circuit d’électronique de puissance.
Le dispositif comprend un pyrofusible couplé à un relais électromagnétique comprenant des moyens actionneurs aptes à faire passer ledit relais d’un premier état de fonctionnement dans lequel la charge est alimentée à un deuxième état de fonctionnement, lorsque son courant d’alimentation est supérieur à une valeur seuil, autorisant la délivrance d’un courant de commande à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible provoquant une rupture irréversible du pyrofusible alimenté, pour découpler la charge d’une source d’alimentation délivrant le courant d’alimentation.
Le pyrofusible alimenté est apte à se rompre irréversiblement et à découpler la charge de sa source d’alimentation.
Avantageusement, les moyens actionneurs comprennent une tige électriquement conductrice mobile dans l’entrefer d’un électro-aimant alimenté à partir du courant d’alimentation de la charge, à l’encontre de l’effort exercé par le ressort
Les moyens actionneurs sont adaptés pour générer un champ magnétique apte à déplacer la tige mobile électriquement conductrice d’une position de repos jusqu’à une position de couplage d’une deuxième source d’alimentation délivrant le courant de commande à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible.
Par exemple, la deuxième source d’alimentation est une batterie ou comprend une barre de puissance.
Avantageusement, le relais électromagnétique comprend des moyens de réglage aptes à régler la valeur seuil du courant entre 20A et 2000A.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1A illustre un exemple de réalisation d’un circuit d’électronique de puissance conforme à l’invention, désigné par la référence numérique générale 1.
Le circuit d’électronique de puissance 1 comprend une charge 2 ayant une fonction définie dans le circuit 1 et apte à être alimentée par un courant d’alimentation I1 délivré par une première source d’alimentation, non représentée.
La charge 2 peut être un composant d’électronique de puissance ou tout autre composant appartenant à un circuit d’électronique de puissance.
Les composants du circuit d’électronique de puissance 1, notamment la charge 2, sont souvent soumis à des risques de court-circuit ou de surintensité, susceptibles de les dégrader.
Le circuit d’électronique de puissance 1 comprend ainsi, en outre, un dispositif de protection 4 couplé entre la charge 2 et la première source d’alimentation. Ce dispositif de protection est destiné à protéger la charge 2 lorsque le courant d’alimentation délivré par la première source d’alimentation est supérieur à une valeur seuil. Cette valeur de seuil est choisie en fonction de la valeur limite instantanée du courant maximal admissible pour la charge.
Le dispositif de protection 4 est également couplé à une deuxième source d’alimentation 5, ici une batterie, apte à délivrer un courant de commande I2 au dispositif de protection 4.
Pour protéger lesdits composants de tout risque de décharge de courant nettement supérieure à ce que les composants, et notamment la charge 2, sont capables de supporter, le dispositif de protection 4 comprend un pyrofusible 6 couplé en série à un relais électromagnétique 7, lui-même couplé à ladite charge 2.
Les deux bornes de la batterie 5 sont respectivement raccordées à deux bornes d’entrée b1 et b2 du pyrofusible, l’une des bornes de la batterie, ici la borne positive, étant raccordée à l’entrée b1 du pyrofusible par l’intermédiaire du relais 7.
Le pyrofusible 6 est apte à interrompre le passage du courant d’alimentation en cas de surintensité ou court-circuit.
Pour ce faire, le pyrofusible 6 comprend un module pyrotechnique 61, apte à exploser, et au moins un module fusible 62 couplé en parallèle avec le module pyrotechnique 61.
L’explosion du module pyrotechnique 61 est provoquée par l’alimentation du pyrofusible 6 par le courant de commande I2 délivré par la deuxième source d’alimentation 5.
L’explosion provoque la fonte dudit module fusible 62 et interrompt ainsi irréversiblement le passage du courant d’alimentation I1.
L’alimentation du pyrofusible 6 est autorisée uniquement lorsque le relais électromagnétique 7 du dispositif de protection 4 détecte une surintensité ou un court-circuit dans le circuit de puissance alimentant la charge 2.
Dans ce cas, le relais électromagnétique 7 provoque la délivrance du courant de commande I2 issu de la batterie à l’une des bornes d’entrée b1 du pyrofusible 6.
Pour cela, le relais électromagnétique 7 comprend des moyens actionneurs 71 aptes à faire passer le relais d’un premier état de fonctionnement P1 dans lequel la charge est alimentée à un deuxième état de fonctionnement P2 dans lequel la charge est protégée, lorsque l’intensité du courant d’alimentation de la charge atteint une valeur seuil.
Plus précisément, les moyens actionneurs 71 comprennent une tige T électriquement conductrice mobile dans l’entrefer d’un électroaimant E entre une position de repos et une position active de protection dans laquelle la deuxième source d’alimentation est couplée au dispositif de protection, et un ressort R sollicitant la tige en position de repos.
L’électro-aimant est alimenté par le courant d’alimentation de la charge. Il peut par exemple s’agir d’un enroulement raccordé à un conducteur de puissance d’alimentation de la charge.
Le passage du premier état de fonctionnement P1 au deuxième état de fonctionnement P2 se fait donc en générant un champ magnétique dans l’entrefer lorsque le courant d’alimentation est délivré.
L’intensité du champ magnétique croit avec l’intensité du courant d’alimentation, exerçant une force croissante sur la tige conductrice.
Lorsque que l’effort exercé sur la tige dépasse la force de rappel exercée par le ressort, la tige se déplace de sa position de repos à sa position active de protection dans laquelle des moyens de contact portés par la tige assurent le couplage de la deuxième source d’alimentation 5 à l’une des bornes b1 d’entrée du pyrofusible 6.
Autrement dit, lorsque la tige est dans la première position de repos, le relais électromagnétique 7 n’autorise pas le contact entre la deuxième source d’alimentation et l’une des bornes b1 d’entrée du pyrofusible 6. Le pyrofusible 6 n’est donc pas alimenté et continue d’autoriser le passage du courant vers ladite charge 2.
La position de repos de la tige électriquement conductrice correspond donc au premier état de fonctionnement P1 du relais.
Comme représenté sur la figure 1B, qui illustre le trajet du courant de commande I2 délivré par la deuxième source d’alimentation 5, dans sa position active, la tige ferme le circuit du pyrofusible.
La position active de protection de la tige électriquement conductrice correspond au deuxième état de fonctionnement P2.
Par ailleurs, le relais électromagnétique 7 comprend des moyens de réglage 72 permettant de régler la valeur seuil entre par exemple 20A à 2000A.
Les moyens de réglage 72 agissent en réglant la valeur seuil de la force de rappel du ressort, par exemple en serrant ou en desserrant des vis appropriées.
Ainsi, si on veut augmenter la valeur seuil, il est préférable d’augmenter la force de rappel en serrant les vis.
En desserrant lesdites vis, on diminue la force de rappel et par conséquent la valeur seuil.
Bien sûr, l’homme du métier pourra choisir tout autre moyen mécanique permettant de régler la valeur seuil.
Le pyrofusible 6 ainsi couplé en série avec le relais électromagnétique 7, permet donc d’interrompre le passage du courant d’alimentation après une détection d’une surintensité ou d’un court-circuit par le relais électromagnétique 7.
Il est également à noter que le relais électromagnétique 7 est isolé et protégé de la deuxième source d’alimentation 5.
La figure 2 représente un exemple d’un autre mode de réalisation du dispositif de protection 4 selon l’invention.
Ici, le pyrofusible 6 n’est pas alimenté pas une batterie mais par une barre de puissance 9 dotée de moyens de raccordement appropriés pour le raccordement de la barre au pyrofusible, ce qui permet un gain en poids et en volume.
Par ailleurs, l’invention n’est pas limitée à ces modes de réalisation et de mise en œuvre mais en embrasse toutes les variantes. Par exemple, les moyens actionneurs 71 peuvent comprendre tout moyen mécanique permettant de réaliser un couplage avec la deuxième source d’alimentation.
Comme on le conçoit, dans les modes de réalisation décrits précédemment, la protection est mise en œuvre en alimentant un pyrofusible par l’intermédiaire d’un relais dont l’état est commandé directement à partir du courant d’alimentation de la charge. Les temps de latence sont donc éliminés et la protection peut être mise en œuvre au moyen d’un dispositif de protection présentant un encombrement réduit, en particulier lorsque le pyrofusible est alimenté au moyen d’une barre de courant.
Claims (10)
- Procédé de protection d’une charge (2) dans un circuit d’électronique de puissance (1) comprenant un relais électromagnétique (7) couplé à un pyrofusible (6), ladite protection étant mise en œuvre lorsqu’un courant d’alimentation de la charge (2) est supérieur à une valeur seuil, comprenant :
- un passage du relais électromagnétique (7) d’un premier état de fonctionnement (P1) dans lequel la charge est alimentée à un deuxième état de fonctionnement (P2) autorisant la délivrance d’un courant de commande (I2) à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible (6) ;
- une rupture irréversible du pyrofusible (6) alimenté, pour découpler la charge (2) d’une source d’alimentation délivrant le courant d’alimentation.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le relais électromagnétique (7) comprend une tige (T) électriquement conductrice mobile dans l’entrefer d’un électro-aimant (E) alimenté à partir du courant d’alimentation de la charge, à l’encontre de l’effort exercé par un ressort (R).
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la deuxième source d’alimentation (5) comprend une barre de puissance (9).
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la deuxième source d’alimentation (5) est une batterie.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on règle la valeur seuil du courant entre 20A et 2000A.
- Dispositif de protection (4) d’une charge (2) dans un circuit d’électronique de puissance (1), comprenant un pyrofusible (6) couplé à un relais électromagnétique (7) comprenant des moyens actionneurs (71) aptes à faire passer ledit relais (7) d’un premier état de fonctionnement (P1) dans lequel la charge est alimentée à un deuxième état de fonctionnement (P2) autorisant la délivrance d’un courant de commande à l’une des bornes d’entrée du pyrofusible, lorsque le courant d’alimentation de la charge est supérieur à une valeur seuil, provoquant une rupture irréversible du pyrofusible alimenté, pour découpler la charge d’une source d’alimentation délivrant le courant d’alimentation. t.
- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les moyens actionneurs (71) une tige électriquement conductrice mobile dans l’entrefer d’un électro-aimant alimenté à partir du courant d’alimentation de la charge, à l’encontre de l’effort exercé par le ressort.
- Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la deuxième source d’alimentation (5) comprend une barre de puissance (9).
- Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la deuxième source d’alimentation (5) est une batterie.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel le relais électromagnétique (7) comprend des moyens de réglage (72) aptes à régler la valeur seuil du courant entre 20A et 2000A.
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