FR3108218A1 - Convertisseur continu-continu à pompe de charge et coupe-circuit automobile piloté par un tel convertisseur - Google Patents

Convertisseur continu-continu à pompe de charge et coupe-circuit automobile piloté par un tel convertisseur Download PDF

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Abstract

Convertisseur continu-continu à pompe de charge adapté à convertir une tension d’entrée (VBAT) en une tension de sortie (VCP) plus élevée, comportant : - un oscillateur (4) ; - un circuit à pompe de charge doubleur de tension (3) ; - un étage secondaire (5) du circuit à pompe de charge ; - un interrupteur d’activation (6) adapté à commander l’étage secondaire (5) en tripleur de tension ; - un comparateur (7) adapté à mesurer la différence de tension entre la tension d’entrée (VBAT) et la tension de sortie (VCP) et à piloter l’interrupteur d’activation (6) pour commander l’état activé de l’étage secondaire (5) lorsque ladite différence de tension est inférieure à un seuil de tension prédéterminé. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Convertisseur continu-continu à pompe de charge et coupe-circuit automobile piloté par un tel convertisseur
L'invention concerne le domaine de l’automobile et vise plus particulièrement les convertisseurs permettant de piloter des coupe-circuits à partir de la tension de la batterie d’un véhicule automobile.
ART ANTÉRIEUR
Les véhicules automobiles comportent généralement de nombreux coupe-circuits permettant d’ouvrir et de fermer un circuit électrique de puissance à partir d’un signal de commande utilisant la tension de la batterie du véhicule. Ces coupe-circuits sont généralement des relais ou des disjoncteurs qui comportent des pièces mécaniques en mouvement et qui sont donc source de couts et de pannes liées au travail des pièces mécaniques.
Pour améliorer la fiabilité des coupe-circuits tels que des relais ou des disjoncteurs au sein d’un véhicule automobile, il est actuellement possible d’utiliser des transistors de puissance comme coupe-circuit. L’évolution des technologies relatives aux semi-conducteurs permet par exemple d’utiliser des transistors MOSFET («Metal Oxyde Semi-conductor Field Effect Transistor», en anglais) avec de meilleurs rendements et un accroissement important de la fiabilité par rapport aux relais et disjoncteurs. Cependant, ces transistors de puissance exigent généralement, pour leur commande, une tension qui doit être située dans une plage de tension bien déterminée. Les transistors MOSFET, par exemple, nécessitent pour leur activation une tension de grille qui est nécessairement comprise dans une plage de tension allant de 10 à 20 volts au-dessus de la tension sur laquelle le transistor agit, c’est-à-dire la tension de la batterie du véhicule. Autrement dit, la tension de grille d’un tel transistor doit être supérieure à la tension batterie additionnée de 10V et inférieure à la tension batterie additionnée de 20 V.
Or, la tension batterie du véhicule, fournie par exemple par une batterie au plomb, peut subir d’importantes variations lors des différentes phases d’utilisation du véhicule. La plage de 10 à 20 volts au dessus de la tension de la batterie est ainsi une plage mobile qui varie avec la tension de la batterie.
Il est connu d’utiliser des convertisseurs continu-continu sophistiqués tels que des alimentations à découpage permettant de délivrer en sortie la tension adéquate pour piloter un transistor MOSFET, quelle que soit la tension d’entrée délivrée par la batterie. Ces convertisseurs sont cependant encombrants et onéreux et leur complexité présente un risque pour la fiabilité de l’ensemble.
L’invention a pour but d’améliorer les convertisseurs continu-continu adaptés au pilotage des transistors de puissance utilisés comme coupe-circuit dans un véhicule automobile.
À cet effet, l’invention vise un convertisseur continu-continu à pompe de charge adapté à convertir une tension d’entrée en une tension de sortie plus élevée, comportant:
-un oscillateur;
-un circuit à pompe de charge doubleur de tension présentant deux états pilotés par l’oscillateur: un premier état dans lequel un premier condensateur est chargé à la tension d’entrée; un deuxième état dans lequel le premier condensateur est en série avec la tension d’entrée et charge un deuxième condensateur sensiblement au double de la tension d’entrée;
-un étage secondaire du circuit à pompe de charge, cet étage secondaire comportant un troisième condensateur;
-un interrupteur d’activation adapté à commander l’étage secondaire entre: un état désactivé; et un état activé dans lequel le troisième condensateur est en parallèle du premier condensateur dans le premier état du circuit à pompe de charge, et dans lequel le troisième condensateur est en série avec le premier condensateur et la tension d’entrée dans le deuxième état du circuit à pompe de charge, le deuxième condensateur étant alors chargé sensiblement au triple de la tension d’entrée;
-un comparateur adapté à mesurer la différence de tension entre la tension d’entrée et la tension de sortie et à piloter l’interrupteur d’activation pour commander l’état activé de l’étage secondaire lorsque ladite différence de tension est inférieure à un seuil de tension prédéterminé.
Le terme «condensateur» désigne aussi bien un composant électronique unique qu’un ensemble de condensateurs mis en série ou en parallèle.
Un tel convertisseur permet l’utilisation de transistors de puissance tels que des transistors MOSFET en tant que coupe-circuit en remplacement des relais et disjoncteurs, avec les avantages de compacité et de fiabilité apportés par ces transistors de puissance. La commande de ces transistors de puissance est réalisée dans la plage de tension exigée grâce au convertisseur dont la fonction est réalisée grâce à des moyens simples et peu onéreux utilisant un petit nombre de composants.
La fiabilité, le cout et la compacité des moyens de pilotage des transistors de puissance sont ainsi améliorés.
Le convertisseur selon l’invention fonctionne simplement comme un circuit à pompe de charge doubleur de tension dans la plupart des cas, c’est-à-dire dans les cas où le double de la tension de la batterie est situé dans la plage exigée pour la commande du transistor de puissance. Dans les cas plus rares où la tension de la batterie est suffisamment faible pour que le double de la tension batterie soit situé en dehors de la plage exigée pour la commande du transistor de puissance, le convertisseur agit alors en tripleur de tension.
Le basculement entre le mode doubleur de tension et le mode tripleur de tension est réalisé en temps réel grâce au comparateur et est donc un phénomène oscillatoire qui permet à la tension moyenne de sortie d’évoluer en restant dans la plage exigée pour la commande du transistor de puissance.
Des applications de coupe-circuit critique tel qu’un disjoncteur de sécurité pour la batterie du véhicule peuvent ainsi être assurées par un transistor de puissance dont la fiabilité de la commande est garantie par le convertisseur selon l’invention, même pour des valeurs minimales de la tension batterie.
Un autre objet de l’invention est un coupe-circuit de véhicule automobile comportant un transistor MOSFET à canal N adapté à être relié directement à la batterie du véhicule. Ce coupe-circuit comporte un convertisseur tel que décrit ci-dessus, et le transistor est commandé dans son état passant par l’application de la tension de sortie du convertisseur à la grille du transistor.
Un autre objet de l’invention est un procédé de commande d’un transistor MOSFET à canal N relié directement à la batterie d’un véhicule automobile. Ce procédé comporte les étapes suivantes:
-lorsque la tension de la batterie est sensiblement supérieure à 10 V, activer un convertisseur à pompe de charge en doubleur de tension pour appliquer une tension à la grille du transistor qui est sensiblement doublée par rapport à la tension de la batterie;
-lorsque la tension de la batterie est sensiblement inférieure à 10 V, activer un étage secondaire du convertisseur à pompe de charge pour appliquer une tension à la grille du transistor qui est sensiblement triplée par rapport à la tension de la batterie.
Le convertisseur selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison:
-le convertisseur comporte deux interrupteurs commandés qui sont placés en série entre la masse et la tension batterie, ces interrupteurs étant commandés en opposition de phase par l’oscillateur, l’un des interrupteurs étant ouvert lorsque l’autre est fermé et inversement, une première électrode du premier condensateur étant connectée entre les deux interrupteurs commandés;
-une deuxième électrode du premier condensateur est connectée entre deux diodes d’une première paire de diodes, la cathode de l’une de ces diodes étant reliée à une première électrode du deuxième condensateur;
-une première borne de l’interrupteur d’activation est connectée à la première électrode du premier condensateur, et une deuxième borne de l’interrupteur d’activation est connectée à une première électrode du troisième condensateur;
-une deuxième électrode du troisième condensateur est connectée entre deux diodes d’une deuxième paire de diodes, la cathode de l’une de ces diodes étant connectée à l’anode de l’une des diodes de la première paire de diodes;
-une deuxième électrode du troisième condensateur est reliée d’une part à l’anode de l’une des diodes de la deuxième paire de diodes, et est reliée d’autre part à l’anode de l’une des diodes de la première paire de diodes par l’intermédiaire d’un quatrième condensateur.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
La figure 1 est un schéma théorique général d’un coupe-circuit selon l’invention;
La figure 2 est un exemple de réalisation schématique d’un convertisseur selon l’invention;
La figure 3 est un mode de réalisation concret d’un convertisseur selon l’invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
La figure 1 illustre schématiquement un coupe-circuit selon l’invention. Ce coupe-circuit comporte un transistor de puissance 1 qui est, dans le présent exemple, un transistor MOSFET. Ce transistor 1 permet d’ouvrir un circuit dans un véhicule automobile. Selon une utilisation particulièrement avantageuse, le transistor MOSFET 1, ou un ensemble de tels transistors, est utilisé comme disjoncteur associé à la batterie du véhicule. La fiabilité apportée par un tel montage permet l’intégration directe d’un disjoncteur composé de transistors 1 et de leur électronique de commande directement dans le boitier de la batterie, ce qui permet de produire des batteries à plus forte valeur ajoutée.
Le transistor MOSFET 1 nécessite, pour être activé, la présence d’une tension VCPsur sa grille qui est nécessairement comprise dans une plage de tension différentielle par rapport à la tension de la batterie que le transistor 1 est amené à couper dans sa fonction de disjoncteur. Dans le présent exemple, la tension VCPdoit être supérieure à la tension de la batterie d’au moins 10 volts. Le transistor MOSFET 1 est un transistor à canal N qui est directement branché à la batterie, c’est à dire que son drain et sa source sont connectés à un circuit qui est mis à la tension batterie.
On considère ici une plage de tension classique d’une batterie 12 V de véhicule, plage dont la valeur minimale est de 6volts correspondant à une phase de démarrage du véhicule où l’actionnement du démarreur entraine une importante chute de tension.
Pour ce qui est du transistor MOSFET 1, sa plage d’activation, c’est à dire la plage dans laquelle sa tension de grille VCPdoit se trouver pour être activé, est de 10 à 20 volts au dessus de la tension batterie.
Le coupe-circuit comporte un convertisseur continu-continu 2 garantissant que la tension VCPest située dan la plage d’activation du transistor 1, même lorsque la tension batterie chute à une valeur extrême.
Le convertisseur 2 comporte un circuit doubleur de tension 3 recevant en entrée la tension batterie VBAT. Ce doubleur de tension 3 est piloté par un oscillateur4 qui commande l’alternance entre les états du doubleur de tension 3 pour produire une tension VCPqui est le double de la tension VBAT.
Le convertisseur 2 comporte de plus un étage secondaire 5 qui est adapté, lorsqu’il est associé au doubleur de tension 3 à former avec ce dernier un tripleur de tension.
Le doubleur de tension 3 et l’étage secondaire peuvent être associés grâce à un interrupteur commandé 6. L’interrupteur commandé 6 peut être réalisé par un transistor MOSFET, comme dans l’exemple illustré à la figure 1, ou par toute autre technologie permettant la commande d’un interrupteur. L’interrupteur 6 est commandé par un comparateur 7 qui est adapté à mesurer la valeur de la tension batterie VBATet de la tension de commande VCPdu transistor 1. Le comparateur 7 détermine si la tension VCPest bien comprise dans la plage de 10 à 20volts au-delà de la tension de la batterie VBAT.
Sur la vue schématique de la figure 1, la tension de sortie VCPdu convertisseur 2 est directement reliée à la grille du transistor de puissance 1, ce qui est une simplification. En effet, la tension VCPest utilisée pour activer ou non le transistor de puissance 1 par un circuit de commande (non représenté). L’objet de la présente description est de détailler les moyens permettant à la tension VCPd’être située dans la plage d’activation du transistor 1 de sorte que, lorsque cette tension VCPest utilisée pour commander le transistor de puissance 1, ce dernier est effectivement activé.
Lorsque la tension VBATprésente une valeur telle que le double de cette valeur soit situé dans la plage d’activation, l’étage secondaire 5 est désactivé (l’interrupteur commandé 6 est ouvert) de sorte que le convertisseur 2 fonctionne en doubleur de tension. C’est le cas lorsque la tension batterie VBATest comprise entre 10volts et 20volts ce qui, grâce au doubleur de tension, donne respectivement une tension VCPcomprise entre 20volts (soit 10volts de plus que la tension VBAT) et 40volts (soit 20volts de plus que la tension VBAT).
Lorsque la tension de la tension batterie VBATest inférieure à 10volts, le doublement de la tension VBATne permet pas d’être dans la plage de fonctionnement. Le comparateur 7 détermine alors que la tension VCPest inférieure à une valeur égale à la tension batterie additionnée de 10 V. Le comparateur agit alors en commandant l’interrupteur 6 pour que l’étage secondaire 5 soit activé et que l’ensemble formé par le doubleur de tension 3 et l’étage secondaire 5 forme alors un tripleur de tension qui permet à la tension VCPd’être alors située dans la plage de fonctionnement.
La figure 2 illustre une réalisation du convertisseur 2.
Le doubleur de tension 3 comporte ici une paire d’interrupteurs commandés T1 et T2 qui sont pilotés ensemble par l’oscillateur 4, en opposition de phase. L’un des interrupteurs est donc fermé lorsque l’autre est ouvert. Ces interrupteurs sont disposés entre la masse et la tension batterie VBAT. Un premier condensateur C1 est raccordé entre les deux interrupteurs T1, T2. Un deuxième condensateur C2 est placé entre les tensions VCPet VBAT.
De plus, une première paire de diodes 8 est prévue de sorte que:
-lorsque l’interrupteur T2 est fermé et l’interrupteur T1 est ouvert (comme représenté sur la figure 2), le premier condensateur C1 est relié d’une part à la masse et d’autre part à la tension batterie VBATde sorte que le condensateur C1 est chargé à la tension VBAT;
-lorsque l’interrupteur T1 est fermé et l’interrupteur T2 est ouvert, le premier condensateur C1 est en série avec la tension VBATet charge alors le deuxième condensateurC2 à deux fois la tension batterie VBAT. Le condensateur C2 fournit ainsi la tension VCPqui est égale au double de la tension batterie VBAT.
Les notions de doublement et de de triplement de tension sont ici théoriques, et compte tenu du rendement des composants, la tension obtenue par le doubleur de tension est en général inférieure à la valeur stricte du double de la tension batterie. Par exemple, une tension batterie de 12,6 V résulte dans cet exemple, par l’action du doubleur de tension, en une tension VCPd’environ 23,5 V à 24 V. Le seuil de fermeture de l’interrupteur d’activation 6 sera adapté en conséquence en fonction de la performance du circuit.
Lorsque le comparateur 7 détermine que la tension VCPn’est plus dans la plage d’utilisation, le comparateur 7 ferme l’interrupteur 6 pour activer l’étage secondaire 5 du convertisseur 2.
L’étage secondaire 5 comporte ici un troisième condensateur C3 et une paire de diodes 9 agencés de sorte que:
-lorsque l’interrupteur T2 est fermé et l’interrupteur T1 est ouvert (comme représenté sur la figure 2), le premier condensateur C1 et le troisième condensateur C3 sont en parallèle et reliés d’une part à la masse et d’autre part à la tension batterie VBATde sorte que chaque condensateur C1, C3 est chargé à la tension VBAT;
-lorsque l’interrupteur T1 est fermé et l’interrupteur T2 est ouvert, le premier condensateur C1 et le troisième condensateur C3 sont en série avec la tension VBATet chargent alors le deuxième condensateurC2 à trois fois la tension batterie VBAT. Le condensateur C2 fournit ainsi la tension VCPqui est égale au triple de la tension batterie VBAT.
Lorsque l’interrupteur commandé 6 est fermé, le convertisseur 2 agit ainsi en tripleur de tension.
La figure 3 illustre un exemple concret de réalisation du convertisseur 2.
Dans cet exemple, les deux interrupteurs T1, T2 sont réalisés par des transistors bipolaires de type inverse directement pilotés ensemble par l’oscillateur 4.
Le premier condensateur C1 et le troisième condensateur C3 sont ici des condensateurs de 470nF. Le deuxième condensateur C2 est ici réalisé par un ensemble de deux condensateurs en parallèle de 10µF chacun.
Le montage comporte également un quatrième condensateur C4 de 1µF raccordé d’une part entre les deux paires de diodes 8, 9 et d’autre part à la tension VBAT.
L’interrupteur commandé 6 est ici réalisé par un transistor MOSFET.
Les autres condensateurs et résistances du montage ont des fonctions classiques, notamment de filtrage, qui ne seront pas détaillés plus en détail ici et qui sont à la portée de l’homme du métier.
De même, la figure 3 illustre un exemple d’oscillateur 4 et de comparateur 7. La fréquence de l’oscillateur est, dans cet exemple, d’environ 22 kHz.
Des variantes de réalisation du convertisseur peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l’invention. Notamment, l’oscillateur et le comparateur peuvent être réalisés de toute autre manière connue pour ces fonctions.

Claims (8)

  1. Convertisseur continu-continu à pompe de charge adapté à convertir une tension d’entrée (VBAT) en une tension de sortie (V CP ) plusélevée, caractérisé en ce qu’il comporte:
    -un oscillateur (4);
    -un circuit à pompe de charge doubleur de tension (3) présentant deux états pilotés par l’oscillateur (4): un premier état dans lequel un premier condensateur (C1) est chargé à la tension d’entrée (VBAT); un deuxième état dans lequel le premier condensateur (C1) est en série avec la tension d’entrée (VBAT) et charge un deuxième condensateur (C2) sensiblement au double de la tension d’entrée (VBAT);
    -un étage secondaire (5) du circuit à pompe de charge, cet étage secondaire (5) comportant un troisième condensateur (C3);
    -un interrupteur d’activation (6) adapté à commander l’étage secondaire (5) entre: un état désactivé; et un état activé dans lequel le troisième condensateur (C3) est en parallèle du premier condensateur (C1) dans le premier état du circuit à pompe de charge, et dans lequel le troisième condensateur (C3) est en série avec le premier condensateur (C1) et la tension d’entrée (VBAT) dans le deuxième état du circuit à pompe de charge, le deuxième condensateur (C2) étant alors chargé sensiblement au triple de la tension d’entrée (VBAT);
    -un comparateur (7) adapté à mesurer la différence de tension entre la tension d’entrée (VBAT) et la tension de sortie (VCP) et à piloter l’interrupteur d’activation (6) pour commander l’état activé de l’étage secondaire (5) lorsque ladite différence de tension est inférieure à un seuil de tension prédéterminé.
  2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte deux interrupteurs commandés (T1,T2) qui sont placés en série entre la masse et la tension batterie (VBAT), ces interrupteurs (T1,T2) étant commandés en opposition de phase par l’oscillateur (4), l’un des interrupteurs étant ouvert lorsque l’autre est fermé et inversement, une première électrode du premier condensateur (C1) étant connectée entre les deux interrupteurs commandés (T1,T2).
  3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’une deuxième électrode du premier condensateur (C1) est connectée entre deux diodes d’une première paire de diodes (8), la cathode de l’une de ces diodes étant reliée à une première électrode du deuxième condensateur (C2).
  4. Convertisseur selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu’une première borne de l’interrupteur d’activation (6) est connectée à la première électrode du premier condensateur (C1), et une deuxième borne de l’interrupteur d’activation (6) est connectée à une première électrode du troisième condensateur (C3).
  5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’une deuxième électrode du troisième condensateur (C3) est connectée entre deux diodes d’une deuxième paire de diodes (9), la cathode de l’une de ces diodes étant connectée à l’anode de l’une des diodes de la première paire de diodes (8).
  6. Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’une deuxième électrode du troisième condensateur (C3) est reliée d’une part à l’anode de l’une des diodes de la deuxième paire de diodes (9), et est reliée d’autre part à l’anode de l’une des diodes de la première paire de diodes (8) par l’intermédiaire d’un quatrième condensateur (C4).
  7. Coupe-circuit de véhicule automobile comportant un transistor MOSFET (1) à canal N adapté à être relié directement à la batterie du véhicule, caractérisé en ce qu’il comporte un convertisseur (2) conforme à l’une des revendications 1 à 6, et en ce que le transistor (1) est commandé dans son état passant par l’application de la tension de sortie (VCP) du convertisseur (2) à la grille du transistor (1).
  8. Procédé de commande d’un transistor MOSFET (1) à canal N relié directement à la batterie d’un véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes:
    -lorsque la tension de la batterie (VBAT) est sensiblement supérieure à 10 V, activer un convertisseur à pompe de charge (2) en doubleur de tension (3) pour appliquer une tension à la grille du transistor (1) qui est sensiblement doublée par rapport à la tension de la batterie (VBAT);
    -lorsque la tension de la batterie (VBAT) est sensiblement inférieure à 10 V, activer un étage secondaire (5) du convertisseur à pompe de charge (2) pour appliquer une tension à la grille du transistor (1) qui est sensiblement triplée par rapport à la tension de la batterie (VBAT).
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