FR3123729A3 - Méthode et circuit de detection du courant pour la protection d’un module de puissance - Google Patents
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Abstract
Méthode et circuit de détection du courant pour la protection d’un module de puissance L’invention porte sur une méthode de mesure de la tension entre l’émetteur de commande (E1) et l’émetteur de puissance (Ep) ayant un point de mesure (E1K) en contact avec l’émetteur de puissance (Ep), tension qui est proportionnelle à la variation du courant de l’émetteur avec changement de signe; l’intégration analogique de la tension aux bornes de l’inductance (Lp) en utilisant un circuit intégrateur (R1C1) suivie par le changement de signe en utilisant un amplificateur opérationnel (U1) et obtenant une tension qui est proportionnelle avec la valeur du courant de l’émetteur (Ep), une fraction de cette tension étant appliquée ensuite à une entrée de protection (OC) en surintensité de courant d’un module de commande (DRV); l’atténuation des oscillations de commutation de haute fréquence à l’aide du circuit intégrateur (R1C1) pour éviter un faux déclenchement de la protection. Figure d’abrégé: fig. 1
Description
Domaine Technique de l'invention
L’invention porte sur une méthode et un circuit de détection du courant pour la protection d’un module de puissance utilisés pour la mesure du courant principal qui passe à travers un module de commutation de puissance et la transformation de la mesure résultant dans un signal capable de déclencher la protection du module de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuit.
Dans le cas d’un transistor de puissance, il est connu que la protection soit réalisée par le circuit de commande qui contrôle la grille du transistor (MOSFET, IGBT etc.). La protection est déclenchée lorsque la valeur de la tension, appliquée à une entrée dédiée du module de commande (driver), dépasse un niveau de seuil.
Etat de la technique
Une méthode connue de protection des modules de puissance s’appuie sur le phénomène de désaturation, une propriété du transistor de puissance (IGBT, MOSFET, SiC etc.) de sortir de l’état de saturation dans le cas d’une valeur élevée du courant de drain. La tension drain-source augmente d’une petite valeur (moins de 2V) jusqu’à une valeur supérieure au seuil de protection. Les valeurs actuelles du seuil de courant pour les modules de commande actuels sont entre 7V et 10V. Le phénomène apparait seulement à des valeurs très élevées du courant de drain, de telle sorte que cette protection fonctionne seulement pour le court-circuit. Le problème c’est que pendant le phénomène de désaturation, la puissance générée est trop élevée (en tant que produit du courant de court-circuit et de la tension de désaturation). Comme résultat, même si le transistor survit, certains des paramètres de fonctionnement de celui-ci peuvent être affectés.
Compte tenu de la protection du commutateur de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuit, il est connu également une méthode qui s’appuie sur la mesure de la valeur du courant de source et la génération d’une tension proportionnelle avec celle-ci. Cette tension est utilisée pour le déclenchement de la protection en cas de surintensité de courant. L’énergie dissipée dans le transistor dans ce cas, est beaucoup moindre que celle générée en cas de désaturation. Le problème c’est le capteur utilisé:
-Les shunts (solution relativement simple et précise) qui peuvent être utilisés seulement pour un courant relativement réduit. Le problème c’est la chaleur générée dans le shunt par l’effet de Joule (proportionnelle avec le carré du courant efficace). Pour des courants élevés, la solution avec shunt ne peut pas être appliquée en raison des pertes Joule qui posent des problèmes de refroidissement et affectent le rendement (la résistance Drain-Source en conduction s’ajoute à la résistance du shunt).
-Les capteurs à effet Hall et les transformateurs de courant qui sont tous les deux chers. Dans certains cas, ceux-ci sont trop lents pour être utilisés en tant que protection. Ceux-ci doivent être capable de fonctionner dans une largeur de bande élevée (jusqu’à la zone de MHz).
-Le miroir de courant qui existe dans les modules de puissance qui génère un courant proportionnel avec le courant de drain. Le problème c’est que le rapport de détection dépend fortement de la température. Également, la méthode peut être utilisée seulement avec des modules de puissance qui ont une détection du courant intégrée (miroir de courant) qui est une solution chère.
On connait par exemple de la demande de brevetUS2019074827A1publiée le 7 mars 2019, la solution d’un circuit pour la protection d’un commutateur de puissance qui comprend un premier, un deuxième et un troisième nœud du commutateur de puissance, un circuit de feedback couplé à au moins l’un des nœuds du commutateur de puissance pour le réglage d’une modification de courant à travers le commutateur de puissance et un circuit de détection couplé au circuit de feedback ayant une sortie pour identifier le fait que ledit commutateur de puissance est dans la phase de réglage de la modification du courant à travers le commutateur de puissance. Le circuit de détection peut avoir une sortie supplémentaire pour l’identification d’un niveau de réglage de la modification du courant à travers le commutateur de puissance. Un circuit de synchronisation est couplé au circuit de détection ayant une sortie pour la génération d’un signal de surintensité de courant. Le circuit selonUS2019074827A1peut comprendre en plus un circuit de feedback supplémentaire couplé à au moins deux des nœuds du commutateur de puissance pour le réglage d’une modification de tension sur le commutateur de puissance. Un circuit de détection supplémentaire est couplé au circuit de feedback supplémentaire ayant une sortie pour l’identification du fait que ledit commutateur est dans le réglage de la modification de la tension. Le circuit de détection supplémentaire peut comprendre une sortie supplémentaire pour l’identification d’un niveau de réglage de la modification de la tension sur le commutateur de puissance. Un circuit de synchronisation supplémentaire est couplé au circuit de détection supplémentaire, qui a une sortie pour la génération d’un signal de surtension. Le circuit peut être intégré avec le commutateur de puissance dans une puce commune ou une plaque de circuit ou le commutateur de puissance peut être externe et à distance des autres composantes du circuit. Également de la demande de brevetUS2019074827A1il est connu une méthode pour la protection d’un commutateur de puissance qui suppose la détection du fait qu’une modification du courant à travers le commutateur de puissance est dans une phase de réglage, la mesure du temps dans lequel le changement du courant à travers le commutateur de puissance est en réglage et la comparaison du temps dans lequel le changement du courant à travers le commutateur de puissance est en réglage à un temps de référence. La méthode consiste également dans la génération d’un signal de surintensité de courant si la durée dans laquelle le changement du courant à travers le commutateur d’alimentation est plus grande que la durée de référence. La méthode comprend en outre l’arrêt du commutateur de puissance en tant que réponse au signal de surintensité de courant et la détection du fait qu’une tension sur le commutateur d’alimentation est en réglage.
Dans le but de réaliser la protection d’un module de puissance il est également connu la solution de la demande internationale de brevetWO2018193001A1publiée le 25.10.2018, qui porte sur un dispositif de conversion composé de deux modules de puissance et sur une méthode pour la détection d’un court-circuit dans un tel dispositif.
La méthode pour la détection d’un évènement de court-circuit dans un convertisseur composé d’au moins deux module de puissance interconnectés pour générer une sortie sur plusieurs niveaux, chacun d’entre les modules de puissance comprenant un capteur de courant adapté pour la détermination d’un courant le long d'un chemin d'écoulement à travers le module de puissance, dans lequel chaque module de puissance comprend deux commutateurs semiconducteurs connectés électriquement selonWO2018193001A1, consiste en:
-la détermination d’au moins deux signaux de courant avec au moins deux capteurs de courant des modules de puissance dans laquelle pour chaque module de puissance on détermine un signal de courant avec le capteur de courant associé, signal de courant qui dépend de courants à travers les deux sorties du module de puissance;
-la détermination d’un modèle de signal des signaux actuels en comparant chaque signal actuel avec un seuil;
-la détection de l’évènement de court-circuit et l’identification d’un chemin d'écoulement de court-circuit (en cherchant le modèle de signal actuel dans un tableau des évènements de court-circuit).
Présentation de l'invention
Le problème technique résolu par l’invention se réfère à la mesure du courant d’émetteur (ou source dans le cas de MOSFET) sans l’utilisation d’un capteur de courant externe en vue de la réalisation de la protection d’un module de puissance.
La méthode de détection du courant pour la protection d’un module de puissance utilisant la mesure du courant principal qui passe à travers un module de commutation de puissance et la transformation de la mesure résultant dans un signal capable de déclencher la protection du module de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuit, selon l’invention, s’appuie sur l’inductance parasite de l’émetteur de puissance mesurée entre l’émetteur utilisé dans le circuit de commande de la grille et l’émetteur de puissance du transistor de puissance, et consiste en:
-la mesure de la tension entre l’émetteur de commande et l’émetteur de puissance ayant un point de mesure qui est en contact avec l’émetteur de puissance, tension qui est proportionnelle avec la variation du courant d’émetteur, avec changement de signe;
-l’intégration analogique de la tension aux bornes de l’inductance en utilisant un circuit intégrateur suivie par le changement de signe en utilisant un amplificateur opérationnel avec lequel on obtient une tension qui est proportionnelle avec la valeur du courant d’émetteur, une fraction de cette tension étant appliquée ensuite à une entrée de protection contre la surintensité de courant d’un élément de commande;
-l’atténuation des oscillations de commutation de haute fréquence à l’aide du circuit intégrateur pour éviter un faux déclenchement de la protection;
-la sélection de la constante de temps RC qui doit être trois fois moins que la durée minimale de l’intervalle pendant laquelle le transistor de puissance est bloqué;
-le déchargement de la charge sur le condensateur intégrateur par l’intermédiaire de la résistance en série avec la résistance négligeable de l’inductance parasite du capteur.
Selon un aspect de la méthode, l’intégration sur le groupe intégrateur commence à zéro.
Le circuit de détection du courant pour la protection d’un module de puissance pour la mesure du courant principal qui passe à travers un module de commutation de puissance et pour la transformation de la mesure résultant dans un signal capable de déclencher la protection du module de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuit, selon l’invention, est constitué de:
-un capteur représenté par l’inductance parasite de l’émetteur de puissance intrinsèque au transistor de puissance;
-un intégrateur RC avec constante de temps suffisamment réduite (220ns) pour ne pas retarder considérablement la protection, le signal de sortie V1 de l’intégrateur étant la tension proportionnelle avec le courant qui passe à travers l’inductance parasite,mais de signe opposé;
-un inverseur réalisé avec un amplificateur de grande vitesse et un adapteur d’amplitude représenté par le groupe résistif qui va inverser le signal d’entrée V1 pour le rendre proportionnel au courant de l’inductance parasite, et qui l’amplifie ou atténue de sorte que la tension V_OC de déclenchement de la protection d’un module de commande soit obtenue à la valeur désirée du courant dans le capteur, le signal de sortie étant la tension V_OC proportionnelle au courant à travers l’inductance parasite, avec une amplitude compatible avec le niveau nécessaire pour déclencher la protection du module de commande à la valeur désirée du courant.
Selon un aspect de l’invention, l’amplificateur est alimenté par la même source d’alimentation isolée nécessaire pour le module de commande.
Selon un autre mode de réalisation, le circuit de détection du courant pour la protection d’un module de puissance pour la mesure du courant principal qui passe à travers un module de commutation de puissance et pour la transformation de la mesure résultant dans un signal capable de déclencher la protection du module de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuit, selon l’invention, est composé de:
-un capteur représenté par l’inductance parasite de l’émetteur de puissance intrinsèque au transistor de puissance (T1);
-un premier intégrateur RC, en tant que premier bloc d’entrée et dans le même temps, en tant que filtre passe-bas qui atténue les oscillations de haute fréquence induites par les commutations du transistor de puissance, et qui intègre la tension sur l’inductance parasite,entre un point de l’émetteur de puissance et l’émetteur de commande, la tension intégrée résultante étant proportionnelle au courant dans l’émetteur mais de signe opposé;
-un bloc inverseur réalisé avec un transistor PNP sur la base duquel on applique la tension V1 de sortie de l’intégrateur;
-une résistance qui bloque en mode normal le transistor PNP en mettant la base du transistor à la masse;
-un premier condensateur par lequel l’impulsion de tension V2 est appliquée à la base d’un transistor NPN qui est bloqué en état normal et a le rôle de réaliser le transfert de l’impulsion de tension V2 sur la base du transistor NPN en bloquant dans le même temps la tension continue;
-un premier diviseur résistif qui réalise la polarisation de la base à une tension d’environ 550mV, en repos, le transistor NPN restant bloqué, en s’ouvrant seulement si l’amplitude de l’impulsion de la base est suffisante pour déterminer que la tension base-émetteur s'élève au-dessus du seuil typique de 0,7V, à l’ouverture du transistor NPN, la tension de l’émetteur V3 variant dans le même sens que la tension dans la base;
-un deuxième diviseur résistif qui ajuste la tension V3 de l’émetteur dans l’intervalle de temps dans lequel le transistor NPN est ouvert;
-un deuxième intégrateur qui intègre la tension V3 d’émetteur, la tension V_OC de sortie sur un deuxième condensateur étant appliquée à une entrée de protection du circuit de commande du transistor de puissance, de telle sorte que, lorsque la tension passe le seuil de protection du circuit de commande, celui-ci va déclencher la protection du transistor, en bloquant la grille du transistor de puissance.
Selon un autre aspect de l’invention, le transistor PNP s’ouvrira lorsque la tension V1 base-émetteur dépasse la valeur de seuil d’ouverture de -0.7V.
Selon un autre aspect de l’invention, ledit premier condensateur est chargé par le courant qui passe à travers la résistance et ainsi, la tension sur le deuxième condensateur électrique augmente.
Le désavantages des solutions antérieures sont:
-La détection du courant dangereux est la solution préférée pour la protection des transistors de puissance parce que le stress auquel est soumis le circuit pendant cette protection est beaucoup moins important que dans la méthode de désaturation;
-Le shunt est la solution la plus simple et précise pour la mesure du courant. Le problème se pose dans le cas des valeurs élevées du courant. L’effet de Joule va générer de la chaleur qui va conduire à des niveaux de températures et pertes inacceptables;
-La mesure intégrée du courant du module de puissance (miroir de courant) est disponible seulement pour un nombre réduit de modules de puissance.
-La mesure du courant avec transformateur de courant ou capteur Hall est une solution couteuse.
Les avantages de l’invention sont:
-On applique la méthode de détection du courant dangereux pour les systèmes qui travaillent avec des courants élevés pour lesquels la solution avec shunt n’est pas applicable;
-La mesure du courant ne nécessite pas de capteurs supplémentaires (tel que le miroir de courant), en se basant sur l’inductance parasite formée entre la borne de force (émetteur pour IGBT, source pour MOSFET) et celle de commande (émetteur de commande pour IGBT, source de commande pour MOSFET);
-La mesure du courant est basée sur l’intégration de la tension aux bornes de l’inductance parasite avec un facteur d’amplification. La sélection du facteur d’amplification permet la protection du transistor de puissance à une valeur préétablie du courant inférieure au courant de court-circuit. Le stress total du transistor est beaucoup diminué.
Présentation des figures
Dans ce qui suit, deux exemples de réalisation de la méthode et du circuit de détection du courant pour la protection d’un module de puissance sont donnés, selon l’invention, en connexion avec les Figures 1 - 11, qui représentent:
Claims (7)
- Méthode de détection du courant pour la protection d’un module de puissance utilisant la mesure du courant principal qui passe à travers un module de commutation de puissance (T1) et la transformation de la mesure résultant dans un signal capable de déclencher la protection du module de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuitcaractérisée en ce que, elle se base sur l’inductance parasite (Lp) de l’émetteur de puissance (Ep), mesurée entre l’émetteur (E1) utilisé dans le circuit de commande de la grille (G1) et l’émetteur de puissance(Ep), et consiste en:
-la mesure de la tension entre l’émetteur de commande (E1) et l’émetteur de puissance (Ep) ayant un point de mesure (E1K) en contact avec l’émetteur de puissance (Ep), tension qui est proportionnelle à la variation du courant de l’émetteur avec changement de signe;
-l’intégration analogique de la tension aux bornes de l’inductance (Lp) en utilisant un circuit intégrateur (R1C1) suivie par le changement de signe en utilisant un amplificateur opérationnel (U1) avec lequel on obtient une tension qui est proportionnelle à la valeur du courant de l’émetteur (Ep), une fraction de cette tension étant appliquée ensuite à une entrée de protection (OC) en surintensité de courant d’un module de commande (DRV);
-l’atténuation des oscillations de commutation de haute fréquence à l’aide du circuit intégrateur (R1C1) pour éviter un faux déclenchement de la protection;
-la sélection de la constante de temps RC qui doit être au moins trois fois moindre que la durée minimale de l’intervalle dans lequel le transistor de puissance (T1)est bloqué;
-le déchargement de la charge sur un condensateur (C1) par l’intermédiaire de la résistance (R1) en série avec la résistance négligeable de l’inductance parasite (Lp) du capteur. - Méthode de détection, selon la revendication 1,caractérisée en ce que, l’intégration sur le groupe intégrateur (R1C1) commence à zéro.
- Circuit de détection du courant pour la protection d’un module de puissance utilisant la mesure du courant principal qui passe à travers un module de commutation de puissance (T1) et la transformation de la mesure resultant dans un signal capable de déclencher la protection du module de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuit,caractérisé en ce que, il est composé de:
-un capteur représenté par l’inductance parasite (Lp) de l’émetteur de puissance (Ep) intrinsèque au transistor de puissance (T1);
-un intégrateur RC (R1C1) avec constante de temps suffisamment réduite (220ns) pour ne pas retarder significativement la protection, le signal de sortie V1 de l’intégrateur (R1C1) étant la tension proportionnelle au courant qui passe à travers l’inductance parasite (Lp), mai avec un signe contraire;
-un inverseur réalisé avec un amplificateur (U1) de grande vitesse et un adapteur d’amplitude représenté par le groupe résistif (R3,R4) qui inverse le signal d’entrée V1 pour devenir proportionnel au courant de l’inductance parasite (Lp) et qui l’amplifie ou l’atténue de sorte que la tension V_OC de déclenchement de la protection du module de commande (DRV) est obtenue à la valeur désirée du courant dans le shunt, le signal de sortie étant la tension V_OC proportionnelle au courant de l’inductance parasite (Lp) avec une amplitude compatible avec le niveau nécessaire pour le déclenchement de la protection du module de commande (DRV) à la valeur désirée du courant. - Circuit de détection, selon la revendication 3,caractérisé en ce que, l’amplificateur (U1) est alimenté par la même source d’alimentation isolée (VCCetVEE) nécessaire au module de commande (DRV) qui est le circuit de commande du transistor (T1).
- Circuit de détection du courant pour la protection d’un module de puissance utilisant la mesure du courant principal qui passe à travers un module de commutation de puissance (T1) et la transformation de la mesure résultant dans un signal capable de déclencher la protection du module de puissance en cas de surintensité de courant ou court-circuit,caractérisé en ce qu’il est composé de:
-un capteur représenté par l’inductance parasite (Lp) de l’émetteur de puissance (Ep) intrinsèque au transistor de puissance (T1);
-un premier intégrateur RC (R1C1), en tant que premier bloc d’entrée et dans le même temps, en tant que filtre passe-bas qui atténue les oscillations de haute fréquence induites par les commutations du transistor de puissance (T1), et qui intègre la tension sur l’inductance (Lp), entre un point (E1K) de l’émetteur de puissance (Ep) et l’émetteur de commande (E1), la tension intégrée résultante étant proportionnelle au courant dans l’émetteur (Ep) mais avec un signe contraire;
-un bloc inverseur réalisé avec un transistor PNP (Q1) sur la base duquel (Q1.B)est appliquée la tension V1 de sortie de l’intégrateur (R1C1);
-une résistance (R2) qui bloque en mode normal le transistor PNP (Q1) en mettant à la masse la base (E1);
-un premier condensateur (C3) à travers lequel l’impulsion de tension V2 est appliquée à la base (Q2.B) d’un transistor NPN (Q2), le transistor (Q2) étant bloqué en état normal, et a le rôle de réaliser le transfert de l’impulsion de tension V2 sur la base (Q2.B) du transistor NPN (Q2) sans transmettre également la tension continue;
-un premier diviseur résistif (R5etR6) qui réalise la polarisation de la base (Q2.B) à une tension d’environ 550mV, au repos le transistor NPN (Q2) restant bloqué, en s’ouvrant seulement si l’amplitude de l’impulsion de la base est suffisante pour faire que la tension base-émetteur s’élève au-dessus du seuil typique de 0,7V, à l’ouverture du transistor NPN (Q2), la tension de l’émetteur V3 variant dans le même sens avec la tension dans la base (VB2);
-un deuxième diviseur résistif (R7etR8)qui ajuste la tension V3 de l’émetteur dans l’intervalle de temps dans lequel le transistor NPN (Q2) est ouvert;
-un deuxième intégrateur (R9C2) qui intègre la tensionV3de l’émetteur, la tensionV_OCde sortie sur un deuxième condensateur (C2) étant appliquée à une entrée de protection (OC)du module de commande (DRV)du transistor de puissance (T1), de sorte que, lorsque la tension passe le seuil de protection du module de commande (DRV) celui-ci déclenche la protection du transistor (T1), en bloquant la grille (G1) du transistor de puissance (T1). - Circuit de détection, selon la revendication 5,caractérisé en ce quele transistor PNP (Q1) s’ouvre lorsque la tension V1 base-émetteur dépasse la valeur de seuil d’ouverture de -0.7V.
- Circuit de détection, selon la revendication 5,caractérisé en ce queledit premier condensateur (C3) est chargé par le courant qui passe à travers la résistance (R9) et la tension sur le deuxième condensateur électrique (C2) augmente.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118040606A (zh) * | 2024-04-11 | 2024-05-14 | 湖南大学 | 一种基于分数阶模型电流变化率的短路保护方法及电路 |
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2021
- 2021-06-02 FR FR2105822A patent/FR3123729B3/fr active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN118040606A (zh) * | 2024-04-11 | 2024-05-14 | 湖南大学 | 一种基于分数阶模型电流变化率的短路保护方法及电路 |
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| FR3123729B3 (fr) | 2023-08-11 |
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