WO2014128274A2 - Capteur électronique de température pour mesurer la température de jonction d'un interrupteur électronique de puissance en fonctionnement et procédé de mesure de la température de la jonction par ce capteur électronique - Google Patents

Capteur électronique de température pour mesurer la température de jonction d'un interrupteur électronique de puissance en fonctionnement et procédé de mesure de la température de la jonction par ce capteur électronique Download PDF

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Franck MOSSER
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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Definitions

  • Electronic temperature sensor for measuring the junction temperature of an electronic power switch in operation and measures the temperature of the junction by this electronic sensor
  • the present invention relates to an electronic temperature sensor for measuring the junction temperature of an electronic power switch in operation and a method of measuring the temperature of the junction by the electronic sensor with a short response time.
  • thermocouple probes or heat-sensitive probes generally as temperature sensors in such electrical systems.
  • thermocouple probes Even if there are operational solutions for electrical insulation of these electrically conductive thermocouple probes, the response time of this type of temperature sensor, that is to say the temporal resolution of the thermocouple probes remains at the same time. tens of milliseconds, which limits the use of thermocouples to thermal equilibrium conditions.
  • Thermal radiation detectors such as cameras sensitive to infrared radiation, overcome this disadvantage because they have faster response times and can measure temperature variations with a temporal resolution of less than 1 ms.
  • thermal radiation detectors require a field of view on the measured object free from masking, which is not possible usually on the power modules.
  • conventional encapsulation techniques do not generally have visibility of the module without obstacles and this type of detector can not be integrated into a component box.
  • a solution to overcome the disadvantages described above is in principle to use the power chip itself as an electronic temperature sensor, so that the temperature measurement can be performed with series modules calibrated without damaging encapsulation.
  • any electrical parameter depending on the temperature of a power chip that is to say a controlled electronic switch such as for example an IGBT transistor (English Inverse Gate Bipolar Transistor), can be used for a measurement electronic temperature junction.
  • a controlled electronic switch such as for example an IGBT transistor (English Inverse Gate Bipolar Transistor)
  • IGBT transistor English Inverse Gate Bipolar Transistor
  • the exploitation of the evolution as a function of the temperature of the voltage drop of the semiconductor junction in direct conduction, measured between the two main electrodes (anode-cathode or drain-source or even collector-emitter) of power ) power of the electronic switch, such as a silicon junction (case of a bipolar component) or an ohmic region (case of a field effect component) is the most interesting because it pulls advantage of a mostly linear temperature response over a wide temperature band.
  • the slope of the temperature characteristic of the diffusion voltage is about -2 mV / K for an injection measurement current of 200 mA injected into current IGBT chips.
  • the electronic temperature sensor described in this article and associated in its own with an IGBT switch of a switching cell of a two-phase inverter, comprises a measuring circuit VCE connected to the power terminals of the IGBT transistor. and a source of injection current with a measurement current of 100 mA, produced in the form of a simple ballast resistor, thus dependent on the supply voltage.
  • the measuring circuit of VCE consists of a voltage limiter to limit the voltage seen by the measuring circuit when the transistor under test is blocked and a voltage-current converter.
  • the technical problem is to simplify the structure of the electronic temperature sensor, in particular the measuring circuit VCE, in terms of the absence of active high voltage components, and to make the structure independent of the supply voltage level.
  • a related technical problem is to improve the reliability of the electronic temperature sensor.
  • the subject of the invention is an electronic temperature sensor for measuring the junction temperature of a controlled electronic power switch of an electronic switching cell of a static converter comprising:
  • the injection source of a calibrated measurement current having at least one injection and output terminal and being configured to deliver a first calibrated output measurement current to a first injection and output terminal of the at least one output terminal, the first output terminal being intended to be connected to an upstream power terminal of the junction of the electronic switch whose temperature is measured,
  • the differential voltage amplifier having a first differential amplifier input terminal and a second differential amplifier input terminal of a differential voltage signal
  • a first serial connection and high voltage protection element having a first first element terminal connected to the first differential input terminal of the differential voltage amplifier and a second first voltage terminal; element connected to the upstream power terminal of the semiconductor junction of the electronic switch whose temperature is measured,
  • a second serial connection and high voltage protection element having a third second element terminal connected to the second differential input terminal of the differential voltage amplifier, and a fourth second element terminal connected to one downstream power terminal of the semiconductor junction of the electronic switch whose temperature is measured,
  • the first and second series connection elements having essentially identical electrical characteristics and being included in the assembly formed by the resistances and high voltage fast diodes.
  • the electronic temperature sensor comprises one or more of the following characteristics:
  • the first serial connection element is a first high voltage isolation fast diode, connected by its anode through the first first element terminal to the first differential input terminal of the differential voltage amplifier,
  • the second serial connection element is a second high voltage isolation fast diode, connected by its anode through the third second element terminal to the second differential input terminal of the differential voltage amplifier, and
  • the injection source is configured to deliver a second calibrated correction current to a second injection and output terminal, the second injection and output terminal being connected to the downstream power terminal of the junction of the electronic switch whose temperature is measured, and
  • the injection source is configured to regulate at the same current value the first and second isolation fast diodes, so that the voltage drops across the first and second diodes are identical;
  • the first high-voltage isolation fast diode is connected by its cathode through the second first-element terminal to the first injection and output terminal, forming part of the injection source for insulating and protecting at high voltage; the injection source;
  • the second high voltage isolation fast diode is connected by its cathode through the fourth second element terminal to the second injection and output terminal forming part of the injection source for isolating and protecting in high voltage the injection source;
  • the sensor comprises a first low-voltage clipping diode and a second low-voltage clipping diode respectively connected by a first clipping diode anode and a second clipping anode to the first differential input and the second differential input from clipping diode;
  • the differential voltage amplifier for voltage protection of the differential voltage amplifier
  • the injection source has a single first injection and output terminal for supplying the calibrated measurement current in the upstream power terminal of the junction of the electronic switch, and comprises a high-voltage fast protection diode, the diode protection device being distinct from the first serial connection element and the second serial connection element, and being connected by its cathode to the first injection and output terminal,
  • the first serial connection element and the second serial connection element are two first and second electrical resistances respectively connected in parallel with the first and second clipping diodes to protect the current clipping diodes and the differential voltage amplifier,
  • the injection source comprises a controlled switch for inhibiting the injection of the first calibrated measuring current to reduce the consumption of the sensor when the temperature measurement is not performed.
  • the subject of the invention is also a static converter comprising a set of controlled electronic switches and an electronic temperature sensor as defined above, the electronic sensor being associated in its own right and connected to a single electronic controlled switch of the assembly.
  • the electronic switch comprises a power semiconductor junction which has a low impedance when the switch is controlled in an on state and a high impedance when the switch is controlled in an on state, and
  • the electronic switch comprises a power C upstream collector terminal and a transmitting power emitter E downstream terminal of said semiconductor junction of the electronic switch whose temperature is measured,
  • the first injection and output terminal of the injection source is connected to the upstream power terminal terminal of the junction
  • the second first element terminal is connected to the collector upstream terminal
  • the invention also relates to an electrical power system comprising
  • the static converter comprising a set of an integer number of distinct switching cells arranged according to a predetermined structure and powered by the power supply bus, and
  • each switching cell being formed of an associated pair of controlled electronic switches.
  • the electrical system comprises one or more of the following characteristics:
  • the power supply bus is a DC voltage source
  • the static converter is a polyphase inverter having a number p of phases, connected at input to and powered by the power supply bus, the number p of phases being greater than or equal to 2, and
  • the load supplied by and connected to the polyphase static converter being a synchronous or asynchronous motor having the same number of phases p as the static converter.
  • the subject of the invention is also a method for implementing the electronic temperature sensor as defined above,
  • preparing the temperature measurement of the power junction the switch tested by controlling the switch to measure temperature in the open state in the on state and by blocking the remaining switches so as to cancel or to minimize the parasitic currents generated by possible sources of parasitic currents that can pass through the power junction of the tested switch into the on-state temperature, and to synchronize the injection of the measurement current on a particular control sequence of the switches ,
  • a third step starting from a second instant t2, starting measurement by the measurement chain, after and separated from the first time t1 by a second duration At2 less than the first duration At1, measuring the evolution of the voltage VCE (T) measured across the semiconductor junction of the switch tested by the differential voltage amplifier for a third duration At3 less than the difference between At1 and At2, then
  • a fourth step following the third step, to deduce the temperature ⁇ of the junction from the evolution of the measured AVCE voltage (T) and a predetermined characteristic curve of conversion between the voltage VCE and the predetermined temperature .
  • Figure 1 is a view of a first embodiment of an electronic sensor for measuring the temperature according to the invention to a current injection source, implanted in a static power converter having any structure;
  • Figure 2 is a view of a second embodiment of an electronic sensor for measuring the temperature according to the invention to an injection source of a single current implanted in a static power converter having any structure;
  • Figure 3 is a flow chart of a method of implementing the thermal sensors of Figures 1 and 2;
  • Figure 4 is a view of the architecture of an example of an electrical system comprising a static converter, coupled to a load and implementing at least one of the heat sensors of Figure 1 and / or Figure 3;
  • Figure 5 is a set of six timing diagrams describing the time evolution of the controls of the switches of the static converter of Figure 4 driven in nominal service
  • Figure 6 is a view of the static converter of Figure 4 describing the implementation of an electronic temperature sensor as described in Figures 1 and 2 on an electronic switch of the static converter;
  • FIG. 7 is a set of a first reading and a second reading each following three curves of the temporal evolution of the PWM (Pulse Width Modulation) control of the first switch T1, of the evolution of the current of injection delivered by the electronic temperature sensor, the evolution of the motor phase current delivered to the midpoint of the switching arm corresponding to the switch T1.
  • the first reading corresponds to a large time window encompassing a first phase preceding the electronic temperature measurement, a second phase of electronic temperature measurement of the power junction described in FIG. 6, and a third phase following the electronic temperature measurement.
  • the second survey is an extension of ten times the first survey focused on the second phase of the electronic temperature measurement;
  • Figure 8 is a flow chart of a general method for measuring the temperature of at least one electronic switch of a static power converter of any structure.
  • an electronic temperature sensor 2 is configured to measure and monitor the junction temperature of a controlled electronic power switch 4 of an electronic switching cell 6 of a static converter 8.
  • the static converter may include several.
  • the switching cell 6 comprises, as first switch, the electronic power switch 4, and a second controlled electronic switch 10, the first and second controlled electronic switches 4, 10 being interconnected in series by a midpoint 12.
  • the first and second switches 4, 10 each comprise a freewheeling diode 14, 16, which is unique and different and is mounted in antiparallel.
  • the series circuit 6 thus formed is connected between a source or voltage bus, here the source 14 represented by the voltage Vbus, and connected to a current source 16 forming a charge through the midpoint 12.
  • the first and second controlled electronic switches 4, 10 are a priori unspecific in terms of technology and in terms of control, the first and second switches 4, 10 of the switching cell 6 can not be closed. simultaneously, that is to say drivers at the same time under penalty of short circuit of the voltage source.
  • the first electronic switch 4 whose temperature is measured is an IGBT type transistor which comprises a first upstream terminal 17 forming here an anode and a second downstream terminal 19 forming here a cathode respectively corresponding to the terminal, designated by C on the Figure 1, power collector and terminal, designated E in Figure 1, power transmitter semiconductor junction of power transistor IGBT 4.
  • the electronic sensor 2 is dedicated exclusively to the temperature measurement of the first electronic switch 4 of controlled power.
  • the electronic sensor 2 comprises an injection source 20 of a calibrated measuring current, an electronic measurement chain 22 of the temperature of the differential input junction 23, 24, a first series connection element 26 and a second element of FIG. series connection 28, respectively connected in series between the first upstream terminal 17 and the first differential input 23, and between the second downstream terminal 19 and the second differential input 24, and configured to protect the electronic measurement chain 22 when high voltage is applied by DC DC bus 14.
  • the injection source 20 of a calibrated measurement current comprises a first output terminal 30, and a second output terminal 32.
  • the injection source 20 of a calibrated measurement current is configured to deliver a first calibrated injection measurement current to the first injection and output terminal 30, the first injection and output terminal 30 being connected. at the upstream terminal 16 power collector C of the junction of the IGBT switch 4 whose temperature is measured.
  • the first calibrated measurement current is the actual current flowing through the semiconductor junction of the controlled electronic switch 4 when the switch is closed and the electronic sensor implements the temperature measurement.
  • the injection source 20 of a calibrated measuring current is also configured to deliver a second calibrated correction current to the second output terminal 32, the second output terminal 32 being connected to the downstream power-supplying terminal 18 E the junction of the first switch 4 whose temperature is measured.
  • the injection source 20 of a calibrated measurement current is protected in high voltage HT, here by the first and second series connection elements 26, 28.
  • the injection source 20 comprises a supply voltage source 40 having an output terminal 42, a first channel 44 for generating and delivering the first measurement current calibrated at the first output injection terminal 30 , and an second channel 46 for generating and delivering the second correction current calibrated at the second output terminal 30
  • the first channel 44 comprises, connected in the order described and in series from the voltage source output terminal 42 to the first injection and output terminal 30 of the injection source 20, a first regulator a first regulating element 54 of the regulated output current of the first regulator, a first controlled switch 56 for inhibiting the injection of the first measurement current and the first serial connection element 26 for reducing the consumption of the sensor. when the temperature measurement is not performed.
  • the second channel 46 comprises, connected in the order described and in series from the voltage source output terminal 42 to the second injection and output terminal 32 of the injection source 20, a second regulator current 62, a second regulating element 64 of the regulated output current of the second regulator 62, a second controlled switch 66 for inhibiting the injection of the first measurement current and the second serial connection element 28 for reducing the consumption. of the sensor when the temperature measurement is not performed.
  • the first and second adjustment elements 54, 64 are adjusted so that the calibrated measurement current supplied by the first channel 44 and the correction current supplied by the second channel 46 are substantially equal or equal.
  • the value of the calibrated measuring current is taken equal to 200 mA for the type of IGBT transistor used.
  • the electronic measurement chain 22 comprises the first differential input terminal 23 and the second differential input terminal 24, respectively connected to the upstream power-collecting terminal C and to the power-emitting downstream terminal E of the junction. of the switch 4 whose temperature is measured through the first series connection element 26 and the second series connection element 28.
  • the electronic measuring chain 22 comprises a differential voltage amplifier 76, having a first differential input terminal 78 and a second differential input terminal 80 of a differential voltage signal and an output terminal 82, and comprises, connected in the order described and in series from the output terminal 82, an adaptation stage 84 to an analog / digital converter, an analog / digital converter 86, an acquisition and transmission unit 88 with galvanic isolation of the digital signal sampled by the analog / digital converter 86, and a digital processing unit 90.
  • the first serial connection element 26 is here a first high voltage fast diode (HT) which isolates and protects in high voltage the differential voltage amplifier 76. when the high voltage of the DC bus is applied to the sensor electronics.
  • HT high voltage fast diode
  • the first high-voltage fast diode 26 has at its anode a first first-element terminal 90 which is connected to the first input terminal of the differential-voltage amplifier 76 and here is part of the measuring-current source 20.
  • the first high-voltage fast diode 26 has at its cathode a second first-element terminal 92 which is connected to the upstream power-collecting terminal C of the semiconductor junction of the switch.
  • the second serial connection element 28 is here a second high-speed diode (HT) which insulates and protects the differential voltage amplifier 76 at high voltage when the high voltage of the DC bus is applied to the sensor electronics.
  • HT high-speed diode
  • the second high voltage fast diode 28 has at its anode a third second element terminal 94 which is connected to the second input terminal 80 of the differential voltage amplifier 76 and here is part of the measurement current source 20.
  • the second high voltage fast diode 28 has at its cathode a fourth terminal 96 of second element, which is here connected to the downstream terminal 19 emitting power E of the junction of the controlled switch 4.
  • the first and second high voltage fast diodes 24, 26 are selected and matched according to the criterion that they have substantially identical electrical characteristics as a function of temperature.
  • the diodes 24, 26 are chosen in the same die and the same production batch.
  • the diodes 24, 26 are implanted on neighboring locations of the same substrate and having the same temperature.
  • the calibrated measurement current injected at the upstream terminal 17 of the junction of the switch 4 is the actual measuring current passing through the junction of the switch 4 whose temperature is measured.
  • the differential voltage taken at the terminals of the gain amplifier is the effective differential voltage VCE presented across the power junction of the switch 4 whose temperature is measured when the calibrated measurement current passes through the junction of the switch 4.
  • VCE the effective differential voltage presented across the power junction of the switch 4 whose temperature is measured when the calibrated measurement current passes through the junction of the switch 4.
  • V m denotes the voltage drop of the first diode 24 and V D2 denotes the voltage drop of the second diode 26 when the first and second diodes 24, 26 are traversed respectively by the measurement current and the correction current derived from the same source and calibrated to the same value
  • the diodes Since the diodes have identical electrical characteristics, they are subject to the same temperature fluctuations and input fed by substantially identical and correlated currents.
  • the muting switches make it possible to save electrical energy by deactivating the injection source of the measuring current during the nominal operating periods of the switch 4 outside the measuring periods.
  • a second embodiment of an electronic temperature sensor 202 is configured to measure and monitor the junction temperature of the same controlled electronic switch 4 shown in Figure 1.
  • the same switching cell 6 is represented and it comprises the same first controlled electronic power switch 4 and the same second controlled electronic switch 10, the first and second electronic switches 4, 10 being connected together. series at the same midpoint 14 as that depicted in Figure 1.
  • the electronic temperature sensor 202 comprises an injection source 220 of a calibrated measurement current, an electronic measurement chain 222 of the temperature of the junction, a first serial connection element 224 and a second serial connection element 226 for to protect against high voltage the electronic measuring chain 222.
  • the injection source 220 of a calibrated measuring current comprises a single injection and output terminal 230 for injecting the calibrated measuring current into the upstream power collecting terminal C of the junction.
  • the injection source 220 of a calibrated measurement current is a current generator comprising a voltage source 232 followed by a voltage / current converter 234 having a current regulation.
  • the injection source 220 like the current injection source 20 of FIG. 1, is configured to deliver a calibrated output measurement current to the injection and output terminal 230, the terminal of output 230 being connected to the upstream terminal 17 power collector C of the junction of the controlled switch 4 whose temperature is to be measured.
  • the calibrated measurement current is substantially equal to the actual current flowing through the semiconductor junction of the controlled electronic switch 4 when the switch 4 is closed and the electronic sensor 220 implements the temperature measurement.
  • the injection source 220 does not include a second injection and output terminal for delivering a calibrated correction current.
  • the injection source 220 of a calibrated measurement current comprises a high-voltage fast protection diode 234, connected by its cathode to the injection and injection output terminal 230 to protect the injection source 220 against the application of the high voltage of the DC bus to the electronics of the injection source.
  • the electronic measurement chain 222 comprises a first differential input terminal 272 and a second differential input terminal 274, respectively connected through the first serial connection element 224 and the second serial connection element 226 to the upstream collector terminal 17. of power C and the downstream terminal 19 emitting power E of the junction of the controlled switch 4 whose temperature is measured.
  • the electronic measurement chain 222 comprises a differential voltage amplifier 276, having a first differential input terminal 278 and a second differential input terminal 280 of a differential voltage signal and an output terminal 282, and comprises, connected in the order described and in series from the output terminal 282, an analog / digital converter 286, and a digital processing unit 288.
  • the electronic measuring chain also comprises a first clipping low-voltage diode 290 and a second clipping low-voltage diode 292 respectively connected by a first clipping diode anode 294 and a second clipping diode 296 to a clipping diode 294.
  • the first serial connection element 224 is here a first current limiting resistor equal to K times R ohms with K a number greater than 10 and R the value expressed in ohms of an input resistance 297 of the amplifier differential voltage 276.
  • the first current limiting resistor 224 has a first first element terminal 298, connected to the first input terminal 278 of the differential voltage amplifier 276 and the anode of the first clipping diode 290, and second first element terminal 299, connected to the upstream power collector terminal 17 of the semiconductor junction of the controlled switch 4.
  • the first serial connection element 224 in combination with the first clipping diode 290 isolates the differential amplifier 276 from the high voltage of the DC bus.
  • the first resistor 224 acts as a ballast resistor by limiting the current when the high bus voltage is applied, thereby protecting the first clipping diode 290 connected in parallel with the differential amplifier 276 to the first differential input 278. .
  • the second serial connection element 226 is here a second current limiting resistor, of the same value K.R as that of the first current limiting resistor 224.
  • the second current limiting resistor 226 includes a third second element terminal 300, connected to the second input terminal 280 of the differential voltage amplifier 276 and the anode of the second clipping diode, and a fourth second element terminal 301, connected to the downstream power supply terminal E 19 of the junction of the controlled switch 4.
  • the second serial connection element 226 in combination with the second clipping diode 292 isolates the differential amplifier 276 from the high voltage of the DC bus.
  • the second resistor 226 acts as a ballast resistor by limiting the current when the high bus voltage is applied, which makes it possible to protect the second clipping diode 292 connected in parallel with the differential amplifier 276 in parallel with the second differential input 280. .
  • the first and second limiting resistors incurring 224, 226 are selected and matched according to the criterion that they have substantially identical electrical characteristics as a function of temperature.
  • the limiter resistors are chosen in the same die and the same manufacturing batch.
  • an electronic temperature sensor is configured to measure and monitor the temperature of junction of a switch power electronics of an electronic switching cell of a static converter
  • the electronic sensor comprises an injection source of a calibrated measurement current and a differential voltage amplifier.
  • the injection source of a calibrated measurement current comprises at least one injection and output terminal and is configured to deliver a first calibrated output measurement current to a first injection and output terminal of the at least one minus one injection and output terminal, the first injection and output terminal being intended to be connected to an upstream power terminal of the junction of the electronic switch whose temperature is measured.
  • the injection source of a calibrated measurement current is protected against injection into its first output terminal of a possible power current.
  • the differential voltage amplifier includes a first differential amplifier input terminal and a second differential amplifier input terminal of a differential voltage signal.
  • the differential voltage amplifier does not support, in terms of the level of electrical current injected at the input, a high electrical power.
  • the electronic temperature sensor includes a first serial connection element and a second serial connection element for protecting the differential voltage amplifier against a high voltage of the DC bus.
  • the first serial connection element has a first first element terminal connected to the first differential input terminal of the differential voltage amplifier and a second first element terminal connected to the upstream power terminal of the semiconductor junction of which the temperature is measured.
  • the second serial connection element comprises a third terminal of a second serial connection element connected to the second differential input terminal of the differential voltage amplifier and a fourth terminal of second element connected to a power down terminal of the semi junction. - conductor whose temperature is measured.
  • the first and second series connection elements have essentially identical electrical characteristics and are included in the assembly formed by the resistances and the high voltage fast diodes (HT).
  • a method 302 for measuring the temperature of a semiconductor junction of a controlled electronic switch 4 is implemented by an electronic temperature sensor as defined in FIGS. 1 and 2. , and comprises a set of steps 304, 306, 308, and 310.
  • a first step 304 for preparing the measurement of the temperature of the power junction, the tested switch, the parasitic currents generated by possible sources of parasitic current that can pass through the junction of the power of the switch tested in temperature when the switch is on, have been canceled or minimized, and the tested switch is controlled in the open state, which corresponds to a high impedance value of the power junction placed in this state.
  • Step 304 is consecutive to a service phase during which the electronic switch to be measured has been nominally active and has reached its maximum operating operating temperature.
  • a second step 306 from a first instant t1 of receiving an injection start command of a calibrated measurement current, the temperature-tested switch is closed by a command to restore the state low impedance conduction of the power junction whose actual temperature is sought. All other switches are controlled in the off state.
  • the parasitic currents generated by the voltage sources of the motor that can pass through the power junction of the tested switch are kept nil or minimal by means of a particular synchronization between the measuring sequence of the sensor and the position of the rotor of the motor (angle of phase), and for a first predetermined duration
  • a calibrated measurement current of small value for example equal to 200 mA, is injected directly by the injection source in the semiconductor junction of the electronic switch tested and placed in the closed state.
  • a third step 308 starting from a second instant t2, starting measurement by the measurement chain, subsequent to and separated from the first instant t1 by a second duration At2 less than the first duration At1, the evolution of the voltage VCE (T) is measured across the semiconductor junction of the switch tested by the differential voltage amplifier for a third duration At3 less than the difference between At1 and At2.
  • a fourth step 310 following the third step 308, the differential temperature ⁇ of the junction is deduced from the evolution of the measured voltage AVCE (T) and a predetermined characteristic curve of conversion between the voltage VCE and the temperature predetermined.
  • This curve makes it possible to extract the coefficient of sensitivity.
  • the voltage change is defined by the difference between the measurement of hot VCE at temperature T and the measurement of VCE at a reference temperature Tref.
  • an electrical power system 402 implementing at least one electronic temperature sensor described in FIG. 1 or FIG. 2, comprises a power supply bus 404, a static power converter 406 powered by the bus. power supply 404, and an electrical load 408, powered by the static converter 406.
  • the power supply bus 404 is connected to a DC voltage source 410 and supplies a DC voltage designated Vdc to the static converter.
  • the static converter 406 is here a three-phase inverter having two input terminals 412, 414 respectively of a first polarity and a second polarity, connected to the power supply bus 404, and three phase output terminals 416, 418 , 420 connected to the electrical load 408.
  • the electrical load 408 is here a three-phase synchronous motor with permanent magnets with smooth poles which drives a fan not shown in FIG. 4.
  • the synchronous motor 408 has three input terminals 426, 428, 430, respectively connected to the phase output terminals 416, 418, 420.
  • the three-phase synchronous motor 408 comprises three Hall effect sensors 436, 438, 440 distributed electrically at 120 degrees around the rotor (not shown in FIG. 4) to acquire the position of the rotor.
  • the inverter 406 conventionally comprises three switching arms 456, 458, 460, connected in parallel on the power bus 404 through the input terminals 412, 414, and a control unit 462 of the three switching arms 456, 458, 460.
  • the first switching arm 456 comprises a first switch 466 and a second switch 467, connected in series with each other to the phase terminal 416 forming a first midpoint, respectively connected to the first polarity terminal 412 and the second polarity terminal 414.
  • polarity of the power bus 404 and designated respectively by T1 and B1.
  • the second switching arm 458 comprises a third switch 468 and a second switch 469 connected in series with each other to the phase terminal 418 forming a second midpoint respectively connected to the first-polarity terminal 412 and the second-terminal 414.
  • polarity of the power bus 404 and designated respectively by T2 and B2.
  • the first switching arm 460 comprises a fifth switch 470 and a second switch 471 connected in series with each other to the phase terminal 420 forming a third midpoint respectively connected to the first polarity terminal 412 and at the second polarity terminal 414 of the power bus 404, and designated respectively as T3 and B3.
  • the control unit 462 is a PWM unit, that is to say Control Pulse Width Modulation, and of type 120 degrees, which means that each switch is active for 120 electrical degrees.
  • the switching frequency is here equal to 20 kHz.
  • the switches T1, B1, T2, B2, T3, B3 are controlled according to the pulse width modulated duty cycle and the rotor position of the synchronous motor given by the Hall effect sensors 436, 438, 440.
  • the control of the switch T1 is a pulse train modulated in width
  • the switch B2 is controlled in the on state that is to say low impedance
  • the remaining switches T2, T2 , B1, B3 being controlled in the open state, that is to say high impedance.
  • a succession of control periods 522, 524, 526, 528, 530 can be read and characterized respectively by the codes T1 B3 * , T2 * B3, T2B1 * , T3 * B1, T3B2 * , a code representing in a given period all switches that are not permanently controlled during the control period in the unopened state, a PWM controlled switch with an asterisk suffix and a switch controlled in the closed state throughout the control period no asterisk.
  • the controlled switches are IGBT type transistors (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • a controlled electronic switch for which the invention is applicable is a semiconductor electronic element comprised in the assembly formed by the thyristors, the IGBT type transistors (Insulated Gate Bipolar Transistor), the MOS type transistor. (Metal Oxide Silicon Transistor), and the GTOs (Turn Turn Off Transistor).
  • the static converter 406 of Figure 4 comprises an electronic temperature sensor 602 according to the invention for measuring the power junction temperature of the switch T1, referred to herein as 604.
  • the electronic temperature sensor 602 is associated in its own right and connected to the controlled electronic switch T1 of the static converter 406.
  • the semiconductor power junction 604 of the electronic switch T1 has a low impedance when the switch is controlled in an on state and a high impedance when the switch is controlled in an on state, and
  • the electronic switch T1 here comprises an upstream power collecting terminal 606 C and a downstream terminal 608 power E of said semiconductor junction 604 of the electronic switch T1 whose temperature is measured.
  • the first injection and output terminal of the sensor injection source referred to herein as 612, is connected to the upstream power collection terminal 606 C of the semiconductor junction 604.
  • the first first element terminal, referred to herein as 614, of the first serial connection element of the sensor 602, is connected to the upstream power collection terminal 606 C of the semiconductor junction 604.
  • the fourth second element terminal, referred to herein as 614, of the second serial connecting element of the sensor 602, is connected to the power emitter downstream terminal 608 E of the semiconductor junction 604.
  • a first reading 702 and a second reading 703 of the time evolution, before the temperature measurement and during the electronic temperature measurement phase of the power junction 604 described in FIG. 6, of the PWM command of the first switch T1, the evolution of the injection window control delivered by the electronic sensor 602, the evolution of the phase current of the motor delivered to the midpoint of the switching arm corresponding to the switch T1, comprises respectively associated a first curve 704, a second curve 706, and a third curve 708.
  • time phases can be distinguished on the readings 702 and 703 by means of a first vertical line 712, a second vertical line 714, a third vertical line 716, all three drawn in dotted lines and serving respectively as time markers ts1, ts2, ts3.
  • a first phase 722 preceding the instant ts1 the switch T1 is controlled in PWM mode, and at the same time, the switch B2 is controlled in the closed state, the remaining switches T2, T2, B1, B3 being controlled in the open state. This corresponds to the first operating period 520 of the converter described in FIG. 5.
  • a second phase 724 between the times ts1 and ts2, all the electronic switches T1, T2, T3, B1, B2, B3 are set to the open state to cancel the current by the power bus 404.
  • the injection source injects a calibrated measurement current of low intensity, here equal to 200 mA, into the power junction of the measured switch T1, here an IGBT transistor.
  • the voltage VCE is measured between the upstream terminal and the downstream terminal of the junction of the switch T1 and the temperature of the junction is deduced from the measurement of the voltage Vce.
  • a fourth phase 728 starting from time ts3 the nominal operating speed of the inverter is restored by leaving the switch T1 closed in a first step, by modulating the switch B3 in PWM, and leaving the switches T2, T3, B1, B2 open, which corresponds to the second period described in Figure 4, and continuing the sequence of commands of the control unit as described in Figure 4.
  • the leakage current of the freewheeling diodes is of the order of mA, that is to say negligible compared to the static injection current.
  • the six IGBTs are provided in a dedicated manner with a temperature sensor according to the invention, the six switches can be tested. successively on the same electric period.
  • the minimum time allowed for the measurement is set by the maximum speed of the inverter. When the maximum speed is for example equal to 17000 rpm, this gives a sequence time of 196 ⁇ , sizing for the realization of the injection source of the measuring current.
  • a method 802 for measuring the temperature of a semiconductor power junction of a temperature-controlled controlled electronic switch, and integrated in a static converter, is implemented by a sensor.
  • electronic temperature dedicated in itself and described in Figures 1 and 2.
  • the static converter in which is integrated the electronic switch tested in temperature, is part of an electric power system.
  • the electrical power system comprises a power supply bus, a static power converter powered by the power supply bus, and an electric load fed by the static converter output of the converter.
  • the static converter comprises an assembly formed of an integer number of switching cells, arranged according to a predetermined structure and powered by the power supply bus.
  • Each switching cell is formed of a unique and different pair of controlled electronic switches.
  • One of the cells includes the electronic switch controlled and temperature tested.
  • the semiconductor power junction of the measured temperature electronic switch has a low impedance when the switch is controlled in an on state and a high impedance when the switch is controlled in an on state, and
  • the semiconductor junction of the electronic switch whose temperature is measured comprises an upstream power collecting terminal and a downstream power emitting terminal.
  • the first injection and output output terminal of the injection source of the electronic sensor is connected to the upstream terminal transmitting power of the junction
  • the second first element terminal of the first element of the electronic temperature sensor is connected to the upstream power collection terminal C of the junction
  • the fourth second-element terminal of the electronic temperature sensor is connected to the downstream power-emitting terminal E of the power junction.
  • the measurement method 802 of the temperature of the switch to be measured in temperature comprises a set of steps 804, 806, 808, 810, and 812.
  • a supply voltage being applied to the static converter the controlled switches of the converter including the switch that will be measured in temperature are controlled according to a first nominal control service sequence of the static converter.
  • a second step 806 for preparing the electronic temperature measurement of the power junction of the switch to be tested, all the electronic power switches that are capable of passing parasitic currents through the switch to be measured.
  • Electronically in temperature and the switch to be measured electronically in temperature are controlled in opening during a duration of initialization.
  • the parasitic currents are the currents of the motor in rated speed which must be canceled before starting the measurement, negligible leakage currents remaining thereafter.
  • step 806 all the controlled electronic switches of the static converter are controlled in opening during an initialization period.
  • the preparation step 806 is subsequent to the service duty stage 804 during which the switch to be measured has been active and has reached its maximum operating operating temperature and has continued to operate very little.
  • a third step 808 following, from a first instant t1 of receiving a start command injection of a calibrated measurement current, the electronic switch to be tested in temperature is closed by a command to restore the conduction state of the power junction whose actual temperature is sought, and the parasitic currents generated by the possible parasitic current sources that can pass through the power junction of the tested switch are kept nil or minimal, by maintaining the opening electronic switches allowing said cancellation or minimization.
  • a calibrated measurement current of small value for example equal to 200 mA, is injected directly by the source. injection into the semiconductor junction of the tested electronic switch and placed in the closed state.
  • a fourth step 810 from a second instant t2, start of the measurement by the measurement chain, separated from the first time t1 by a second duration ⁇ 2 less than the first duration, the evolution of the voltage VCE (T) is measured across the junction by the differential voltage amplifier for a third duration At3 less than the difference between At1 and At2.
  • a fifth step 812 following the fourth step 810, the temperature ⁇ of the junction is deduced from the evolution of the measured voltage AVCE (T) and a predetermined characteristic curve of conversion between the voltage VCE and the predetermined temperature. .
  • This curve makes it possible to extract the coefficient of sensitivity.
  • the voltage change is defined by the difference between the measurement of hot VCE at temperature T and the measurement of VCE at a reference temperature Tref.
  • the evolution of the temperature is defined by the difference between the desired temperature T and the reference temperature Tref. For example, considering a constant sensitivity factor, it comes:
  • T Tref. + (VCE (T) -VCE (Tref)) / thermal sensitivity factor.
  • the temperature measurement method comprises a step of restoring the nominal operation of the converter by restoring the nominal command sequence of the converter switches in synchronism with the electrical response of the load.

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Abstract

Un capteur électronique de température pour mesurer la température de jonction d'un interrupteur électronique (4) de puissance d'un convertisseur statique (8) comprend une source d'injection d'un courant de mesure calibré (20) et un amplificateur de mesure d'une tension différentielle (76; 276). Le capteur électronique comprend un premier élément de connexion série (26) et un deuxième élément de connexion série (28) connectés respectivement aux bornes d'entrée (78, 80) de l'amplificateur de tension différentielle (76; 276). Les premier et deuxième éléments de connexion série (26, 28; 224, 226) sont configurés pour protéger l'amplificateur contre une tension élevée, ont des caractéristiques électriques essentiellement identiques, et sont compris dans l'ensemble formé par les résistances et les diodes rapides haute tension (HT).

Description

Capteur électronique de température pour mesurer la température de jonction d'un interrupteur électronique de puissance en fonctionnement et procède de mesure de la température de la jonction par ce capteur électronique
La présente invention concerne un capteur électronique de température destiné à mesurer la température de jonction d'un interrupteur électronique de puissance en fonctionnement et un procédé de mesure de la température de la jonction par le capteur électronique avec un court temps de réponse.
Les mesures directes de température des interrupteurs électroniques commandés, intégrés dans des convertisseurs statiques, eux-mêmes intégrés dans des systèmes électriques de puissance, sont délicates à réaliser car très intrusives en raison de la petite dimension de ces composants encapsulés et mettant en jeu de tensions électriques élevées.
L'utilisation de sondes thermocouples ou thermosensibles d'une manière générale en tant que capteurs de température dans de tels systèmes électriques est connue.
Toutefois, même s'il existe des solutions opérationnelles d'isolation électrique de ces sondes thermocouples, électriquement conductrices, le temps de réponse de ce type de capteur de température, c'est-à-dire la résolution temporelle des sondes thermocouples reste à la dizaine de millisecondes, ce qui confine l'utilisation des thermocouples à des conditions d'équilibre thermique.
Les détecteurs de rayonnement thermique, comme par exemple des caméras sensibles au rayonnement infrarouge, pallient à cet inconvénient, car ils possèdent des temps de réponse plus rapides et peuvent mesurer des variations de température avec une résolution temporelle inférieure à 1 ms.
Toutefois ces détecteurs de rayonnement thermique requièrent un champ de vue sur l'objet mesuré exempt de masquage, ce qui n'est pas possible d'ordinaire sur les modules de puissance. En effet, les techniques classiques d'encapsulation ne permettent pas de disposer en général d'une visibilité du module sans obstacle et ce type de détecteur ne peut être intégré à un boîtier de composant.
Une solution permettant de remédier aux inconvénients décrits ci-dessus consiste dans le principe à utiliser la puce de puissance elle-même en tant que capteur électronique de température, de sorte que la mesure de température peut être effectuée avec des modules de séries calibrées sans endommager l'encapsulation.
Dans le principe, tout paramètre électrique dépendant de la température d'une puce de puissance, c'est-à-dire un interrupteur électronique commandé comme par exemple un transistor IGBT (en anglais Inverse Gâte Bipolar Transistor), peut être exploité pour une mesure électronique de la température de jonction. L'exploitation de l'évolution en fonction de la température de la chute de tension de la jonction semi-conductrice en conduction directe, mesurée entre les deux électrodes principales (anode-cathode ou drain-source ou bien encore collecteur-émetteur) de puissance) de puissance de l'interrupteur électronique, comme par exemple une jonction silicium (cas d'un composant bipolaire) ou d'une région ohmique (cas d'un composant à effet de champ), revêt le plus d'intérêt car elle tire avantage d'une réponse en température la plupart du temps sensiblement linéaire sur une large bande de température.
Pour les composants bipolaires, l'exploitation de l'évolution en fonction de la température notée T de la tension de diffusion VCE(T) à faible courant est connue pour déterminer la température d'une jonction à semi-conducteur sans avoir besoin de capteur direct de température supplémentaire. Elle est décrite par exemple dans l'article de Scheuermann et al., intitulé « Investigations on the VCE(T) - Method to détermine the junction température by using the chip itself as sensor » publié dans Proceedings PCIM Europe 2009 Conférence, pages 802 à 807.
Par exemple, la pente de la caractéristique en température de la tension de diffusion est d'environ -2 mV/K pour un courant de mesure d'injection de 200 mA injecté dans des puces IGBTs actuelles.
Afin d'avoir une bonne précision de la température de jonction, il faut trouver le juste compromis quant au choix du courant de mesure qui ne doit pas induire une chute de tension ohmique et d'autoéchauffement de la puce mais qui doit être suffisant pour préserver une bonne immunité aux parasites.
Une des difficultés de cette technique de mesure électronique indirecte de température réside dans la mesure précise et rapide d'une faible chute de tension aux bornes d'un interrupteur électronique commandé, par exemple aux bornes d'un IGBT, fonctionnant en service nominal dans une cellule de commutation sous une tension élevée, par exemple quelques dizaines ou quelques centaines de volts, avec des courants commutés d'au moins quelques ampères voire quelques centaines d'ampères.
Un premier mode de réalisation d'un capteur électronique de température mettant en ouvre œuvre la technique VCE(T) est décrit dans l'article de Amgad RASHED et al., intitulé «Caractérisation automatique de modules IGBTs placés dans un processus de vieillissement par cyclage thermique » et présenté au congrès d'électronique de puissance du futur, Bordeaux 2012.
Le capteur électronique de température décrit dans cet article, et associé en propre à un interrupteur IGBT d'une cellule de commutation d'un onduleur à deux phases, comporte un circuit de mesure VCE connecté aux bornes de puissance du transistor IGBT et une source de courant d'injection d'un courant de mesure de 100 mA, réalisée sous la forme d'une simple résistance ballast, donc dépendante de la tension d'alimentation.
Le circuit de mesure de VCE est constitué d'un écrêteur de tension pour limiter la tension vue par le circuit de mesure lorsque le transistor testé est bloqué et d'un convertisseur tension-courant.
Un deuxième mode de réalisation d'un capteur électronique de température mettant en œuvre la technique VCE(T) est décrit dans l'article de D. Bergogne et al., intitulé « An estimation method of the channel température of power MOS devices », publié dans Power Electronics Specialists Conférence, 2000, PESC 00, 2000 IEEE 31 st , vol.3, pp. 1594-1599.
Le problème technique est de simplifier la structure du capteur électronique de température, notamment le circuit de mesure VCE, en termes de d'absence de composants actifs haute tension, et de rendre la structure indépendante du niveau de tension d'alimentation.
Un problème technique connexe est d'améliorer la fiabilité du capteur électronique de température.
A cet effet, l'invention a pour objet un capteur électronique de température pour mesurer la température de jonction d'un interrupteur électronique de puissance commandé d'une cellule de commutation électronique d'un convertisseur statique comprenant :
- une source d'injection d'un courant de mesure calibré et un amplificateur de mesure d'une tension différentielle,
- la source d'injection d'un courant de mesure calibré ayant au moins une borne d'injection et de sortie et étant configurée pour délivrer un premier courant de mesure calibré de sortie en une première borne d'injection et de sortie parmi l'au moins une borne de sortie, la première borne de sortie étant destinée à être connectée à une borne amont de puissance de la jonction de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée,
- l'amplificateur de tension différentielle ayant une première borne d'entrée différentielle d'amplificateur et une deuxième borne d'entrée différentielle d'amplificateur d'un signal de tension différentielle,
caractérisé en ce qu'il comprend
un premier élément de connexion série et de protection contre une haute tension ayant une première borne de premier élément connectée à la première borne d'entrée différentielle de l'amplificateur de tension différentielle et une deuxième borne de premier élément connectée à la borne amont de puissance de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée,
un deuxième élément de connexion série et de protection contre une haute tension, ayant une troisième borne de deuxième élément connectée à la deuxième borne d'entrée différentielle de l'amplificateur de tension différentielle, et une quatrième borne de deuxième élément connectée à l'une borne aval de puissance de la jonction semi- conductrice de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée,
les premier et deuxième éléments de connexion série ayant des caractéristiques électriques essentiellement identiques et étant compris dans l'ensemble formé par les résistances et les diodes rapide haute tension.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le capteur électronique de température comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le premier élément de connection série est une première diode rapide d'isolement haute tension, connectée par son anode au travers de la première borne de premier élément à la première borne d'entrée différentielle de l'amplificateur de tension différentielle,
- le deuxième élément de connexion série est une deuxième diode rapide d'isolement haute tension, connectée par son anode au travers de la troisième borne de deuxième élément à la deuxième borne d'entrée différentielle de l'amplificateur de tension différentielle, et
- la source d'injection est configurée pour délivrer un deuxième courant de correction calibré en une deuxième borne d'injection et de sortie, la deuxième borne d'injection et de sortie étant connectée à la borne aval de puissance de la jonction de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée, et
- la source d'injection est configurée pour réguler à une même valeur de courant les première et deuxième diodes rapides d'isolement, de sorte que les chutes de tension aux bornes des première et deuxième diodes sont identiques ;
- la première diode rapide d'isolement haute tension est connectée par sa cathode au travers de la deuxième borne de premier élément à la première borne d'injection et de sortie en faisant partie de la source d'injection pour isoler et protéger en haute tension la source d'injection ;
- la deuxième diode rapide d'isolement haute tension est connectée par sa cathode au travers de la quatrième borne de deuxième élément à la deuxième borne d'injection et de sortie en faisant partie de la source d'injection pour isoler et protéger en haute tension la source d'injection ; - le capteur comporte une première diode basse tension d'écrêtage et une deuxième diode basse tension d'écrêtage branchées respectivement par une première anode de diode d'écrêtage et une deuxième anode d'écrêtage à la première entrée différentielle et la deuxième entrée différentielle de l'amplificateur de tension différentielle pour protéger en tension l'amplificateur de tension différentielle,
et dans lequel
la source d'injection possède une seule première borne d'injection et de sortie pour délivrer le courant de mesure calibré dans la borne amont de puissance de la jonction de l'interrupteur électronique, et comporte une diode de protection rapide haute tension, la diode de protection étant distincte du premier élément de connexion série et du deuxième élément de connexion série, et étant connectée par sa cathode à la première borne d'injection et de sortie,
le premier élément de connexion série et le deuxième élément de connexion série sont deux première et deuxième résistances électriques connectées respectivement en parallèle aux première et deuxième diodes d'écrêtage pour protéger les diodes d'écrêtage en courant et l'amplificateur de tension différentielle,
les première et deuxième résistances électriques ayant sensiblement la même valeur de résistance ; et
- la source d'injection comporte un interrupteur commandé d'inhibition de l'injection du premier courant de mesure calibré pour réduire la consommation du capteur lorsque la mesure de température n'est pas effectuée.
L'invention a également pour objet un convertisseur statique comprenant un ensemble d'interrupteurs électroniques commandés et un capteur électronique de température tel que défini ci-dessus, le capteur électronique étant associé en propre et connecté à un unique interrupteur électronique commandé de l'ensemble, dans lequel l'interrupteur électronique comporte une jonction semi-conductrice de puissance qui présente une faible impédance lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant et une impédance élevée lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant, et
l'interrupteur électronique comporte une borne amont collectrice de puissance C et une borne aval émettrice de puissance émettrice E de ladite jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée,
la première borne d'injection et d sortie de la source d'injection est connectée à la borne amont collectrice de puissance de la jonction,
la deuxième borne de premier élément est connectée à la borne amont collectrice
C de la jonction, et la quatrième borne de deuxième élément est connectée à la borne aval émettrice E de la jonction.
L'invention a également pour objet un système électrique de puissance comprenant
un bus d'alimentation électrique,
un convertisseur de puissance statique, tel que défini ci-dessus, et alimenté par le bus d'alimentation électrique, et
une charge électrique alimentée par le convertisseur statique en sortie du convertisseur,
le convertisseur statique comprenant un ensemble d'un nombre entier de cellules de commutation distinctes arrangées selon une structure prédéterminée et alimentées par le bus d'alimentation électrique, et
chaque cellule de commutation étant formée d'une paire associée d'interrupteurs électroniques commandés.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le système électrique comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le bus d'alimentation électrique est une source de courant de tension continue,
- le convertisseur statique est un onduleur polyphasé ayant un nombre p de phases, connecté en entrée au et alimenté par le bus d'alimentation électrique, le nombre p de phases étant supérieur ou égal à 2, et
- la charge alimentée par et connectée au convertisseur statique polyphasé étant un moteur synchrone ou asynchrone ayant le même nombre de phases p que le convertisseur statique.
L'invention a également pour objet un procédé de mise en œuvre du capteur électronique de température tel que défini ci-dessus,
comprenant les étapes consistant à :
dans une première étape, préparer la mesure de température de la jonction de puissance l'interrupteur testé, en commandant l'interrupteur à mesurer en température à l'état ouvert à l'état passant et en bloquant les interrupteurs restants de manière à annuler ou minimiser les courants parasites générés par des sources possibles de courants parasites pouvant traverser la jonction de puissance de l'interrupteur testé en température mis à l'état passant, et à synchroniser l'injection du courant de mesure sur une séquence de commande particulière des interrupteurs,
puis dans une deuxième étape, à partir d'un premier instant t1 de réception d'une commande de démarrage d'injection d'un courant de mesure calibré conditionnée par la détection de l'annulation du courant traversé l'interrupteur testé, à fermer par une commande l'interrupteur testé en température pour rétablir l'état de conduction à faible impédance de la jonction de puissance dont la température réelle est recherchée, les courants parasites générés par les tensions de moteur pouvant traverser la jonction de puissance de l'interrupteur testé étant maintenus minimaux ou négligeables flm, et pendant une première durée prédéterminée At1 à injecter un courant de mesure calibré par la source d'injection dans la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique testé et placé dans l'état fermé, et
dans une troisième étape, à partir d'un deuxième instant t2, de démarrage de la mesure par la chaîne de mesure, postérieur à et séparé du premier instant t1 par une deuxième durée At2 inférieure à la première durée At1 , à mesurer l'évolution de la tension VCE(T) mesurée aux bornes de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur testé par l'amplificateur de tension différentielle pendant une troisième durée At3 inférieure à la différence entre At1 et At2, puis
dans une quatrième étape, consécutive à la troisième étape, à déduire la température ΔΤ de la jonction à partir de l'évolution de la tension AVCE(T) mesurée et d'une courbe caractéristique prédéterminée de conversion entre la tension VCE et la température prédéterminée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de plusieurs modes de réalisation qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur le lesquels :
La Figure 1 est une vue d'un premier mode de réalisation d'un capteur électronique pour mesurer la température selon l'invention à une source d'injection de courants, implanté dans un convertisseur statique de puissance ayant une structure quelconque ;
La Figure 2 est une vue d'un deuxième mode de réalisation d'un capteur électronique pour mesurer la température selon l'invention à une source d'injection d'un unique courant implanté dans un convertisseur statique de puissance ayant une structure quelconque ;
La Figure 3 est un ordinogramme d'un procédé de mise en œuvre des capteurs thermique des Figures 1 et 2 ;
La Figure 4 est une vue de l'architecture d'un exemple de système électrique comportant un convertisseur statique, couplé à une charge et mettant en œuvre au moins un des capteurs thermiques de la Figure 1 et/ou de la Figure 3 ;
La Figure 5 est un ensemble de six chronogrammes décrivant l'évolution temporelle des commandes des interrupteurs du convertisseur statique de la Figure 4 piloté en service nominal ; La Figure 6 est une vue du convertisseur statique de la Figure 4 décrivant l'implantation d'un capteur électronique de température tel que décrit dans les Figures 1 et 2 sur un interrupteur électronique du convertisseur statique ;
La Figure 7 est un ensemble d'un premier relevé et d'un deuxième relevé suivant chacun trois courbes de l'évolution temporelle de la commande MLI (Modulation à Largeur d'Impulsion) du premier interrupteur T1 , de l'évolution du courant d'injection délivré par le capteur électronique de température, de l'évolution du courant de phase du moteur délivré au point milieu du bras de commutation correspondant à l'interrupteur T1 . Le premier relevé correspond à une large fenêtre temporelle englobant une première phase précédent la mesure électronique de température, une deuxième phase de mesure électronique de température de la jonction de puissance décrite à la Figure 6, et une troisième phase succédant à la mesure électronique de température. Le deuxième relevé est un agrandissement de dix fois le premier relevé centré sur la deuxième phase de la mesure électronique de température ;
La Figure 8 est un ordinogramme d'un procédé général de mesure de la température d'au moins un interrupteur électronique d'un convertisseur statique de puissance de structure quelconque.
Suivant la Figure 1 , un capteur électronique de température 2 selon l'invention est configuré pour mesurer et surveiller la température de jonction d'un interrupteur électronique de puissance 4 commandé d'une cellule de commutation électronique 6 d'un convertisseur statique 8.
Ici, une seule cellule de commutation 6 est représentée, le convertisseur statique pouvant en comporter plusieurs.
La cellule de commutation 6 comprend comme premier interrupteur, l'interrupteur électronique de puissance 4, et un deuxième interrupteur électronique 10 commandé, les premier et deuxième interrupteurs électroniques commandés 4, 10 étant reliés entre eux en série par un point milieu 12.
Les premier et deuxième interrupteurs 4, 10 comprennent chacun une diode de roue libre 14, 16, unique et différente, montée en antiparallèle.
Le circuit série 6 ainsi formé est branché entre une source ou bus de tension, ici la source 14 représentée par la tension Vbus, et connecté à une source de courant 16 formant une charge au travers du point milieu 12.
Les premier et deuxième interrupteurs électroniques commandés 4, 10 sont a priori quelconques en terme de technologie et sur le plan de la commande, les premier et deuxième interrupteurs 4, 10 de la cellule de commutation 6 ne peuvent pas être fermés simultanément, c'est-à-dire conducteurs en même temps sous peine de court circuit de la source de tension.
Ici, le premier interrupteur électronique 4 dont la température est mesurée est un transistor de type IGBT qui comprend une première borne amont 17 formant ici une anode et une deuxième borne aval 19 formant ici une cathode correspondant respectivement à la borne, désignée par C sur la Figure 1 , collectrice de puissance et à la borne, désignée par E sur la Figure 1 , émettrice de puissance de la jonction semi- conductrice du transistor IGBT de puissance 4.
Le capteur électronique 2 est dédié exclusivement à la mesure de température du premier interrupteur électronique 4 de puissance commandé.
Le capteur électronique 2 comprend une source d'injection 20 d'un courant de mesure calibré, une chaîne de mesure électronique 22 de la température de la jonction à entrée différentielles 23, 24, un premier élément de connexion série 26 et un deuxième élément de connexion série 28, branchés respectivement en série entre la première borne amont 17 et la première entrée différentielle 23, et entre la deuxième borne aval 19 et la deuxième entrée différentielle 24, et configurés pour protéger la chaîne de mesure électronique 22 lorsque de la haute tension est appliquée par le bus continu DC 14.
La source d'injection 20 d'un courant de mesure calibré comporte une première borne de sortie 30, et une deuxième borne de sortie 32.
La source d'injection 20 d'un courant de mesure calibré est configurée pour délivrer un premier courant de mesure calibré d'injection à la première borne d'injection et de sortie 30, la première borne d'injection et de sortie 30 étant connectée à la borne amont 16 collectrice de puissance C de la jonction de l'interrupteur IGBT 4 dont la température est mesurée. Le premier courant de mesure calibré est le courant effectif traversant la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique commandé 4 lorsque l'interrupteur est fermé et que le capteur électronique met en œuvre la mesure de température.
La source d'injection 20 d'un courant de mesure calibré est configurée également pour délivrer un deuxième courant de correction calibré à la deuxième borne de sortie 32, la deuxième borne de sortie 32 étant connectée à la borne aval 18 émettrice de puissance E de la jonction du premier interrupteur 4 dont la température est mesurée.
La source d'injection 20 d'un courant de mesure calibré est protégée en tension haute HT, ici par les premier et deuxième éléments de connexion série 26, 28.
Ici, la source d'injection 20 comprend une source de tension d'alimentation 40 ayant une borne de sortie 42, une première voie 44 d'élaboration et de délivrance du premier courant de mesure calibré en la première borne d'injection de sortie 30, et une deuxième voie 46 d'élaboration et de délivrance du deuxième courant de correction calibré en la deuxième borne de sortie 30
La première voie 44 comprend, reliés dans l'ordre décrit et en série depuis la borne de sortie 42 de source de tension 40 jusqu'à la première borne d'injection et de sortie 30 de la source d'injection 20, un premier régulateur de courant 52, un premier élément de réglage 54 du courant régulé de sortie du premier régulateur, un premier interrupteur 56 commandé d'inhibition de l'injection du premier courant de mesure et le premier élément de connexion série 26 pour réduire la consommation du capteur lorsque la mesure de température n'est pas effectuée.
La deuxième voie 46 comprend, reliés dans l'ordre décrit et en série depuis la borne de sortie 42 de source de tension 40 jusqu'à la deuxième borne d'injection et de sortie 32 de la source d'injection 20, un deuxième régulateur de courant 62, un deuxième élément de réglage 64 du courant régulé de sortie du deuxième régulateur 62, un deuxième interrupteur 66 commandé, d'inhibition de l'injection du premier courant de mesure et le deuxième élément de connexion série 28 pour réduire la consommation du capteur lorsque la mesure de température n'est pas effectuée.
Les premier et deuxième éléments de réglage 54, 64, ici des résistances ajustables, sont ajustés de sorte que le courant de mesure calibré fourni par la première voie 44 et le courant de correction fourni par la deuxième voie 46 soient sensiblement égaux voir égaux. Ici, par exemple la valeur du courant de mesure calibré est prise égale à 200 mA pour le type de transistor IGBT utilisé.
La chaîne de mesure électronique 22 comprend la première borne d'entrée différentielle 23 et la deuxième borne d'entrée différentielle 24,, connectées respectivement à la borne amont 17 collectrice de puissance C et à la borne aval 19 émettrice de puissance E de la jonction de l'interrupteur 4 dont la température est mesurée au travers du premier élément de connexion série 26 et du deuxième élément de connexion de série 28.
La chaîne de mesure électronique 22 comporte un amplificateur de tension différentielle 76, ayant une première borne d'entrée différentielle 78 et une deuxième borne d'entrée différentielle 80 d'un signal de tension différentielle et une borne de sortie 82, et comporte, reliés dans l'ordre décrit et en série depuis la borne de sortie 82, un étage d'adaptation 84 à un convertisseur analogique/numérique, un convertisseur analogique/numérique 86, une unité d'acquisition et de transmission 88 avec isolation galvanique du signal numérique échantillonné par le convertisseur analogique/numérique 86, et une unité de traitement numérique 90. Le premier élément de connexion série 26 est ici une première diode rapide à haut tension (HT) qui isole et protège en tension haute l'amplificateur de tension différentielle 76. lorsque la haute tension du bus DC est appliquée à l'électronique du capteur.
La première diode rapide haute tension 26 possède en son anode une première borne 90 de premier élément qui est connectée à la première borne d'entrée de l'amplificateur de tension différentielle 76 et ici fait partie de la source de courant de mesure 20.
La première diode rapide haute tension 26 possède en sa cathode une deuxième borne 92 de premier élément qui est connectée à la borne amont 17 collectrice de puissance C de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur.
Le deuxième élément de connexion série 28 est ici une deuxième diode rapide à haute (HT) qui isole et protège en tension haute l'amplificateur de tension différentielle 76 lorsque la haute tension du bus DC est appliquée à l'électronique du capteur.
La deuxième diode rapide haute tension 28 possède en son anode une troisième borne 94 de deuxième élément qui est connectée à la deuxième borne d'entrée 80 de l'amplificateur de tension différentielle 76 et ici fait partie de la source de courant de mesure 20.
La deuxième diode rapide haute tension 28 possède en sa cathode une quatrième borne 96 de deuxième élément, qui est ici connectée à la borne aval 19 émettrice de puissance E de la jonction de l'interrupteur commandé 4.
Les première et deuxième diodes rapides haute tension 24, 26 sont sélectionnées et appariées selon le critère qu'elles possèdent des caractéristiques électriques essentiellement identiques en fonction de la température.
Par exemple, les diodes 24, 26 sont choisies dans une même filière et un même lot de fabrication.
De préférence, les diodes 24, 26 sont implantées sur des emplacements voisins d'un même substrat et présentant la même température.
Avec une telle structure de capteur, le courant de mesure calibré injecté à la borne amont 17 de la jonction de l'interrupteur 4 est le courant de mesure effectif traversant la jonction de l'interrupteur 4 dont la température est mesurée.
De même, la tension différentielle prélevée aux bornes de l'amplificateur de gain, est la tension différentielle effective VCE présentée aux bornes de la jonction de puissance de l'interrupteur 4 dont la température est mesurée lorsque le courant de mesure calibré traverse la jonction de l'interrupteur 4. En effet, la tension différentielle prélevée aux bornes de l'amplificateur de gain est notée et égale à VPM+ - VPM-, et vérifie la relation suivante :
vPM+ -vPM_ =vDl +vCE -vD2
dans lequel Vm désigne la chute de tension de la première diode 24 etVD2 désigne la chute de tension de la deuxième diode 26 lorsque les première et deuxième diodes 24, 26 sont traversées respectivement par le courant de mesure et le courant de correction dérivés de la même source et calibrés à la même valeur,
Ce qui donne :
y _ y ~ y
v PM + v PM- v CE
Puisque les diodes ont des caractéristiques électriques identiques, elles sont soumises aux mêmes fluctuations de température et alimentés en entrée par des courants sensiblement identique et corrélés.
Ainsi le bruit de mesure intrinsèque généré par les diodes est diminué et la sensibilité de la mesure augmentée.
En outre, cette structure est plus simple et plus fiable puisque les diodes rapides à haute tension sont de simples composants passifs dipolaires.
Avantageusement, les interrupteurs d'inhibition permettent d'économiser de l'énergie électrique en désactivant la source d'injection du courant de mesure pendant les périodes de fonctionnement nominal de l'interrupteur 4 hors des périodes de mesure.
Suivant la Figure 2, un deuxième mode de réalisation d'un capteur électronique de température 202 selon l'invention est configuré pour mesurer et surveiller la température de jonction du même interrupteur électronique commandé 4 représenté sur la Figure 1 .
A l'instar de la Figure 1 , la même cellule de commutation 6 est représentée et elle comprend le même premier interrupteur électronique de puissance commandé 4 et le même deuxième interrupteur électronique commandé 10, les premier et deuxième interrupteurs électroniques 4, 10 étant reliés en série en le même point milieu 14 que celui décrit à la Figure 1 .
Le capteur électronique de température 202 comprend une source d'injection 220 d'un courant de mesure calibré, une chaîne de mesure électronique 222 de la température de la jonction, un premier élément de connexion série 224 et un deuxième élément de connexion série 226 pour protéger contre un haute tension la chaîne de mesure électronique 222.
La source d'injection 220 d'un courant de mesure calibré comporte une unique borne d'injection et de sortie 230 pour injecter le courant de mesure calibré dans la borne amont 17 collectrice de puissance C de la jonction. La source d'injection 220 d'un courant de mesure calibré est un générateur de courant comportant une source de tension 232 suivie d'un convertisseur tension/courant 234 ayant une régulation de courant.
La source d'injection 220, à l'instar de la source d'injection de courant 20 de la Figure 1 , est configurée pour délivrer un courant de mesure calibré de sortie à la borne d'injection et de sortie 230, la borne de sortie 230 étant connectée à la borne amont 17 collectrice de puissance C de la jonction de l'interrupteur commandé 4 dont la température est destinée à être mesurée. Le courant de mesure calibré est sensiblement égal au courant effectif traversant la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique commandé 4 lorsque l'interrupteur 4 est fermé et que capteur électronique 220 met en œuvre la mesure de température.
A la différence de la source d'injection de courant 20 de la Figure 1 , la source d'injection 220 ne comporte pas une deuxième borne d'injection et de sortie pour délivrer un courant de correction calibré.
La source d'injection 220 d'un courant de mesure calibré comporte une diode de protection rapide haute tension 234, connectée par sa cathode à la borne d'injection et de sortie d'injection 230 pour protéger la source d'injection 220 contre l'application de la haute tension du bus DC à l'électronique de la source d'injection.
La chaîne de mesure électronique 222 comprend une première borne d'entrée différentielle 272 et une deuxième borne d'entrée différentielle 274, connectées respectivement au travers du premier élément de connexion série 224 et du deuxième élément de connexion série 226 à la borne amont 17 collectrice de puissance C et à la borne aval 19 émettrice de puissance E de la jonction de l'interrupteur commandé 4 dont la température est mesurée.
La chaîne de mesure électronique 222 comporte un amplificateur de tension différentielle 276, ayant une première borne d'entrée différentielle 278 et une deuxième borne d'entrée différentielle 280 d'un signal de tension différentielle et une borne de sortie 282, et comporte, reliés dans l'ordre décrit et en série depuis la borne de sortie 282, un convertisseur analogique/numérique 286, et une unité de traitement numérique 288.
La chaîne de mesure électronique comprend également une première diode basse tension d'écrêtage 290 et une deuxième diode basse tension d'écrêtage 292, branchées respectivement par une première anode de diode d'écrêtage 294 et une deuxième anode de diode d'écrêtage 296 à la première entrée différentielle 278 et la deuxième entrée différentielle 280 de l'amplificateur différentiel 276 pour protéger en tension l'amplificateur opérationnel, Le premier élément de connexion série 224 est ici une première résistance de limitation en courant de valeur égale à K fois R ohms avec K un nombre supérieur à 10 et R la valeur exprimée en ohms d'une résistance d'entrée 297 de l'amplificateur de tension différentielle 276.
La première résistance de limitation en courant 224 possède une première borne de premier élément 298, connectée à la première borne d'entrée 278 de l'amplificateur de tension différentielle 276 et à l'anode de la première diode d'écrêtage 290, et une deuxième borne de premier élément 299, connectée à la borne amont 17 de collectrice de puissance C de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur commandé 4.
Le premier élément de connexion série 224 en combinaison avec la première diode d'écrêtage 290 permet d'isoler l'amplificateur différentiel 276 de la haute tension du bus DC. La première résistance 224 agit comme une résistance ballast en limitant le courant lorsque la haute tension bus est appliqué, ce qui permet de protéger en courant la première diode d'écrêtage 290 branchée en parallèle de l'amplificateur différentiel 276 en la première entrée différentielle 278.
Le deuxième élément de connexion série 226 est ici une deuxième résistance de limitation en courant, de même valeur K.R que celle de la première résistance de limitation en courant 224.
La deuxième résistance de limitation en courant 226 comporte une troisième borne de deuxième élément 300, connectée à la deuxième borne d'entrée 280 de l'amplificateur de tension différentielle 276 et à l'anode de la deuxième diode d'écrêtage, et une quatrième borne de deuxième élément 301 , connectée à la borne aval 19 émettrice de puissance E de la jonction de l'interrupteur commandé 4.
Le deuxième élément de connexion série 226 en combinaison avec la deuxième diode d'écrêtage 292 permet d'isoler l'amplificateur différentiel 276 de la haute tension du bus DC. La deuxième résistance 226 agit comme une résistance ballast en limitant le courant lorsque la haute tension bus est appliqué, ce qui permet de protéger en courant la deuxième diode d'écrêtage 292 branchée en parallèle de l'amplificateur différentiel 276 en la deuxième entrée différentielle 280.
Les première et deuxième résistances de limitation encourant 224, 226 sont sélectionnées et appariées selon le critère qu'elles possèdent des caractéristiques électriques essentiellement identiques en fonction de la température.
Par exemple, les résistances de limiteur sont choisies dans une même filière et un même lot de fabrication.
De manière générale, un capteur électronique de température selon l'invention est configuré pour mesurer et surveiller la température de jonction d'un interrupteur électronique de puissance d'une cellule de commutation électronique d'un convertisseur statique
Le capteur électronique comprend une source d'injection d'un courant de mesure calibré et un amplificateur de tension différentielle.
La source d'injection d'un courant de mesure calibré comporte au moins une borne d'injection et de sortie et est configurée pour délivrer un premier courant de mesure calibré de sortie en une première borne d'injection et de sortie parmi l'au moins une borne d'injection et de sortie, la première borne d'injection et de sortie étant destinée à être connectée à une borne amont de puissance de la jonction de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée.
La source d'injection d'un courant de mesure calibré est protégée contre l'injection dans sa première borne de sortie d'un possible courant de puissance.
L'amplificateur de tension différentielle comporte une première borne d'entrée différentielle d'amplificateur et une deuxième borne d'entrée différentielle d'amplificateur d'un signal de tension différentielle.
L'amplificateur de tension différentielle ne supporte pas, en termes de niveau de courant électrique injecté en entrée, une puissance électrique élevée.
Le capteur électronique de température comprend un premier élément de connexion série et un deuxième élément de connexion série pour protéger l'amplificateur de tension différentielle contre une haute tension du bus DC.
Le premier élément de connexion série comporte une première borne de premier élément connectée à la première borne d'entrée différentielle de l'amplificateur de tension différentielle et une deuxième borne de premier élément connectée à la borne amont de puissance de la jonction semi-conductrice dont la température est mesurée.
Le deuxième élément de connexion série comporte une troisième borne de deuxième élément de connexion série connectée à la deuxième borne d'entrée différentielle de l'amplificateur de tension différentielle et une quatrième borne de deuxième élément connectée à une borne aval de puissance de la jonction semi- conductrice dont la température est mesurée.
Les premier et deuxième éléments de connexion série possèdent des caractéristiques électriques essentiellement identiques et sont compris dans l'ensemble formé par les résistances et les diodes rapides à haute tension (HT).
Suivant l'ordinogramme de la Figure 3, un procédé 302 de mesure de la température d'une jonction semi-conductrice d'un interrupteur électronique commandé 4 est mis en oeuvre par un capteur électronique de température tel que défini dans les Figures 1 et 2, et comprend un ensemble d'étapes 304, 306, 308, et 310. Dans une première étape 304, de préparation de la mesure de température de la jonction de puissance l'interrupteur testé, les courants parasites générés par des sources possibles de courant parasites pouvant traverser la jonction de puissance de l'interrupteur testé en température lorsque l'interrupteur est passant, ont été annulés ou minimisées, et l'interrupteur testé est commandé à l'état ouvert, ce qui correspond à une valeur d'impédance élevée de la jonction de puissance placée dans cet état. L'étape 304 est consécutive à une phase de service pendant laquelle l'interrupteur électronique à mesurer a été actif nominalement et a atteint sa température maximale de fonctionnement de service.
Puis dans une deuxième étape 306, à partir d'un premier instant t1 de réception d'une commande de démarrage d'injection d'un courant de mesure calibré, l'interrupteur testé en température est fermé par une commande pour rétablir l'état de conduction à faible impédance de la jonction de puissance dont la température réelle est recherchée. Tous les autres interrupteurs sont commandés à l'état bloqué. Les courants parasites générés par les sources tension du moteur pouvant traverser la jonction de puissance de l'interrupteur testé sont maintenus nuls ou minimaux au moyen d'une synchronisation particulière entre la séquence de mesure du capteur et la position du rotor du moteur (angle de phase) , et pendant une première durée prédéterminée At1 un courant de mesure calibré de faible valeur, par exemple égal à 200 mA, est injecté en direct par la source d'injection dans la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique testé et placé dans l'état fermé.
Dans une troisième étape 308, à partir d'un deuxième instant t2, de démarrage de la mesure par la chaîne de mesure, postérieur à et séparé du premier instant t1 par une deuxième durée At2 inférieure à la première durée At1 , l'évolution de la tension VCE(T) est mesurée aux bornes de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur testé par l'amplificateur de tension différentielle pendant une troisième durée At3 inférieure à la différence entre At1 et At2.
Dans une quatrième étape 310, consécutive à la troisième étape 308, la température différentielle ΔΤ de la jonction est déduite de l'évolution de la tension AVCE(T) mesurée et d'une courbe caractéristique prédéterminée de conversion entre la tension VCE et la température prédéterminée. Cette courbe permet d'extraire le coefficient de sensibilité. L'évolution de tension est définie par la différence entre la mesure de VCE à chaud à la température T et la mesure de VCE à une température de référence Tref. L'évolution de la température est définie par la différence entre la température recherchée T et la température de référence Tref. Par exemple, en considérant un facteur de sensibilité constant , il vient : T=Tref. +(VCE(T)-VCE(Tref))/facteur de sensibilité thermique
Suivant la Figure 4, un système électrique 402 de puissance mettant en œuvre au moins un capteur électronique de température décrit sur la Figure 1 ou la Figure 2, comprend un bus d'alimentation électrique 404, un convertisseur de puissance statique 406 alimenté par le bus d'alimentation électrique 404, et une charge électrique 408, alimentée par le convertisseur statique 406.
Le bus d'alimentation électrique 404 est raccordé à une source de tension continue 410 et délivre une tension continue désignée par Vdc au convertisseur statique
406.
Le convertisseur statique 406 est ici un onduleur triphasé ayant deux bornes d'entrée 412, 414 respectivement d'une première polarité et d'une deuxième polarité, connectées au bus d'alimentation électrique 404, et trois bornes de sortie de phases 416, 418, 420 connectées à la charge électrique 408.
La charge électrique 408 est ici un moteur synchrone triphasé à aimants permanents à pôles lisses qui entraîne un ventilateur non représenté sur la Figure 4.
Le moteur synchrone 408 comporte trois bornes d'entrée 426, 428, 430, connectées respectivement aux bornes de sortie de phases 416, 418, 420.
Le moteur synchrone triphasé 408 comporte trois capteurs 436, 438, 440 à effet Hall, répartis électriquement à 120 degrés autour du rotor (non représenté sur la Figure 4) pour acquérir la position du rotor
L'onduleur 406 comprend classiquement trois bras de commutation 456, 458, 460, branchés en parallèle sur le bus d'alimentation 404 au travers des bornes d'entrée 412, 414, et une unité de commande 462 des trois bras de commutation 456, 458, 460.
Le premier bras de commutation 456 comprend un premier interrupteur 466 et un deuxième interrupteur 467, reliés en série entre eux à la borne de phase 416 formant un premier point milieu, connectés respectivement à la borne 412 de première polarité et à la borne 414 de deuxième polarité du bus d'alimentation 404, et désignés respectivement par la suite par T1 et B1 .
Le deuxième bras de commutation 458 comprend un troisième interrupteur 468 et un deuxième interrupteur 469, reliés en série entre eux à la borne de phase 418 formant un deuxième point milieu, connectés respectivement à la borne 412 de première polarité et à la borne 414 de deuxième polarité du bus d'alimentation 404, et désignés respectivement par la suite par T2 et B2.
Le premier bras de commutation 460 comprend un cinquième interrupteur 470 et un deuxième interrupteur 471 , reliés en série entre eux à la borne de phase 420 formant un troisième point milieu, connectés respectivement à la borne 412 de première polarité et à la borne 414 de deuxième polarité du bus d'alimentation 404, et désignés respectivement par la suite par T3 et B3.
L'unité de commande 462 est une unité MLI, c'est à dire à Modulation de Largeur d'Impulsion de commande, et de type 120 degrés, ce qui signifie que chaque interrupteur est actif pendant 120 degrés électriques .La fréquence de découpage est ici égale par égale à 20 kHz.
Les interrupteurs T1 , B1 , T2, B2, T3, B3 sont commandés en fonction du rapport cyclique modulé en largeur d'impulsion et de la position du rotor du moteur synchrone donnée par les capteurs de position à effet Hall 436, 438, 440.
L'évolution temporelle 502 des commandes des interrupteurs T1 , B1 , T2, B2, T3,
B3 lorsque le convertisseur statique pilote en service nominal le moteur synchrone 408 est représentée sur la Figure 5 sur une période temporelle de rotation du moteur par six chronogrammes 504, 506, 508, 510, 512, 514, associés chacun à un interrupteur électronique unique et différent, respectivement T1 , T2, T3, B1 , B2, B3.
Dans une première période 520, la commande de l'interrupteur T1 est un train d'impulsion modulée en largeur, l'interrupteur B2 est commandé à l'état passant c'est-à- dire basse impédance, les interrupteurs restants T2, T2, B1 , B3 étant commandés à l'état ouvert, c'est-à-dire haute impédance.
Une succession de périodes de commande 522, 524, 526, 528, 530 peuvent être lues et caractérisés respectivement par les codes T1 B3*, T2*B3, T2B1 *, T3*B1 , T3B2*, un code représentant dans une période donnée tous les interrupteurs qui ne sont pas commandés en permanence durant la période de commande à l'état non ouvert, un interrupteur commandé en MLI portant un astérisque en suffixe et un interrupteur commandé à l'état fermé tout le long de la période de commande ne portant pas d'astérisque.
Ici à titre d'exemple, les interrupteurs commandés sont des transistors de type IGBT (Insulated Gâte Bipolar Transistor).
De manière générale, un interrupteur électronique commandé pour lequel l'invention est applicable est un élément électronique à semi-conducteur compris dans l'ensemble formé par les thyristors, les transistors de type IGBT (Insulated Gâte Bipolar Transistor), les transistor de type MOS (Métal Oxide Silicon transistor), et les GTOs (Gâte Turn Off transistor).
Suivant la Figure 6, le convertisseur statique 406 de la Figure 4 comprend un capteur électronique 602 de température selon l'invention pour mesurer la température de jonction de puissance de l'interrupteur T1 , désignée ici par 604. Le capteur électronique de température 602 est associé en propre et connecté à l'interrupteur électronique commandé T1 du convertisseur statique 406.
La jonction semi-conductrice de puissance 604 de l'interrupteur électronique T1 présente une faible impédance lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant et une impédance élevée lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant, et
L'interrupteur électronique T1 comporte ici une borne amont 606 collectrice de puissance C et une borne aval 608 émettrice de puissance E de ladite jonction semi- conductrice 604 de l'interrupteur électronique T1 dont la température est mesurée.
La première borne d'injection et de sortie de la source d'injection du capteur, désignée ici par 612, est connectée à la borne amont 606 collectrice de puissance C de la jonction semi-conductrice 604.
La deuxième borne de premier élément, désignée ici par 614, du premier élément de connexion série du capteur 602, est connectée à la borne amont 606 collectrice de puissance C de la jonction semi-conductrice 604.
La quatrième borne de deuxième élément, désignée ici par 614, du deuxième élément de connexion série du capteur 602, est connectée à la borne aval 608 émettrice de puissance E de la jonction semi-conductrice 604.
Suivant la Figure 7, un premier relevé 702 et un deuxième relevé 703 de l'évolution temporelle, avant la mesure de température et pendant la phase de mesure électronique de température de la jonction de puissance 604 décrite à la Figure 6, de la commande MLI du premier interrupteur T1 , de l'évolution de la commande de fenêtre d'injection délivré par le capteur électronique 602, de l'évolution du courant de phase du moteur délivré au point milieu du bras de commutation correspondant à l'interrupteur T1 , comprend respectivement associées une première courbe 704, une deuxième courbe 706, et une troisième courbe 708.
Quatre phases temporelles peuvent être distinguées sur les relevés 702 et 703 à l'aide d'une première ligne verticale 712, d'une deuxième ligne verticale 714, d'une troisième ligne verticale 716, toutes trois tracées en traits pointillés et servant respectivement de marqueurs d'instants ts1 , ts2, ts3.
Dans une première phase 722 précédant l'instant ts1 , l'interrupteur T1 est commandé en mode MLI, et en même temps, l'interrupteur B2 est commandé à l'état fermé, les interrupteurs restants T2, T2, B1 , B3 étant commandés à l'état ouvert. Cela correspond à la première période de fonctionnement 520 du convertisseur décrit à la Figure 5. Dans une deuxième phase 724, comprise entre les instants ts1 et ts2, tous les interrupteurs électroniques T1 , T2, T3, B1 , B2, B3, sont mis à l'état ouvert pour annuler le courant par le bus d'alimentation 404.
Dans une troisième phase 726, comprise entre les instants ts2 et ts3, tous les interrupteurs T2, T3, B1 , B2, B3 restent à l'état ouvert à l'exception de l'interrupteur T1 mesuré en température qui est commandé à l'état fermé à partir de l'instant ts2.
Dans la même troisième phase 726, la source d'injection injecte un courant de mesure calibré de faible intensité, ici égale à 200 mA, dans la jonction de puissance de l'interrupteur T1 mesuré, ici un transistor IGBT.
Après une durée de stabilisation de la valeur du courant de mesure calibré injecté démarrant à partir de ts2 (non représentée sur la figure), la tension VCE est mesurée entre la borne amont et la borne aval de la jonction de l'interrupteur T1 et la température de la jonction est déduite de la mesure de la tension Vce.
Dans une quatrième phase 728 démarrant à partir de l'instant ts3, le régime de service nominal de l'onduleur est rétabli en laissant dans un premier temps l'interrupteur T1 fermé, en modulant en MLI l'interrupteur B3, et en laissant les interrupteurs T2, T3, B1 , B2 ouverts, ce qui correspond à la deuxième période décrite à la Figure 4, et en poursuivant la séquence des commandes de l'unité de commande telle que décrite dans la Figure 4.
II est à remarquer que l'injection du courant dans l'interrupteur T1 doit être effectuée lorsque le courant de puissance de cet interrupteur est nul pour ne pas fausser la mesure par une chute de tension VCE qui serait largement majorée et qui correspondrait à la circulation d'un courant somme du courant d'injection et du courant moteur.
II est à remarquer également que le courant de fuite des diodes de roue libre, même à la température maximal est de l'ordre du mA, c'est-à-dire négligeable par rapport a courant d'injection en régime statique.
Il a été montré et vérifié que si la mesure est effectuée sur les zones fixes de la loi de commande, les Forces Electro-Motrices (FEMs) des enroulements du moteur sont dans une configuration qui polarisent en inverse les diodes de roue libre et empêche le court-circuit de ce moteur d'une part, la circulation de courants de fuite en inverse dans l'IGBT passant mais de valeur négligeable.
Sur le principe, ce mode opératoire ne modifie pas la loi de commande puisque pour faire la mesure, il suffit de mettre le rapport cyclique à zéro.
Par extension, en supposant que les six IGBTs sont pourvus de manière dédiée d'un capteur de température selon l'invention, les six interrupteurs pourront être testés successivement sur une même période électrique. Le temps minimum alloué à la mesure est fixé par la vitesse maximale de l'onduleur. Lorsque la vitesse maximale est par exemple égale à 17000 tr/min, cela donne une durée de séquence de 196 με, dimensionnant pour la réalisation de la source d'injection du courant de mesure.
Suivant la Figure 8 et de manière générale, un procédé 802 de mesure de la température d'une jonction de puissance semi-conductrice d'un interrupteur électronique commandé testé en température, et intégré dans un convertisseur statique, est mise en œuvre par un capteur électronique de température, dédié en propre et décrit dans le Figures 1 et 2.
Le convertisseur statique dans lequel est intégré l'interrupteur électronique testé en température, fait partie d'un système électrique de puissance.
De manière générale, le système électrique de puissance comprend un bus d'alimentation électrique, un convertisseur de puissance statique alimenté par le bus d'alimentation électrique, et une charge électrique alimentée par le convertisseur statique en sortie du convertisseur.
De manière générale, le convertisseur statique comprend un ensemble formé d'un nombre entier de cellules de commutation, arrangées selon une structure prédéterminée et alimentées par le bus d'alimentation électrique.
Chaque cellule de commutation est formée d'une paire unique et différente d'interrupteurs électroniques commandés.
L'une des cellules comprend l'interrupteur électronique commandé et testé en température.
La jonction semi-conductrice de puissance de l'interrupteur électronique mesuré en température présente une faible impédance lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant et une impédance élevée lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant, et
La jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée comporte une borne amont collectrice de puissance et une borne aval émettrice de puissance
La première borne de sortie d'injection et de sortie de la source d'injection du capteur électronique est connectée à la borne amont émettrice de puissance de la jonction,
La deuxième borne de premier élément du premier élément du capteur électronique de température est connectée à la borne amont collectrice de puissance C de la jonction, La quatrième borne de deuxième élément du capteur électronique de température est connectée à la borne aval émettrice de puissance E de la jonction de puissance.
Le procédé de mesure 802 de la température de l'interrupteur à mesurer en température comprend un ensemble d'étapes 804, 806, 808, 810, et 812.
Dans une première étape 804, une tension d'alimentation étant appliquée au convertisseur statique, les interrupteurs commandés du convertisseur y compris l'interrupteur qui va être mesuré en température sont commandés suivant une première séquence de commande nominale de service du convertisseur statique.
Dans une deuxième étape 806 suivante, de préparation de la mesure électronique de température de la jonction de puissance de l'interrupteur à tester, tous les interrupteurs électroniques de puissance qui sont susceptibles de faire transiter des courants parasites au travers de l'interrupteur à mesurer électroniquement en température et l'interrupteur à mesurer électroniquement en température sont commandés en ouverture pendant une durée d'initialisation. Les courants parasites sont les courants du moteur en régime nominal qu'il faut annuler avant de lancer la mesure, des courants de fuite de valeur négligeable restant ensuite.
En variante de l'étape 806, tous les interrupteurs électroniques commandés du convertisseur statique sont commandés en ouverture pendant une durée d'initialisation.
L'étape de préparation 806 est consécutive à l'étape de service nominale de service 804 pendant laquelle l'interrupteur à mesurer a été actif et a atteint sa température maximale de fonctionnement de service et continuait il y a peu de fonctionner.
Dans une troisième étape 808 suivante, à partir d'un premier instant t1 de réception d'une commande de démarrage d'injection d'un courant de mesure calibré, l'interrupteur électronique à tester en température est fermé par une commande pour rétablir l'état de conduction de la jonction de puissance dont la température réelle est recherchée, et les courants parasites générés par les sources de courant parasites possibles pouvant traverser la jonction de puissance de l'interrupteur testé sont maintenus nuls ou minimaux, par le maintien en ouverture des interrupteurs électroniques permettant ladite annulation ou minimisation.
Dans la même étape 808, la commande de fermeture de l'interrupteur testé en température ayant été exécutée, pendant une première durée prédéterminée At1 un courant de mesure calibré de faible valeur, par exemple égal à 200 mA, est injecté en direct par la source d'injection dans la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique testé et placé dans l'état fermé.
Dans une quatrième étape 810, à partir d'un deuxième instant t2, de démarrage de la mesure par la chaîne de mesure, séparé du premier instant t1 par une deuxième durée Δί2 inférieure à la première durée, l'évolution de la tension VCE(T) est mesurée au bornes de la jonction par l'amplificateur de tension différentielle pendant une troisième durée At3 inférieure à la différence entre At1 et At2.
Dans une cinquième étape 812, consécutive à la quatrième étape 810, la température ΔΤ de la jonction est déduite de l'évolution de la tension AVCE(T) mesurée et d'une courbe caractéristique prédéterminée de conversion entre la tension VCE et la température prédéterminée. Cette courbe permet d'extraire le coefficient de sensibilité. L'évolution de tension est définie par la différence entre la mesure de VCE à chaud à la température T et la mesure de VCE à une température de référence Tref. L'évolution de la température est définie par la différence entre la température recherchée T et la température de référence Tref. Par exemple, en considérant un facteur de sensibilité constant , il vient :
T=Tref. +(VCE(T)-VCE(Tref))/facteur de sensibilité thermique.
En variante, dans la troisième étape 808, tous les interrupteurs électroniques commandés du convertisseur statique à l'exception de l'interrupteur mesuré en température sont maintenus à l'état ouvert.
En variante, le procédé de mesure de la température comprend une étape de rétablissement du fonctionnement nominale du convertisseur par la restauration de la séquence nominale de commande des interrupteurs du convertisseur en synchronisme avec la réponse électrique de la charge.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Capteur électronique de température pour mesurer la température de jonction d'un interrupteur électronique (4) de puissance commandé d'une cellule de commutation électronique (6) d'un convertisseur statique (8)
comprenant :
Une source d'injection d'un courant de mesure calibré (20 ; 220) et un amplificateur de mesure d'une tension différentielle (76 ; 276),
La source d'injection (20 ; 220) d'un courant de mesure calibré ayant au moins une borne d'injection et de sortie (30, 32 ; 230) et étant configurée pour délivrer un premier courant de mesure calibré de sortie en une première borne d'injection et de sortie (30, 230) parmi l'au moins une borne de sortie (30, 32 ; 230), la première borne de sortie (30, 230) étant destinée à être connectée à une borne amont de puissance (17) de la jonction de l'interrupteur électronique (4) dont la température est mesurée,
L'amplificateur de tension différentielle (76 ; 276) ayant une première borne d'entrée différentielle (78 ; 278) d'amplificateur et une deuxième borne d'entrée différentielle (80 ; 280) d'amplificateur d'un signal de tension différentielle,
caractérisé en ce qu'il comprend
un premier élément de connexion série (26 ; 224) et de protection contre une haute tension ayant une première borne (90 ; 290) de premier élément connectée à la première borne d'entrée différentielle (78 ; 278) de l'amplificateur de tension différentielle (78 ; 278) et une deuxième borne (92 ; 292) de premier élément connectée à la borne amont de puissance (17) de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique (4) dont la température est mesurée,
un deuxième élément de connexion série (28 ; 226) et de protection contre une haute tension, ayant une troisième borne (94 ; 294) de deuxième élément connectée à la deuxième borne d'entrée différentielle (80 ; 280) de l'amplificateur de tension différentielle (76 ; 276), et une quatrième borne (96 ; 296) de deuxième élément connectée à lune borne aval de puissance de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique (4) dont la température est mesurée,
les premier et deuxième éléments de connexion série (26, 28 ; 224, 226) ayant des caractéristiques électriques essentiellement identiques et étant compris dans l'ensemble formé par les résistances et les diodes rapide haute tension (HT).
2. - Capteur électronique de température selon la revendication 1 , dans lequel le premier élément de connection série (26) est une première diode rapide d'isolement haute tension, connectée par son anode au travers de la première borne de premier élément à la première borne d'entrée différentielle (78) de l'amplificateur de tension différentielle (76),
le deuxième élément de connexion série (28) est une deuxième diode rapide d'isolement haute tension, connectée par son anode au travers de la troisième borne de deuxième élément à la deuxième borne d'entrée différentielle (80) de l'amplificateur de tension différentielle (76), et
la source d'injection (20) est configurée pour délivrer un deuxième courant de correction calibré en une deuxième borne d'injection et de sortie (32), la deuxième borne d'injection et de sortie (32) étant connectée à la borne aval de puissance de la jonction de l'interrupteur électronique (4) dont la température est mesurée, et
la source d'injection (20) est configurée pour réguler à une même valeur de courant les première et deuxième diodes rapides d'isolement( 26, 28), de sorte que les chutes de tension aux bornes des première et deuxième diodes (26, 28) sont identiques.
3. - Capteur électronique de température selon la revendication 2, dans lequel La première diode rapide d'isolement haute tension (26) est connectée par sa cathode au travers de la deuxième borne de premier élément à la première borne d'injection et de sortie (30) en faisant partie de la source d'injection (20) pour isoler et protéger en haute tension la source d'injection (20).
4. - Capteur électronique de température selon la revendication 3, dans lequel la deuxième diode rapide d'isolement haute tension (28) est connectée par sa cathode au travers de la quatrième borne de deuxième élément à la deuxième borne d'injection et de sortie (32) en faisant partie de la source d'injection (20) pour isoler et protéger en haute tension la source d'injection (20).
5. - Capteur électronique de température selon la revendication 1 , comportant une première diode basse tension d'écrêtage (290) et une deuxième diode basse tension d'écrêtage (292) branchées respectivement par une première anode (294) de diode d'écrêtage et une deuxième anode (296) d'écrêtage à la première entrée différentielle (278) et la deuxième entrée différentielle (280) de l'amplificateur de tension différentielle pour protéger en tension l'amplificateur de tension différentielle,
et dans lequel
la source d'injection (220) possède une seule première borne d'injection et de sortie (230) pour délivrer le courant de mesure calibré dans la borne amont de puissance (17) de la jonction de l'interrupteur électronique (4), et comporte une diode de protection rapide haute tension (234), la diode de protection (234) étant distincte du premier élément de connexion série (224) et du deuxième élément de connexion série (226), et étant connectée par sa cathode à la première borne d'injection et de sortie (230), le premier élément de connexion série (224) et le deuxième élément de connexion série (226) sont deux première et deuxième résistances électriques connectées respectivement en parallèle aux première et deuxième diodes d'écrêtage pour protéger les diodes d'écrêtage en courant et l'amplificateur de tension différentielle tension (276)., les première et deuxième résistances électriques ayant sensiblement la même valeur de résistance.
6. - Capteur électronique de température selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la source d'injection (20) comporte un interrupteur commandé d'inhibition (56) de l'injection du premier courant de mesure calibré pour réduire la consommation du capteur lorsque la mesure de température n'est pas effectuée.
7. - Convertisseur de puissance statique comprenant un ensemble d'interrupteurs électroniques commandés et un capteur électronique de température (602) défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le capteur électronique (602) étant associé en propre et connecté à un unique interrupteur électronique commandé (604) de l'ensemble, dans lequel
l'interrupteur électronique (604) comporte une jonction semi-conductrice de puissance qui présente une faible impédance lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant et une impédance élevée lorsque l'interrupteur est commandé dans un état passant, et
l'interrupteur électronique (604) comporte une borne amont (606) collectrice de puissance C et une borne aval (608) émettrice de puissance émettrice E de ladite jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique dont la température est mesurée, la première borne d'injection et de sortie (612) de la source d'injection est connectée à la borne amont collectrice de puissance de la jonction,
la deuxième borne de premier élément (614) est connectée à la borne amont (606) collectrice C de la jonction,
la quatrième borne de deuxième élément (616) est connectée à la borne aval (608) émettrice E de la jonction.
8. Système électrique de puissance comprenant
un bus d'alimentation électrique (404),
un convertisseur de puissance statique (406), défini selon la revendication 7, et alimenté par le bus d'alimentation électrique (404), et
une charge électrique (408) alimentée par le convertisseur statique (406) en sortie du convertisseur, le convertisseur statique (406) comprenant un ensemble d'un nombre entier de cellules de commutation distinctes arrangées selon une structure prédéterminée et alimentées par le bus d'alimentation électrique (404),
chaque cellule de commutation étant formée d'une paire associée d'interrupteurs électroniques commandés.
9. Système électrique selon la revendication 8, dans lequel
le bus d'alimentation électrique (404) est une source de courant de tension continue,
le convertisseur de puissance statique (406) est un onduleur polyphasé ayant un nombre p de phases, connecté en entrée au et alimenté par le bus d'alimentation électrique, le nombre p de phases étant supérieur ou égal à 2 , et
la charge électrique (408) alimentée par et connectée au convertisseur statique polyphasé étant un moteur synchrone ou asynchrone ayant le même nombre de phases p que le convertisseur statique.
10.- Procédé de mesure de la température d'une jonction de puissance semi- conductrice d'un interrupteur électronique commandé par un capteur électronique de température défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
comprenant les étapes (304, 306, 308, 310) consistant à :
dans une première étape (304), préparer la mesure de température de la jonction de puissance l'interrupteur testé, en commandant l'interrupteur à mesurer en température à l'état ouvert à l'état passant et en bloquant les interrupteurs restants de manière à annuler ou minimiser les courants parasites générés par des sources possibles de courants parasites pouvant traverser la jonction de puissance de l'interrupteur testé en température mis à l'état passant, et à synchroniser l'injection du courant de mesure sur une séquence de commande particulière des interrupteurs,
puis dans une deuxième étape (306), à partir d'un premier instant t1 de réception d'une commande de démarrage d'injection d'un courant de mesure calibré conditionnée par la détection de l'annulation du courant traversé l'interrupteur testé, à fermer par une commande l'interrupteur testé en température pour rétablir l'état de conduction à faible impédance de la jonction de puissance dont la température réelle est recherchée, les courants parasites générés par les tensions de moteur pouvant traverser la jonction de puissance de l'interrupteur testé étant maintenus minimaux ou négligeables flm, et pendant une première durée prédéterminée At1 à injecter un courant de mesure calibré par la source d'injection dans la jonction semi-conductrice de l'interrupteur électronique testé et placé dans l'état fermé, et dans une troisième étape (308), à partir d'un deuxième instant t2, de démarrage de la mesure par la chaîne de mesure, postérieur à et séparé du premier instant t1 par une deuxième durée At2 inférieure à la première durée At1 , à mesurer l'évolution de la tension VCE(T) mesurée aux bornes de la jonction semi-conductrice de l'interrupteur testé par l'amplificateur de tension différentielle pendant une troisième durée At3 inférieure à la différence entre At1 et At2, puis
dans une quatrième étape (310), consécutive à la troisième étape (308), à déduire la température ΔΤ de la jonction à partir de l'évolution de la tension AVCE(T) mesurée et d'une courbe caractéristique prédéterminée de conversion entre la tension VCE et la température prédéterminée.
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