FR3065340A1 - Protection de mosfets de puissance - Google Patents

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Julien Berthelot
David Bonneau
William Lapierre
Lucien Le Curieux-Belfond
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Abstract

La description se rapporte notamment à un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive, le dispositif électronique comprenant deux transistors MOSFET (M1, M2), la source de l'un étant connectée au drain de l'autre, un premier transistor MOSFET (M1) étant agencé pour être piloté par un premier signal MLI et pour être connecté entre son drain et sa source à la charge inductive à commander, le deuxième transistor MOSFET (M2) étant agencé pour être piloté par un deuxième signal MLI inverse du premier, le dispositif électronique comprenant un circuit de protection (R2, Q1, D1) du premier transistor MOSFET (M1), ledit circuit de protection comprenant un transistor bipolaire (Q1), une diode (D1) et une résistance (R2).

Description

Titulaire(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUESTHS.
FR 3 065 340 - A1
104/ PROTECTION de mosfets de puissance.
(57) La description se rapporte notamment à un dispositif électronique de commande électrique d'une charge inductive, le dispositif électronique comprenant deux transistors MOSFET (M1, M2), la source de l'un étant connectée au drain de l'autre, un premier transistor MOSFET (M1) étant agencé pour être piloté par un premier signal MLI et pour être connecté entre son drain et sa source à la charge inductive à commander, le deuxième transistor MOSFET (M2) étant agencé pour être piloté par un deuxième signal MLI inverse du premier, le dispositif électronique comprenant un circuit de protection (R2, Q1, D1 ) du premier transistor MOSFET (M1 ), ledit circuit de protection comprenant un transistor bipolaire (Q1 ), une diode (D 1 ) et une résistance (R2).
Figure FR3065340A1_D0001
Figure FR3065340A1_D0002
PROTECTION DE MOSFETS DE PUISSANCE
La description se rapporte au domaine de l’électronique de puissance (notamment automobile) et de la conversion d’énergie. Elle se rapporte plus spécifiquement aux commandes électriques pour charges inductives, en particulier pour moteurs électriques à courant continu avec balais. De telles commandes visent notamment à faire varier la vitesse desdits moteurs en faisant varier la tension moyenne à leurs bornes.
Historiquement, les commandes électriques de ce type se sont d’abord io appuyées sur des thyristors et des transistors bipolaires puis des transistors MOSFET ou IGBT commandés en modulation de largeur d’impulsion (ciaprès MLI), associé à une diode permettant la recirculation du courant à l’ouverture du MOSFET.
Cette diode présente l’avantage de la simplicité et de la fiabilité.
Toutefois, la chute de tension non négligeable aux bornes de cette diode occasionne une forte dissipation d’énergie. À titre d’exemple, une diode Schottky peut induire une baisse de tension de quasiment 0,5V. Pour un courant d’ondulation dans la diode de l’ordre de 25A, il faut donc dissiper quasiment 12,5W, ce qui représente une puissance perdue, qui ne fait que chauffer le dispositif électronique, lequel doit être en mesure de dissiper cette chaleur.
Afin de remédier à ce problème, il a été proposé de remplacer la diode de roue libre par un deuxième transistor MOSFET, qui serait piloté par un signal inverse de celui qui pilote le transistor MOSFET principal. On opère ainsi un redressement synchrone permettant une recirculation du courant à l’ouverture du MOSFET principal par la fermeture du MOSFET de roue libre. Pour un transistor MOSFET (remplaçant la diode de roue libre) qui présente une résistance d’environ 3mD, on peut ainsi ne dissiper que moins de 2W, soit moins de dix fois moins qu’avec la diode de roue libre.
Cependant, ce deuxième transistor MOSFET doit être lui-même piloté. Une erreur de pilotage (liée par exemple à un bug dans le logiciel de pilotage) ou un court circuit du MOSFET principal conduirait à un court-circuit de l’alimentation si on vient à fermer le MOSFET de roue libre. De plus, la charge inductive peut elle-même injecter un courant pouvant conduire à mettre en conduction involontairement le transistor MOSFET remplaçant la diode de roue libre et à créer un court circuit fatal.
Afin de remédier à ce problème, il a été proposé de contrôler les deux transistors MOSFET à l’aide d’un circuit de pilotage (en anglais driver) io spécifique. Mais un tel circuit de pilotage est en général complexe et onéreux, ce qui n’est pas adapté pour des applications très simples à bas coût.
L’invention vise à améliorer la situation.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique de 15 commande électrique d’une charge inductive, le dispositif électronique comprenant deux transistors MOSFET, la source de l’un étant connectée au drain de l’autre, un premier transistor MOSFET étant agencé pour être piloté par un premier signal MLI le deuxième transistor MOSFET étant agencé pour être piloté par un deuxième signal MLI inverse du premier le dispositif électronique comprenant un circuit de protection du transistor MOSFET, ledit circuit de protection comprenant un transistor bipolaire, une diode et une résistance.
Un tel dispositif électronique est avantageux en ce qu’il permet d’éviter un court-circuit des transistors MOSFET sans pour autant recourir à un circuit de pilotage dédié. Ceci représente un gain de place et une réduction de coût.
Le dispositif selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel les deux transistors MOSFET sont identiques.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel les transistors MOSFET sont de type N, à enrichissement.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel la source du premier transistor MOSFET est connectée au drain du deuxième transistor MOSFET.
io Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le drain du premier transistor MOSFET est connecté à la source du deuxième transistor MOSFET.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le transistor bipolaire est un transistor NPN.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel le collecteur du transistor bipolaire est connecté à la grille du premier transistor MOSFET et l’émetteur du transistor bipolaire est connecté à la source du premier transistor MOSFET.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel la cathode de la diode est connectée à la base du transistor bipolaire, et l’anode de la diode est connectée à l’émetteur du transistor bipolaire.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique dans lequel la résistance est connectée entre le drain du premier transistor MOSFET et la base du transistor bipolaire.
Un aspect de l’invention se rapporte à un dispositif électronique agencé pour commander un moteur électrique sans balais.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon une configuration possible ;
- la figure 2 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon une autre configuration ;
- la figure 3 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon un mode de réalisation de io l’invention possible ;
- la figure 4 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque élément mentionné dans le cadre d’un mode de réalisation ne concerne que ce même mode de réalisation, ou que des caractéristiques de ce mode de réalisation s’appliquent seulement à ce mode de réalisation.
La figure 1 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon une première configuration dite low side (côté bas en anglais), non protégée. Dans cette première configuration, une charge inductive L1 (telle qu’un moteur électrique à balais) a vocation à être alimentée via une source de tension V1 telle qu’une batterie. Afin de pouvoir contrôler la charge inductive précisément, une alimentation à découpage est mise en œuvre grâce à deux transistors MOSFET de puissance M1 et M2. Un filtre en PI formé d’un condensateur C1, d’une bobine L2, et d’un couple de condensateurs C2, C3, protège le dispositif électronique de perturbations électromagnétiques éventuelles (qu’il est, pour certaines, susceptible de générer lui-même lors du hachage). Les transistors MOSFET M1 et M2 sont pilotés respectivement via une source d’impulsions MLI V2 connectée via une résistance R1, et via une source d’impulsions MLI V4 connectée via une résistance R4. Ces transistors MOSFET M1 et M2 ne sont pas protégés contre un court-circuit éventuel (fermeture simultanée des deux transistors venant court-circuiter l’alimentation V1 à travers la bobine L2). Un tel dispositif électronique n’est donc pas fiable.
La figure 2 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon une deuxième première configuration dite high side (côté haut en anglais), non protégée. Cette configuration correspond à la configuration low side dans laquelle les transistors
MOSFET M1 et M2 voient leurs positions inversées verticalement. Cette deuxième configuration est fonctionnellement équivalente à la première configuration de la figure 1, dont elle constitue une simple variante (pas davantage fiable). Les composants et sources de tensions sont les mêmes.
La figure 3 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon un mode de réalisation de l’invention correspondant à la deuxième configuration de la figure 2, protégée par l’ajout d’un circuit composé d’une résistance R2, d’un transistor bipolaire Q1 et d’une diode D1. Selon une mise en œuvre possible, les transistors
MOSFET M1 et M2 sont identiques et ont une RDSON comprise entre 2mQ et 4 mû. L’acronyme RDSON provient de l’expression Résistance Drain Source ON, ON signifiant activation en anglais et désignant le mode dans lequel le transistor MOSFET est fermé. Selon une mise en œuvre possible, les résistances R1 et R4 sont des résistances de 40Ω, la résistance R2 est une résistance de 10kQ et le filtre en PI est constitué d’une bobine L2 de 4μΗ, de condensateurs polarisés C1 et C3 de 1500pF chacun et d’un condensateur C2 de 4,7pF. La source de tension V1 est une source de 13V et la charge inductive L1 présente une inductance de 100μΗ.
La figure 4 représente un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive selon un mode de réalisation de l’invention correspondant à la première configuration de la figure 1, protégée par l’ajout d’un circuit composé d’une résistance R2, d’un transistor bipolaire Q1 et d’une diode D1. Selon une mise en œuvre possible, les résistances R1 et R4 sont des résistances de 40Ω, la résistance R2 est une résistance de io 10kQ et le filtre en PI est constitué d’une bobine L2 de 4μΗ, de condensateurs polarisés C1 et C3 de 1500pF chacun et d’un condensateur C2 de 4,7pF. La source de tension V1 est une source de 13V et la charge inductive L1 présente une inductance de 100μΗ.
Selon un premier mode de réalisation, un dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive comprend deux transistors MOSFET de puissance M1, M2. Ces deux transistors M1 et M2 forment un demi pont. La source de l’un est connectée au drain de l’autre. La source du transistor qui n’est pas connectée au drain de l’autre transistor est connectée à la masse. Le drain du transistor qui n’est pas connecté à la source de l’autre transistor est relié à un alimentation en tension V1 telle qu’une batterie de véhicule automobile (le cas échéant à travers un dispositif de protection tel qu’un filtre en PI).
Un premier transistor MOSFET M1 est agencé pour être piloté par un premier signal de commande et pour être connecté entre son drain et sa source à la charge inductive à commander. Le transistor MOSFET M1 peut être vu, en première approximation, comme un interrupteur commandé. Ainsi, selon le signal de commande qu’il reçoit sur sa grille, il est fermé et court-circuite la charge inductive L1 ou au contraire il est ouvert. Ce signal de commande est un signal MLI, c’est-à-dire un signal alternant des niveaux logiques à 0 et à 1 (les niveaux logiques 0 et 1 étant représentés chacun par une tension respective appropriée). La quantité d’énergie électrique transmise à la charge inductive est réglée par un rapport cyclique correspondant à la durée durant laquelle, pendant un cycle (correspondant à l’alternance d’un niveau 0 et d’un niveau 1), le signal MLI est à 1 par rapport à la durée totale du cycle (niveaux 0 et 1 ).
Le deuxième transistor MOSFET M2 est agencé pour être piloté par un deuxième signal MLI inverse du premier (c’est-à-dire qu’il est au niveau logique 0 quand le premier est au niveau logique 1 et réciproquement il est io au niveau logique 1 lorsque le premier est au niveau logique 0).
Le dispositif électronique comprend un circuit de protection du premier transistor MOSFET M1.
Ledit circuit de protection comprend un transistor bipolaire Q1, une diode D1 et une résistance R2. L’association de ces trois composants très simples et très peu chers est très avantageuse et beaucoup moins onéreuse et complexe qu’un circuit de pilotage (driver). Il est ainsi possible de piloter les transistors MOSFET M1 et M2 directement à partir d’un simple microcontrôleur tel qu’un microcontrôleur PIC de la société Microchip Technology. Le transitor Q1 est de type bipolaire plutôt que MOSFET car cela permet de faire passer un courant beaucoup plus faible (avec un transistor MOSFET le courant pourrait atteindre ponctuellement des valeurs de l’ordre de 1000A ce qui ne serait pas acceptable). Il serait techniquement concevable d’utiliser un transistor MOSFET avec un/des amplificateur(s) et/ou un/des comparateur(s), mais alors on perdrait l’intérêt de la simplicité et du coût réduit de la solution. Utiliser un circuit de pilotage deviendrait alors plus intéressant financièrement.
Le circuit de protection est agencé pour détecter la présence d’une tension anormale sur le drain du transistor MOSFET de roue libre afin d’interdire sa mise en conduction en reliant sa grille à sa source.
Pour un moteur polyphasé, il y a typiquement deux transistors MOSFET (du type M1 et M2 précités) par phase, soit six transistors MOSFET dans le cas d’un moteur triphasé.
Selon un deuxième mode de réalisation, les deux transistors MOSFET
M1 et M2 d’un dispositif électronique selon le premier mode de réalisation sont identiques. Ils sont structurellement identiques (il s’agit des mêmes composants) mais ne sont pas montés de la même manière. Il s’agit avantageusement de transistors à commutation rapide, adaptés pour des alimentations à découpage notamment. Selon une mise en œuvre possible, io il s’agit du modèle BSC080N03LS de la société Infineon. Ce modèle de transistors présente une RDSON maximale de 8mD. Lorsque le transistor MOSFET est fermé, il peut être assimilé (entre son drain et sa source) à une résistance RDSON dont la valeur peut fluctuer en fonction des paramètres d’utilisation du transistor MOSFET, mais qui reste inférieure à
8mD. Un tel transistor peut supporter un courant de drain constant de 53A, et de manière ponctuelle (pendant des périodes très brèves) des courants très supérieurs (de l’ordre de 200A).
Selon un troisième mode de réalisation, les transistors MOSFET M1 et
M2 d’un dispositif électronique selon l’un des premier ou deuxième modes de réalisation sont de type N (c’est-à-dire à canal N plutôt qu’à canal P), à enrichissement. Les transistors MOSFET à enrichissement sont avantageux notamment du fait de leur non-conduction en l’absence de polarisation et de leur forte capacité d’intégration. Les transistors MOSFET à appauvrissement présentent un canal conducteur en l’absence de polarisation de grille.
Selon un quatrième mode de réalisation, la source du premier transistor MOSFET M1 d’un dispositif électronique selon le troisième mode de réalisation est connectée au drain du deuxième transistor MOSFET M2. Il s’agit d’un montage dit low side (comme exposé précédemment).
Selon un cinquième mode de réalisation, le drain du premier transistor MOSFET M1 d’un dispositif électronique selon le troisième mode de réalisation est connecté à la source du deuxième transistor MOSFET M2. Il s’agit alors d’un montage dit high side (comme exposé précédemment), symétrique du précédent, et fonctionnellement équivalent, bien que structurellement différent.
io Selon un sixième mode de réalisation, le transistor bipolaire Q1 d’un dispositif électronique selon l’un des premier au cinquième modes de réalisation est un transistor NPN. Les caractéristiques d’un transistor NPN sont généralement meilleures que celles d’un transistor PNP. Selon une mise en œuvre possible, ce transistor est un transistor 2N3904 de la société
Fairchild. Ce transistor est un transistor NPN à usage général (comme amplificateur ou comme interrupteur notamment), qui fonctionne entre -55°C et +150°C et qui accepte les paramètres d’entrée maximaux suivants à 25°C : 200mA de courant de collecteur, 6V de tension émetteur-base, 60V de tension collecteur-base, et 40V de tension collecteur-émetteur.
Selon un septième mode de réalisation, le transistor bipolaire Q1 d’un dispositif électronique selon le sixième mode de réalisation est connecté à la grille du premier transistor MOSFET M1. L’émetteur du transistor bipolaire Q1 est connecté à la source du premier transistor MOSFET M1.
Ceci permet au transistor bipolaire Q1 d’interdire au transistor MOSFET
M1 de se fermer si le transistor MOSFET M2 est en court circuit ou à l’état passant ou encore si une tension est détectée sur le drain du transistor MOSFET M1. Cette tension détectée pourrait provenir de la charge inductive (notamment s’il s’agit d’une charge de type moteur à courant continu fonctionnant ponctuellement en génératrice, par exemple en raison de son inertie mécanique alors qu’il a été mis en rotation rapide). Une mise en route (fermeture) du transistor MOSFET M1 causerait aussi une valeur de courant incontrôlée dans ce transistor, qui pourrait être détruit (il pourrait par exemple exploser).
Selon un huitième mode de réalisation, la cathode de la diode D1 d’un dispositif électronique selon le septième mode de réalisation est connectée à la base du transistor bipolaire Q1, et l’anode de la diode D1 est connectée io à l’émetteur du transistor bipolaire Q1. Cette diode D1 est alors avantageuse en ce qu’elle sert de protection au transistor Q1 en cas de retour d’une tension négative sur sa base. Selon une mise en œuvre possible, la diode D1 est une diode rapide, par exemple une diode 1N4148 de la société NXP, capable de commuter en moins de 4ns.
Selon un neuvième mode de réalisation, la résistance R2 d’un dispositif électronique selon le septième ou le huitième mode de réalisation est connectée entre le drain du premier transistor MOSFET M1 et la base du transistor bipolaire Q1. Cette résistance R2 est avantageuse en ce qu’elle sert de résistance de détection. C’est cette résistance qui permet de détecter la tension qui identifie un défaut (risque de court-circuit) et ainsi à prévenir le court-circuit.
Selon un dixième mode de réalisation, un dispositif électronique selon l’un des premier au neuvième modes de réalisation est agencé pour commander un moteur électrique sans balais (qui constitue la charge inductive). II s’agit par exemple d’un petit moteur d’accessoire de véhicule. Selon une variante, la charge inductive est une vanne proportionnelle, ou toute autre charge inductive pour laquelle il est avantageux de disposer d’une commande à bas coût en particulier dans le domaine de l’automobile
II ressort des modes de réalisation décrits que l’un des premier et deuxième transistors est disposé en parallèle de la charge servant de diode de roue libre tandis que l’autre est disposé en série avec la charge à contrôler.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif électronique de commande électrique d’une charge inductive,
    5 le dispositif électronique comprenant deux transistors MOSFET (M1, M2), la source de l’un étant connectée au drain de l’autre, un premier transistor MOSFET (M1) étant agencé pour être piloté par un premier signal MLI et pour être connecté entre son drain et sa source à la charge inductive à commander, io le deuxième transistor MOSFET (M2) étant agencé pour être piloté par un deuxième signal MLI inverse du premier, le dispositif électronique comprenant un circuit de protection (R2, Q1, D1) du premier transistor MOSFET (M1), ledit circuit de protection comprenant un transistor bipolaire (Q1), une diode (D1) et une résistance
    15 (R2).
  2. 2. Dispositif électronique selon la revendication 1, dans lequel les deux transistors MOSFET (M1, M2) sont identiques.
  3. 3. Dispositif électronique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les transistors MOSFET (M1, M2) sont de type N, à
    20 enrichissement.
  4. 4. Dispositif électronique selon la revendication 3, dans lequel la source du premier transistor MOSFET (M1) est connectée au drain du deuxième transistor MOSFET (M2).
  5. 5. Dispositif électronique selon la revendication 3, dans lequel le drain
    25 du premier transistor MOSFET (M1) est connecté à la source du deuxième transistor MOSFET (M2).
  6. 6. Dispositif électronique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le transistor bipolaire (Q1) est un transistor NPN.
  7. 7. Dispositif électronique selon la revendication 6, dans lequel le collecteur du transistor bipolaire (Q1) est connecté à la grille du premier transistor MOSFET (M1) et l’émetteur du transistor bipolaire (Q1) est
    5 connecté à la source du premier transistor MOSFET (M1 ).
  8. 8. Dispositif électronique selon la revendication 7, dans lequel la cathode de la diode (D1) est connectée à la base du transistor bipolaire (Q1), et l’anode de la diode (D1) est connectée à l’émetteur du transistor bipolaire (Q1).
    io
  9. 9. Dispositif électronique selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la résistance (R2) est connectée entre le drain du premier transistor MOSFET (M1) et la base du transistor bipolaire (Q1).
  10. 10. Dispositif électronique selon l’une des revendications précédentes, agencé pour commander un moteur électrique à balais.
    1/4
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