WO2008152466A2 - Dispositif de detection de defaut d'isolement - Google Patents

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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/62—Testing of transformers

Definitions

  • the present invention relates to devices for detecting insulation fault or galvanic isolation between two electronic circuits during operation, for example between the primary coil 1 and the secondary coil 2 of a transformer 3 of a voltage converter. 9, as shown in Figure 1.
  • Such devices are particularly necessary in converters voltage 12 volts / 230 volts used in the home automation of motor vehicles and, as such, they are subject to safety regulations whose standards EMC (electromagnetic compatibility) and holding at a voltage Vn equal in this case to 3750 volts.
  • the device 5 generally comprises a current generator between the primary and secondary circuits.
  • the device 5 is temporarily connected by a relay or an electronic switch 4, the time of measurement.
  • relay 4 When relay 4 is closed, the IF current is established and measurement 5 is performed.
  • the present invention relates to an isolation fault detection device of a voltage converter, the converter comprising a primary circuit and a secondary circuit, the device being characterized in that it comprises at least one capacitor connecting the primary and secondary circuits.
  • a capacitor capable of holding the voltage Vn of the above safety standard is both small and inexpensive.
  • the measure is always available and does not require a relay. Thanks to the capacitor, a measurement of the leakage current has been replaced by an impedance measurement, which varies in the event of insulation fault, that is to say, in the event of existence, between the primary and secondary circuits. secondary and in series with the detection capacitor, a non-infinite value fault resistance.
  • the device comprises a measuring bridge integrating two capacitors connected in series to connect the primary and secondary circuits of the capacitor.
  • the device comprises a frequency generator supplying the measurement bridge.
  • FIG. 1 is a simplified circuit diagram of a voltage converter circuit which is to test the galvanic isolation
  • FIG. 2 represents the circuit of FIG. 1 with a galvanic isolation detection device of the prior art
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the galvanic isolation detection device of a voltage converter according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 is an electrical diagram of the galvanic isolation detection device of the converter of Figure 3 according to a second embodiment of the invention.
  • the voltage converter 10 of FIG. 3 is intended to convert the input voltage Vp (here 12 volts) into an output voltage Vs (here 230 volts).
  • the converter 10 comprises a transformer 3 with its primary and secondary circuits 1, 2.
  • control circuit 7 On the primary circuit 1 is inserted a control circuit 7: a switching or chopping transistor, here an N-channel transistor.
  • a filtering or output stage 8 On the secondary circuit 2 is provided a filtering or output stage 8.
  • the switch of the prior art is replaced by a bridge 4 of capacitors CY, CA, connected in series, and able to hold the voltage Vn, so that the fault detection can be performed without danger of breakdown and in permanence during the operation of the converter as we will see.
  • a measuring circuit 5 and the capacitor bridge 4 constitute the isolation fault detection device of the converter 10.
  • the measuring circuit 5 comprises a frequency generator E delivering a current IE, at a predetermined frequency F in a load resistor RE and in the primary circuit of a galvanic isolation 6, so here a transformer, whose secondary circuit is connected across the capacitor CA.
  • the measurement is available by the voltage VE across the resistor RE. But in this first embodiment, there is arranged a comparator, here an operational amplifier 11 mounted as a comparator.
  • the comparator 11 is connected to the resistor RE by one of its two inputs and receives a reference voltage 12 on the other input and is thus arranged to permanently provide the difference D between this reference voltage 12 and the voltage V E existing across the resistor RE.
  • the leakage impedance ZF has a capacitive component CF, very low in front of CY and CA and can be neglected, and an RF resistive component.
  • the current IF is established at the resonance frequency Fr which essentially results from the value of the inductances presented by the transformer 6, as represented in FIG. 3, and the capacitances of the capacitors CY and CA.
  • This resonance frequency is therefore that of the circuit constituted by the transformer 6 and capacitors CY and CA of the measuring bridge.
  • the frequency Fr can be evaluated by applying the calculation methods known to those skilled in the art.
  • the generator E and the galvanic isolation 6 must necessarily be chosen to operate at a frequency F substantially equal to the frequency Fr, so as to obtain a better sensitivity.
  • the measuring circuit 5 comprises the generator E delivering the current IE at the frequency F in the resistor RE and in the primary circuit of the isolation 6, the secondary circuit is connected to the terminals of the capacitor CA, and a measurement stage 13 (also part of the circuit 5) for obtaining the peak value of the voltage across the capacitor CA and provide directly a voltage V E which takes into account the lack of isolation sought, directly usable by a microprocessor (not shown) after analog / digital conversion.
  • the capacitor CA when there is no insulation fault, the capacitor CA is charged by a known current. In case of a fault, part of the current is diverted on the capacitor CY and the voltage across the capacitor CA is reduced.
  • the insulation fault detection with respect to the maximum permissible threshold can be performed by comparing the insulation fault measurement with a predetermined reference value.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (4, 5) de detection de defaut d'isolement d'un convertisseur en tension (10), Ie convertisseur (10) comportant un circuit primaire (1 ) et un circuit secondaire (2), Ie dispositif etant caracterise par Ie fait qu'il comporte au moins un condensateur (CY, CA) reliant les circuits primaire et secondaire (1, 2) du convertisseur. Grace au condensateur, on a substitue, a une mesure du courant de fuite, une mesure d'impedance, qui varie en cas de defaut d'isolement, c'est-a-dire en cas d'existence, entre les circuits primaire et secondaire et en serie avec Ie condensateur de detection, d'une resistance de defaut de valeur non infinie.

Description

La présente invention concerne les dispositifs de détection de défaut d'isolation ou d'isolement galvanique entre deux circuits électroniques en cours de fonctionnement, par exemple entre la bobine primaire 1 et la bobine secondaire 2 d'un transformateur 3 d'un convertisseur en tension 9, comme il est montré en figure 1.
De tels dispositifs sont notamment nécessaires dans les convertisseurs en tension 12 Volts / 230 Volts utilisés dans la domotique embarquée des véhicules automobiles et, en tant que tels, ils sont soumis à des réglementations de sécurité dont les normes CEM (compatibilité électromagnétique) et la tenue à une tension Vn égale en l'espèce à 3750 Volts.
Il est connu, en référence à la figure 2, de disposer, entre les circuits primaire et secondaire 1 , 2 du convertisseur 9, un dispositif 5 de mesure de la tension générée par le courant de fuite IF existant entre les bobines primaire et secondaire du transformateur 3. Le dispositif 5 comprend généralement un générateur de courant entre les circuits primaire et secondaire.
Le dispositif 5 est temporairement connecté par un relais ou un interrupteur électronique 4, le temps de la mesure. Quand le relais 4 est fermé, le courant IF s'établit et la mesure 5 est effectuée.
Plutôt que de mettre un seul relais 4 capable de tenir la tension Vn, volumineux et coûteux, on préfère généralement insérer plusieurs relais en série.
Mais cette solution reste volumineuse et coûteuse. La demanderesse a cherché une solution plus économique et c'est ainsi qu'elle propose son invention.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de détection de défaut d'isolement d'un convertisseur en tension, le convertisseur comportant un circuit primaire et un circuit secondaire, le dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un condensateur reliant les circuits primaire et secondaire.
Un condensateur capable de tenir la tension Vn de la norme de sécurité ci-dessus est à la fois peu volumineux et peu coûteux. De plus, la mesure est disponible en permanence et elle ne nécessite pas de relais. Grâce au condensateur, on a substitué, à une mesure du courant de fuite, une mesure d'impédance, qui varie en cas de défaut d'isolement, c'est-à-dire en cas d'existence, entre les circuits primaire et secondaire et en série avec le condensateur de détection, d'une résistance de défaut de valeur non infinie.
De préférence, le dispositif comporte un pont de mesure intégrant deux condensateurs montés en série pour relier les circuits primaire et secondaire du condensateur.
Avantageusement, le dispositif comporte un générateur de fréquence alimentant le pont de mesure.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après du dispositif de détection d'isolement galvanique d'un convertisseur en tension selon l'invention, faite en référence au dessin annexé sur lequel
- la figure 1 est un schéma électrique simplifié d'un circuit convertisseur en tension dont on veut tester l'isolement galvanique ;
- la figure 2 représente le circuit de la figure 1 avec un dispositif de détection d'isolement galvanique de l'art antérieur ; - la figure 3 est un schéma électrique du dispositif de détection d'isolement galvanique d'un convertisseur en tension selon une première forme de réalisation de l'invention et
- la figure 4 est un schéma électrique du dispositif de détection d'isolement galvanique du convertisseur de la figure 3 selon une seconde forme de réalisation de l'invention.
Le convertisseur en tension 10 de la figure 3 est destiné à convertir la tension Vp fournie en entrée (ici 12 volts) en une tension de sortie Vs (ici 230 volts).
Il s'agit en l'occurrence d'un convertisseur de la domotique embarquée à bord d'un véhicule automobile. Toutefois, la demanderesse n'entend pas limiter son invention à une telle application, les convertisseurs en tension étant montés dans bon nombre de circuits électroniques. Le convertisseur 10 comporte un transformateur 3 avec ses circuits primaire et secondaire 1 , 2.
Sur le circuit primaire 1 est inséré un circuit de commande 7 : un transistor de commutation ou de hachage, ici un transistor canal N. Sur le circuit secondaire 2 est prévu un étage de filtrage ou de sortie 8.
Ici, l'interrupteur de l'art antérieur est remplacé par un pont 4 de condensateurs CY, CA, reliés en série, et capable de tenir la tension Vn, de sorte que la détection de défaut peut être effectuée sans danger de claquage et en permanence pendant le fonctionnement du convertisseur comme on va le voir.
Un circuit de mesure 5 et le pont de condensateurs 4 constituent le dispositif de détection de défaut d'isolement du convertisseur 10.
Dans la première forme de réalisation de la figure 3 du dispositif de détection de défaut d'isolement 4, 5, le circuit de mesure 5 comporte un générateur de fréquence E débitant un courant IE, à une fréquence F prédéterminée dans une résistance de charge RE et dans le circuit primaire d'un isolement galvanique 6, donc ici un transformateur, dont le circuit secondaire est connecté aux bornes du condensateur CA.
La mesure est disponible par la tension VE aux bornes de la résistance RE. Mais dans cette première forme de réalisation, on a disposé un comparateur, ici un amplificateur opérationnel 11 monté en comparateur .
Le comparateur 11 est connecté à la résistance RE par l'une de ses deux entrées et reçoit une tension de référence 12 sur l'autre entrée et est ainsi agencé pour fournir en permanence la différence D entre cette tension de référence 12 et la tension VE existant aux bornes de la résistance RE.
Quand un courant de fuite iF s'établit parce que la résistance RF n'est pas infinie, il traverse les condensateurs CY et CA et s'ajoute au courant IA dans le condensateur CA et Is dans le secondaire de l'isolement galvanique 6. Le courant IE dans la résistance RE augmente donc aussi, modifiant la tension VE. La caractérisation, ici par un microprocesseur non représenté, du signe de la sortie D de l'amplificateur 11 permet la détection de défaut d'isolement et le déclenchement d'une alerte si la tension VE dépasse la tension de référence 12. La tension VE constitue alors une donnée analogique permettant d'évaluer aisément en permanence la mesure du défaut d'isolement entre les circuits primaire et secondaire 1 , 2 du convertisseur 10, donc son importance.
Plus précisément, l'impédance de fuite ZF comporte une composante capacitive CF, très faible devant CY et CA et que l'on peut négliger, et une composante résistive RF. Par suite, le courant IF s'établit à la fréquence de résonance Fr qui résulte essentiellement de la valeur des inductances présentées par le transformateur 6, comme représenté figure 3, et des capacités des condensateurs CY et CA. Cette fréquence de résonance est donc celle du circuit constitué par le transformateur 6 et des condensateurs CY et CA du pont de mesure.
La fréquence Fr peut être évaluée en appliquant les méthodes de calcul connues de l'homme du métier.
Le générateur E et l'isolement galvanique 6 doivent nécessairement être choisis pour fonctionner à une fréquence F sensiblement égale la fréquence Fr, de façon à obtenir une meilleure sensibilité.
Dans la seconde forme de réalisation du dispositif de détection de défaut d'isolement de la figure 4, le circuit de mesure 5 comporte le générateur E débitant le courant IE à la fréquence F dans la résistance RE et dans le circuit primaire de l'isolement galvanique 6 dont le circuit secondaire est connecté aux bornes du condensateur CA, et d'un étage de mesure 13 (faisant également partie du circuit 5) permettant d'obtenir la valeur crête de la tension aux bornes du condensateur CA et d'en fournir directement une tension VE qui tient compte du au défaut d'isolement cherché, directement exploitable par un microprocesseur (non représenté) après conversion analogique / numérique.
En effet, lorsqu'il n'y a pas de défaut d'isolement, le condensateur CA est chargé par un courant connu. En cas de défaut, une partie du courant est détournée sur le condensateur CY et la tension aux bornes du condensateur CA est réduite. Dans le microprocesseur, la détection de défaut d'isolement par rapport au seuil maximal admissible peut être effectuée par comparaison de la mesure de défaut d'isolement à une valeur de référence prédéterminée.

Claims

REVENDICATIONS
1- Dispositif (4, 5) de détection de défaut d'isolement d'un convertisseur en tension (10), le convertisseur (10) comportant un circuit primaire
(1) et un circuit secondaire (2), le dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un condensateur (CY, CA) reliant les circuits primaire et secondaire (1 , 2) du convertisseur.
2- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'il comporte un pont de mesure (4) intégrant deux condensateurs (CY,
CA) montés en série pour relier les circuits primaire et secondaire (1 ,
2).
3- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un générateur E de fréquence F alimentant ledit pont de mesure (4).
4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit générateur E alimente un circuit comportant une résistance de charge
RE-
5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit circuit alimenté par le générateur E est isolé du pont de mesure (4) grâce à un isolement galvanique (6).
6- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la détection de défaut d'isolement est effectuée sur la résistance de charge RE par un compensateur (11) 7- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que la mesure de défaut d'isolement est effectuée sur au moins un condensateur CA du pont de mesure (4).
8- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte un filtre redresseur (13) aux bornes dudit condensateur CA du pont de mesure (4).
9- Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé par le fait que la fréquence F du générateur E est sensiblement égale à la fréquence de résonance Fr du circuit constitué par le transformateur 6 et des condensateurs (CY, CA) du pont de mesure (4)
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