FR2970608A1

FR2970608A1 - Commande de courant transitoire active dans des disjoncteurs electroniques

Info

Publication number: FR2970608A1
Application number: FR1250358A
Authority: FR
Inventors: Mustansir Kheraluwala; Huazhen Chai; Jeffrey Wavering
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-07-20
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: FR2970608B1; US8614870B2; US20120182656A1

Abstract

Un système et un procédé pour mettre en œuvre un disjoncteur à base de semi-conducteur (140, 200, 300) en tant que limiteur de courant transitoire comprennent un commutateur à semi-conducteur (260) qui fonctionne dans un mode linéaire pendant un événement transitoire et réduit de ce fait le courant transitoire passant à travers le commutateur.

Description

COMMANDE DE COURANT TRANSITOIRE ACTIVE DANS DES DISJONCTEURS ELECTRONIQUES

Contexte La présente invention concerne l'incorporation d'une commande de courant transitoire active dans des disjoncteurs électroniques, par exemple une technologie de barre de puce sur un bus barre (« chip on busbar H en anglais), pour des systèmes de distribution d'énergie aérospatiaux. Des systèmes classiques utilisant des disjoncteurs du type électromécanique incorporent la limitation de courant d'appel active dans chacune des charges liées, par exemple des contrôleurs de moteur pour divers compresseurs, ventilateurs, pompes, etc. Des systèmes de distribution d'énergie sont utilisés dans un avion, ainsi que dans d'autres véhicules, pour distribuer l'énergie électrique provenant d'une source commune, telle qu'une génératrice d'énergie, à de multiples systèmes électroniques différents ayant chacun différentes spécifications de puissance. Comme c'est généralement le cas dans les systèmes électriques, une activation d'une charge liée peut amener une pointe indésirable de courant électrique à circuler à partir d'un bus de puissance dans le système de distribution de puissance à la charge. Ce pic de courant initial est appelé soit courant transitoire, soit courant d'appel du point de vue de la charge, soit courant de sortie du point de vue du disjoncteur. Afin de réduire l'impact que ces courants transitoires ont sur l'électronique liée (charges) dans un système classique utilisant des disjoncteurs électromécaniques, chacune des charges comprend un limiteur de courant transitoire qui réduit un courant d'appel à un niveau acceptable.

Résumé Un procédé de commande active pour commander des courants transitoires en utilisant un commutateur à semi-conducteur (« semi-

conductor switch» en anglais) / disjoncteur fonctionnant dans un mode linéaire est présenté. Un disjoncteur monté sur bus comportant un commutateur à semi-conducteur capable de fonctionner dans un mode inactif, un mode linéaire et un mode actif est également présenté. Le disjoncteur monté sur bus comprend également un contrôleur qui est couplé électriquement à une entrée de commande du commutateur à semi-conducteur. Le commutateur à semi-conducteur connecte de manière interruptible une entrée de puissance et une sortie de puissance.

Un système de distribution de puissance comportant un bus de puissance, au moins une branche de distribution de puissance pour fournir une puissance du bus de puissance à un système électrique, un disjoncteur à base de semi-conducteur monté directement sur le bus de puissance et connectant de manière interruptible la branche de distribution de puissance au bus de puissance, et un contrôleur capable de commander le module de disjoncteur à base de semi-conducteur dans un mode inactif, un mode linéaire et un mode actif est également présenté. Le disjoncteur à base de semi-conducteur comporte en plus un module de limitation de courant de sorte que le semi- conducteur puisse en outre fonctionner en tant que limiteur de courant.

Brève description des dessins La description peut être davantage comprise en faisant référence à la description détaillée qui suit lorsqu'elle est examinée en relation 25 avec les dessins joints, sur lesquels : La figure 1 illustre un exemple de système de distribution de puissance d'avion. La figure 2 illustre schématiquement un système de distribution de puissance qui peut être utilisé dans l'exemple de la figure 1. 30 La figure 3 illustre un exemple de disjoncteur monté sur bus comprenant un commutateur à semi-conducteur. La figure 4 illustre un autre exemple de disjoncteur monté sur bus comprenant un commutateur à semi-conducteur. La figure 5 illustre un exemple de réseau résistif/Zener (RZ) qui 35 peut être utilisé dans les exemples des figures 3 et 4.

La figure 6 illustre un autre exemple de réseau résistif/capacitif/Zener (RCZ) qui peut être utilisé dans les exemples des figures 3 et 4.

Description détaillée Les systèmes de distribution d'énergie de véhicule types utilisent une source de puissance centralisée, telle qu'un moteur, et un bus de puissance pour distribuer une puissance générée à de multiples systèmes électroniques (charges) différents. Un tel système, pour une utilisation dans un avion 10, est illustré sur la figure 1. L'avion 10 comprend une génératrice 20 qui génère une puissance en utilisant la rotation du moteur de l'avion selon des principes connus. La génératrice 20 transmet la puissance à un bus de puissance 30, qui distribue la puissance à diverses charges 50 dans tout l'avion 10. Pour faciliter davantage la distribution de puissance, le bus de puissance 30 comprend de multiples disjoncteurs embarqués montés sur bus 40. Les disjoncteurs embarqués montés sur bus 40 sont des commutateurs à semi-conducteur montés sur bus (ou des réseaux de commutateurs à semi-conducteur) qui sont commandés par un contrôleur 160. La figure 2 présente une illustration schématique d'un système de distribution de puissance 100 qui peut être utilisé dans l'avion 10 de la figure 1. L'exemple de système de distribution de puissance de la figure 2 peut, en variante, être utilisé dans n'importe quel système de distribution de puissance utilisant des disjoncteurs embarqués montés sur bus. Comme illustré sur la figure 2, de multiples disjoncteurs embarqués montés sur bus 140 sont liés directement au bus de puissance 130 selon des techniques connues. La puissance est transmise par les disjoncteurs embarqués montés sur bus 140 aux charges électriques 150 réparties. Dans les systèmes de distribution d'énergie typiques, des disjoncteurs électromécaniques sont utilisés et ne sont pas directement montés sur le bus. En plus des disjoncteurs électromécaniques, les systèmes de distribution d'énergie typiques nécessitent également un limiteur de courant transitoire dans chacune des charges 150 liées afin de protéger les charges 150 des courants transitoires. L'utilisation de disjoncteurs embarqués montés sur bus 140, comme dans l'exemple de la figure 2, permet à la partie semi-

conductrice du disjoncteur embarqué monté sur bus 140 de fournir la fonction supplémentaire de limitation de courant transitoire, avec l'ajout d'un nombre minimal de composants de commande. L'utilisation de la partie semi-conductrice du disjoncteur embarqué monté sur bus 140 en tant que limiteur de courant transitoire permet que la fonction de limitation de courant transitoire soit mise en oeuvre du côté bus du système plutôt que dans chacune des charges 150 liées, permettant de ce fait que chacune des charges 150 soit conçue sans inclure de limiteur de courant transitoire. Le déplacement de la fonction de limitation de courant pour utiliser des composants préexistants réduit le poids et le coût globaux, ainsi qu'une reconnaissance des gains d'efficacité. Le bus de puissance 130 comprend également un contrôleur 160 qui comprend des capteurs qui détectent les caractéristiques de puissance du bus de puissance 130. Le contrôleur 160 commande chacun des disjoncteurs embarqués montés sur bus 140 sur la base des caractéristiques détectées. Le contrôleur 160 peut être un dispositif monté sur bus (tel que représenté), ou monté de manière indépendante et consommer une puissance provenant d'une source séparée. Dans le cas d'un contrôleur monté sur bus 160, les disjoncteurs embarqués montés sur bus 140 et le contrôleur 160 peuvent être un circuit intégré unique, ou une autre forme d'un composant électrique unique. Le contrôleur 160 peut commander les disjoncteurs montés sur bus 140 selon des principes connus pour effectuer une fonction de disjoncteur.

La figure 3 illustre un exemple de disjoncteur embarqué monté sur bus 200 (correspondant au disjoncteur embarqué monté sur bus 140 de la figure 2) avec des éléments de circuit supplémentaires qui permettent à chaque module de commutateur à semi-conducteur 252, 254 dans le disjoncteur embarqué monté sur bus 200 de fonctionner en tant que module de limitation de courant. L'exemple de la figure 3 utilise deux modules de commutateur à semi-conducteur 252, 254 unidirectionnels agencés avec une extrémité d'émetteur 262 du transistor du premier module 252 connectée à une extrémité d'émetteur 262 du transistor du deuxième module 254, permettant de ce fait la circulation de courant dans l'une ou l'autre direction. En plus, un écrêteur à diode Zener 242 (« Zener diode clamp » en anglais) est connecté en parallèle à chacun des commutateurs 260.

Chaque module 252, 254 partage une entrée de signal de commande de semi-conducteur 230 unique, qui commande l'état de fonctionnement du commutateur à semi-conducteur 260 sur la base de l'amplitude du courant de commande. Le signal de commande de semi- s conducteur provient d'un contrôleur 160 (représenté sur la figure 2). Le signal de commande est conditionné par deux résistances de conditionnement 244, 246 et un réseau résistif/capacitif/Zener (RCZ) 240 avant d'effectuer la commande du commutateur à semi-conducteur 260. L'amplitude du courant de commande atteignant l'entrée de 10 commande du commutateur à semi-conducteur 260 détermine dans lequel de trois modes possibles (inactif, linéaire, ou actif) le commutateur à semi-conducteur 260 fonctionne. Un autre module de disjoncteur embarqué monté sur bus 300 utilisant un commutateur à semi-conducteur 360 unidirectionnel 15 unique est illustré sur la figure 4. Comme pour la figure 3, un signal de commande de commutateur à semi-conducteur 330 est conditionné par deux résistances de conditionnement 344 et 346 ainsi qu'un élément RCZ 340. Un écrêteur à diode Zener 342 est placé en parallèle avec le commutateur 360. Un réseau de diodes 350 est utilisé également pour 20 garantir qu'un courant traversera toujours le commutateur à semi-conducteur 360 dans une direction unique indépendamment du fait que le courant soit positif ou négatif. Les diodes 350 sont agencées en une formation de pont standard selon des techniques connues. Comme pour l'exemple de la figure 3, l'amplitude du courant de commande 25 atteignant le commutateur à semi-conducteur 360 détermine dans lequel des trois modes le commutateur à semi-conducteur fonctionne et permet au module de disjoncteur 300 de fonctionner en tant que module de limitation de courant. En faisant référence aux exemples des figures 3 et 4, lorsqu'un 30 signal de commande avec une amplitude nulle atteint l'entrée de commande du commutateur à semi-conducteur 260, 360, le commutateur à semi-conducteur 260, 360 fonctionne dans un mode inactif, et aucune puissance n'est autorisée à traverser le commutateur à semi-conducteur 260, 360. Le mode « inactif » est utilisé lorsque le 35 contrôleur détermine qu'un défaut est présent ou lorsque le contrôleur 160 détermine que le circuit devrait être coupé. Dans un mode inactif,

une charge électrique 150 correspondante est isolée du bus de puissance 130. Lorsqu'un courant de commande élevé (un signal de commande avec une amplitude dépassant un niveau de courant de mode linéaire) atteint l'entrée de commande du commutateur à semi-conducteur 260, 360, le commutateur à semi-conducteur 260, 360 fonctionne dans un mode actif. Dans le mode actif, le commutateur à semi-conducteur 260, 360 permet à la puissance de passer librement, réalisant un trajet de puissance direct de la source de puissance 210, 310, qui est connectée au bus de puissance 130, à la charge électrique 220, 320. Par la commutation entre les modes actif et inactif, le disjoncteur embarqué monté sur bus 200 peut fonctionner en tant que disjoncteur standard. Le troisième mode de fonctionnement du commutateur à semi-conducteur est un mode linéaire. Le commutateur à semi-conducteur 260, 360 entre dans le mode linéaire lorsqu'un signal de commande faible, non nul est appliqué à l'entrée de commande 230, 330. Alors qu'il fonctionne dans un mode linéaire, le commutateur à semi-conducteur 260, 360 est configuré en tant que résistance active avec une résistance équivalente R. Par le fonctionnement du commutateur à semi-conducteur 260, 360 dans un mode linéaire pendant un événement transitoire, le courant transitoire est réduit à un niveau de courant acceptable. De cette manière, le commutateur à semi-conducteur 260, 360 agit en tant que limiteur de courant en plus de sa fonction en tant que disjoncteur. Cette fonctionnalité peut être réalisée en mettant le commutateur à semi-conducteur 260, 360 dans le mode linéaire lorsqu'un événement transitoire est détecté, et en ramenant le commutateur à semi-conducteur 260, 360 dans un mode actif ou inactif lorsque l'événement transitoire est terminé. Le début et la fin de l'événement transitoire sont détectés par un contrôleur 160 (montré sur la figure 2) en utilisant des techniques de détection d'événement transitoire connues dans l'art. Bien que le gain dans le mode linéaire soit fractionnaire, le gain spécifique dépend de l'amplitude du signal de commande et des valeurs résistive et capacitive du circuit RZ 240, comme décrit ci-dessous. La présence du RCZ 240 permet en outre l'ajustement du gain et affecte le niveau de précision de manière à ce qu'il corresponde à la courbe de gain non linéaire d'un commutateur à semi-conducteur.

La précision de la commande de gain dans la phase linéaire est déterminée par le RCZ 240, 340 mis en oeuvre dans le disjoncteur embarqué monté sur bus 200, 300. La figure 5 illustre un exemple d'un élément RZ 400 simple comportant une résistance 410 et une diode Zener 420. Alors que les descriptions ci-dessus comportent un élément RCZ 240, 340, l'exemple simplifié omet le condensateur et est ainsi un élément RZ. Les éléments en pointillés 430 sont prévus pour le contexte, et ne sont pas des composants de l'élément RZ 400. La réduction du signal transitoire (le gain) dans l'exemple de la figure 5 est approchée par une résistance ayant une valeur de résistance R calculée en utilisant : R = V1/Ic + ((Rc+R1)/(R1*(Ic/(Vg-Vl)))), Rc étant la résistance de collecteur 246, 346, R1 étant la résistance équivalente de l'élément résistif du réseau RZ 400, le étant le courant de collecteur, Vg étant la tension de grille du commutateur à semi-conducteur 440, V1 étant la chute de tension à travers la diode Zener 420 de l'élément RCZ 400, et R étant la résistance équivalente. La transconductance est non linéaire, et la non linéarité peut, en variante, être approchée en utilisant deux ou trois branches de résistance-Zener. Un exemple utilisant trois branches de résistance- Zener comportant chacune une résistance 510 en série avec une diode Zener 520 est illustré sur la figure 6. La tolérance de commande de courant d'appel peut être réduite davantage en utilisant une commande à croissance linéaire RC en ajoutant un condensateur 530 entre la grille et l'émetteur du commutateur à semi-conducteur 540. Cela transforme efficacement la résistance active en une résistance variable qui domine le courant d'appel, réduisant de ce fait les effets des tolérances de transconductances. L'exemple d'équation de gain de la figure 5 est montré en utilisant un IGBT (de l'anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor) en tant que commutateur à semi-conducteur. En variante, d'autres agencements de semi-conducteur, tels qu'un transistor BJT (de l'anglais « Bipolar junction Transistor ») ou des transistors MOSFET (de l'anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), peuvent être utilisés. Les modifications de la formule pour déterminer R pour chacun de ces autres agencements peuvent être déterminées par l'homme du métier en utilisant des principes connus.

Bien qu'un mode de réalisation donné à titre d'exemple ait été présenté, l'homme du métier reconnaîtra que certaines modifications tomberont dans l'étendue des revendications. Pour cette raison, les revendications qui suivent devraient être étudiées pour déterminer leurs vrais contenus et étendue.

Claims

REVENDICATIONS1. Système de distribution de puissance (100), comprenant : un bus de puissance (130) ; au moins une branche de distribution de puissance (152) pour fournir une puissance dudit bus de puissance à un système électrique (150) ; un module de disjoncteur à base de semi-conducteur (140) monté directement sur ledit bus de puissance et connectant de manière interruptible ladite branche de distribution de puissance audit bus de puissance ; un contrôleur (160) capable de commander ledit module de disjoncteur à base de semi-conducteur dans un mode inactif, un mode linéaire et un mode actif ; et dans lequel ledit module de disjoncteur à base de semi-conducteur (140) comprend en outre un module de limitation de courant (252, 254) de sorte que ledit module de disjoncteur à base de semi-conducteur puisse en outre fonctionner en tant que limiteur de courant.
2. Système de distribution de puissance selon la revendication 1, dans lequel ledit module de disjoncteur à base de semi-conducteur comprend en outre un réseau de résistance/condensateur/diode Zener (RCZ) (240, 340, 400, 500) connecté entre une grille d'un commutateur à semi-conducteur (260) et un émetteur (262) dudit commutateur à semi-conducteur, permettant de ce fait audit commutateur à semi-conducteur de fonctionner dans un mode linéaire.
3. Système de distribution de puissance selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit module de disjoncteur à base de semi-conducteur comprend en outre au moins un commutateur à semi- conducteur (260, 360) unidirectionnel agencé de sorte qu'une puissance puisse traverser ledit module de disjoncteur à base de semi-conducteur dans l'une ou l'autre d'une direction positive ou négative.
4. Disjoncteur monté sur bus (140, 200, 300) comprenant : un commutateur à semi-conducteur (260) capable de fonctionner 35 dans un mode inactif, un mode linéaire et un mode actif ; au moins un réseau de résistance/Zener (RZ) (240, 340, 400, 500) connecté à une entrée de commande dudit commutateur à semi- conducteur, permettant de ce fait de commander le commutateur à semi-conducteur dans un mode linéaire ; un contrôleur (160) couplé électriquement à ladite entrée de commande dudit commutateur à semi-conducteur ; et dans lequel ledit commutateur à semi-conducteur connecte de manière interruptible une entrée de puissance (210, 310) et une sortie de puissance (220, 320).
5. Disjoncteur monté sur bus selon la revendication 4, dans lequel ledit commutateur à semi-conducteur (260) comprend au moins l'un d'un transistor bipolaire à grille isolée, d'un transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur et d'un transistor à jonction bipolaire.
6. Disjoncteur monté sur bus selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ledit réseau RZ est un réseau résistif/capacitance/Zener (RCZ) 15 (500).
7. Disjoncteur monté sur bus selon la revendication 4, 5 ou 6, dans lequel ledit disjoncteur comprend deux modules à semi-conducteur (252, 254) unidirectionnels, chacun desdits modules à semi-conducteur unidirectionnels comportant un commutateur à semi- 20 conducteur (260).
8. Disjoncteur monté sur bus selon la revendication 7, dans lequel un émetteur (262) d'un premier module à semi-conducteur (252) unidirectionnel est connecté à un émetteur (262) d'un deuxième module à semi-conducteur (254), permettant de ce fait audit disjoncteur monté 25 sur bus de fonctionner de manière bidirectionnelle.
9. Disjoncteur monté sur bus selon la revendication 4, 5 ou 6, dans lequel ledit disjoncteur comprend un module à semi-conducteur (300) bidirectionnel comportant un commutateur à semi-conducteur (360). 30
10. Disjoncteur monté sur bus selon la revendication 9, dans lequel ledit module à semi-conducteur bidirectionnel comprend un pont de diodes (350), dans lequel ledit commutateur à semi-conducteur (360) connecte une première jonction de diode et une deuxième jonction de diode, et dans lequel chacune desdites première et deuxième jonctions 35 de diode n'ont aucune autre connexion, permettant de ce fait audit module de commutateur à semi-conducteur de fonctionner de manière bidirectionnelle.
11. Disjoncteur monté sur bus selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, comprenant en outre un écrêteur à diode Zener (242, 342), dans lequel ledit écrêteur à diode Zener et ledit commutateur à semi-conducteur sont connectés en parallèle.
12. Procédé pour commander de manière active des courants transitoires/ d'appel vers une charge, comprenant l'étape de mise en oeuvre d'un circuit résistif/Zener (RZ) passif et d'un commutateur à semi-conducteur (260, 360) dans un mode linéaire, éliminant de ce fait le besoin de limiteurs de courant côté charge.
13. Procédé selon la revendication 12, comprenant en outre les étapes consistant à mettre en oeuvre ledit commutateur à semi-conducteur dans un mode inactif lorsque aucun courant traversant n'est nécessaire et lorsqu'un défaut est détecté.
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, comprenant en outre 15 l'étape consistant à mettre en oeuvre ledit commutateur à semi- conducteur dans un mode totalement actif en tant que disjoncteur ou commutateur.
15. Procédé selon la revendication 12, 13 ou 14, comprenant en outre les étapes consistant à : 20 détecter un début d'un événement transitoire ; mettre ledit commutateur à semi-conducteur dans le mode linéaire pendant une durée dudit événement transitoire ; et détecter une fin dudit événement transitoire.
16. Procédé selon la revendication 12, 13, 14 ou 15, dans lequel 25 ladite étape consistant à faire passer ledit courant transitoire à travers ledit commutateur à semi-conducteur fonctionnant dans le mode linéaire réduit ledit courant transitoire.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel ledit commutateur à semi-conducteur est un composant 30 d'un disjoncteur à semi-conducteur monté sur bus.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, dans lequel ledit circuit RZ passif est un circuit de résistance/capacitance/Zener (RCZ) passif (500).