FR3153707A1 - Short-circuit protection method for a MOSFET power converter connected to a DC power supply network - Google Patents
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Abstract
Procédé de protection contre les courts circuits pour un convertisseur de puissance à MOSFET branché à un réseau d’alimentation continue Procédé de commande d’un convertisseur de puissance raccordé à un réseau de tension continue et comprenant une machine électrique tournante, le convertisseur comprenant des bras électriques en parallèle et dotés chacun d’au moins deux MOSFET, et un circuit de commande comportant un module de protection configuré pour interdire la conduction simultanée des MOSFET d’un même bras. Le procédé comprend :- une détection (410) d’un court-circuit sur ledit réseau, puis - une désactivation (420) du module de protection, et- une commande (430) des MOSFET dans un mode de diode idéale dans lequel chaque MOSFET conduit dès que la tension à ses bornes est négative,entraînant ainsi une conduction simultanée des MOSFET d’un même bras lorsque le courant traversant l’inductance de filtrage est supérieur au courant délivré par la machine électrique, et un mode de redressement synchrone une fois le courant inférieur. Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Short-circuit protection method for a MOSFET power converter connected to a DC power supply network Method for controlling a power converter connected to a DC voltage network and comprising a rotating electrical machine, the converter comprising parallel electrical arms each equipped with at least two MOSFETs, and a control circuit comprising a protection module configured to prevent the simultaneous conduction of the MOSFETs of a given arm. The method comprises: - detecting (410) a short circuit on said network, then - deactivating (420) the protection module, and - controlling (430) the MOSFETs in an ideal diode mode in which each MOSFET conducts as soon as the voltage across its terminals is negative, thus causing simultaneous conduction of the MOSFETs of a given arm when the current flowing through the filter inductor is greater than the current delivered by the electrical machine, and a synchronous rectification mode once the current is lower. Figure for abstract: Fig. 4
Description
L'invention concerne les convertisseurs de tension équipés de semi-conducteurs MOSFET et branchés entre un réseau d’alimentation à tension continue et une machine tournante telle qu’un moteur/générateur électrique ou hybride électrique, et plus particulièrement à un procédé de protection contre les courts circuits d’un circuit électrique doté d’un tel convertisseur.The invention relates to voltage converters equipped with MOSFET semiconductors and connected between a direct voltage power supply network and a rotating machine such as an electric or hybrid electric motor/generator, and more particularly to a method of protecting against short circuits of an electrical circuit equipped with such a converter.
Sur la
L’architecture comprend en outre un condensateur de filtrage 6 couplé en parallèle des branches électriques 5, et une inductance de filtrage 7 couplée en série entre le réseau électrique DC 1 et la capacité de filtrage 6. Une résistance de câblage 8 a également été représentée.The architecture further comprises a filter capacitor 6 coupled in parallel with the electrical branches 5, and a filter inductor 7 coupled in series between the DC electrical network 1 and the filter capacitor 6. A wiring resistor 8 has also been shown.
Sur cette architecture type, le convertisseur de puissance 2 forme un onduleur de tension. La machine tournante 1 à laquelle le convertisseur 2 est électriquement couplé est une machine électrique telle qu’une machine à aimants permanents, ou PMSM en anglais pour « permanent magnet synchronous machine ».In this typical architecture, the power converter 2 forms a voltage inverter. The rotating machine 1 to which the converter 2 is electrically coupled is an electrical machine such as a permanent magnet synchronous machine, or PMSM.
Le convertisseur de puissance 2 est commandé par un circuit de commande 9 des grilles des MOSFET. En fonctionnement normal, les MOSFET 4 de l’onduleur 2 sont commandés par le circuit de commande en modulation à largeur d’impulsions (MLI) pour entraîner le moteur (mode propulsif) ou pour prélever de la puissance (mode générateur) pour alimenter le réseau électrique DC.The power converter 2 is controlled by a MOSFET gate control circuit 9. In normal operation, the MOSFETs 4 of the inverter 2 are controlled by the pulse width modulation (PWM) control circuit to drive the motor (propulsion mode) or to draw power (generator mode) to supply the DC power grid.
En cas de court-circuit sur le réseau DC 1 (la source d’alimentation du réseau DC de la
Ce courant de court-circuit peut entraîner la casse des MOSFET 4, à moins de les surdimensionner ou de rajouter des diodes en antiparallèle.This short-circuit current can cause the MOSFET 4 to break, unless they are oversized or diodes are added in anti-parallel.
Plusieurs techniques existent pour réagir en cas de court-circuit réseau et décharger le condensateur de filtrage de manière sûre.There are several techniques for reacting to a network short circuit and safely discharging the filter capacitor.
Il est connu du document US 2021/0080491 un circuit de détection pour un circuit de décharge active d’une capacité. Ce document décrit une pratique répandue qui consiste à utiliser un circuit de décharge active grâce à l’adjonction d’un circuit dédié en parallèle de l’onduleur dont le rôle est de décharger la capacité de manière contrôlée et sûre dès qu’un défaut le nécessitant est détecté. Ainsi tout le courant est absorbé par ce circuit évitant tout impact sur les autres composants de l’étage de puissance.Document US 2021/0080491 discloses a detection circuit for an active discharge circuit of a capacitor. This document describes a widespread practice which consists of using an active discharge circuit by adding a dedicated circuit in parallel with the inverter whose role is to discharge the capacitor in a controlled and safe manner as soon as a fault requiring it is detected. Thus, all the current is absorbed by this circuit, avoiding any impact on the other components of the power stage.
Cette solution de décharge active permet de contrôler la décharge du condensateur de filtrage dans un circuit dédié en parallèle du réseau.This active discharge solution allows to control the discharge of the filter capacitor in a dedicated circuit in parallel with the network.
En revanche, elle ne permet pas d’éviter la décharge du condensateur de filtrage dans un court-circuit présent sur le réseau (le circuit de décharge active est en parallèle).On the other hand, it does not prevent the filter capacitor from discharging in a short circuit present on the network (the active discharge circuit is in parallel).
Pour protéger les systèmes de court-circuit, il est également connu d’ajouter des composants en parallèles, comme des diodes antiparallèles ou des MOSFET additionnels, pour conduire le courant de court-circuit.To protect systems from short circuit, it is also known to add parallel components, such as antiparallel diodes or additional MOSFETs, to conduct the short circuit current.
Bien que cette technique soit la plus utilisée, elle engendre un surcoût et une augmentation de la taille du module de puissance.Although this technique is the most used, it generates additional cost and an increase in the size of the power module.
Le document US006021055, relatif à un circuit de conversion avec une conduction synchrone, utilise cette dernière technique avec des charges particulières. Les charges particulières utilisées nécessitent une tension aux bornes plus élevée qu’en fonctionnement nominal afin de pouvoir démarrer, comme c’est le cas des lampes à décharges. Afin d’appliquer une tension élevée un court instant, il est proposé dans ce document d’appliquer une conduction en mode diode idéale via un mode de conduction synchrone des MOSFET, avec pour but de créer une surtension afin d’allumer une lampe.Document US006021055, relating to a conversion circuit with synchronous conduction, uses this latter technique with particular loads. The particular loads used require a higher terminal voltage than in nominal operation in order to be able to start, as is the case with discharge lamps. In order to apply a high voltage for a short time, it is proposed in this document to apply conduction in ideal diode mode via a synchronous conduction mode of the MOSFETs, with the aim of creating an overvoltage in order to light a lamp.
Ce mode de réalisation, même s’il implique une conduction synchrone des MOSFET pendant un court instant, ne permet pas de répondre à une problématique de réduction des pertes dans les diodes en cas de court-circuit sur le réseau.This embodiment, even if it involves synchronous conduction of the MOSFETs for a short time, does not make it possible to address the problem of reducing losses in the diodes in the event of a short circuit on the network.
Ainsi, dans l’état de la technique, la gestion de la décharge des capacités lors de défauts tel que le court-circuit se base généralement soit sur l’ajout d’un circuit de décharge actif soit sur l’ajout de composants (diodes ou MOSFETs supplémentaires en parallèle). Ces deux solutions sont onéreuses (en volume et coût) soit à cause de l’ajout de nouveaux composants soit par le surdimensionnement des composants existants afin de tenir un cas dysfonctionnel.Thus, in the state of the art, the management of the discharge of capacities during faults such as short circuits is generally based either on the addition of an active discharge circuit or on the addition of components (diodes or additional MOSFETs in parallel). These two solutions are expensive (in volume and cost) either because of the addition of new components or by the oversizing of existing components in order to handle a malfunctioning case.
L’invention vise à fournir un principe de contrôle des MOSFET de l’onduleur permettant de limiter les pertes, et le risque de destruction par auto-échauffement, des MOSFET pour les cas de court-circuit sur le réseau d’alimentation continue, tout en limitant le surcoût financier et l’encombrement.The invention aims to provide a principle for controlling the MOSFETs of the inverter making it possible to limit losses, and the risk of destruction by self-heating, of the MOSFETs in the event of a short circuit on the DC power supply network, while limiting the additional financial cost and size.
Autrement dit, le but principal de l’invention est de réduire le stress thermique des MOSFET du convertisseur de puissance lors d’un court-circuit sur le réseau de tension continue entrainant la décharge des capacités à travers les MOSFET.In other words, the main aim of the invention is to reduce the thermal stress of the MOSFETs of the power converter during a short circuit on the direct voltage network causing the discharge of the capacities through the MOSFETs.
Dans un premier objet de l’invention, il est proposé un procédé de commande d’un convertisseur de puissance d’un système électrique raccordé à un réseau de tension continue pour protéger le système électrique contre un court-circuit du réseau de tension continue. Le système électrique comprenant une machine électrique tournante et un convertisseur de puissance électriquement raccordé entre le réseau de tension continue et la machine électrique, le convertisseur de puissance comprenant des bras électriques montés en parallèle les uns des autres, un condensateur de filtrage couplé en parallèle des bras électriques et une inductance de filtrage raccordée en série entre le condensateur de filtrage et ledit réseau de tension continue auquel le système électrique est couplé, chaque bras électrique comportant un montage en série d’au moins deux transistors à effet de champ à grille isolée, MOSFET, et le convertisseur de puissance comprenant en outre un circuit de commande des grilles des MOSFET comportant un module de protection configuré notamment pour interdire la conduction simultanée des MOSFET d’un même bras.In a first subject of the invention, a method is proposed for controlling a power converter of an electrical system connected to a DC voltage network to protect the electrical system against a short circuit of the DC voltage network. The electrical system comprising a rotating electrical machine and a power converter electrically connected between the DC voltage network and the electrical machine, the power converter comprising electrical arms connected in parallel with each other, a filter capacitor coupled in parallel with the electrical arms and a filter inductance connected in series between the filter capacitor and said DC voltage network to which the electrical system is coupled, each electrical arm comprising a series connection of at least two insulated gate field effect transistors, MOSFETs, and the power converter further comprising a control circuit for the gates of the MOSFETs comprising a protection module configured in particular to prohibit the simultaneous conduction of the MOSFETs of the same arm.
Selon une caractéristique générale de l’invention, le procédé de commande pour la protection du système électrique contre un court-circuit du réseau de tension continue comprend les étapes suivantes :
- une détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue, puis
- une désactivation du module de protection du circuit de commande des grilles des MOSFET pour autoriser la conduction simultanée des MOSFET d’un même bras, et
- une activation d’une commande des grilles de MOSFET dans un mode de diode idéale dans lequel chaque MOSFET conduit dès que la tension à ses bornes est négative.
La commande des grilles de MOSFET dans un mode de diode idéale après la désactivation du module de protection du circuit de commande des grilles des MOSFET entraîne une conduction simultanée des MOSFET d’un même bras tant que le courant traversant l’inductance de filtrage est supérieur au courant délivré par la machine électrique tournante, et une reprise d’un mode de redressement synchrone des MOSFET d’un même bras une fois le courant traversant l’inductance de filtrage inférieur au courant délivré par la machine électrique tournante.According to a general characteristic of the invention, the control method for protecting the electrical system against a short circuit of the direct voltage network comprises the following steps:
- detection of a short circuit on the direct voltage network, then
- deactivation of the MOSFET gate control circuit protection module to allow simultaneous conduction of the MOSFETs of the same arm, and
- activation of a MOSFET gate control in an ideal diode mode in which each MOSFET conducts as soon as the voltage across its terminals is negative.
Driving the MOSFET gates in an ideal diode mode after deactivation of the protection module of the MOSFET gate drive circuit results in simultaneous conduction of the MOSFETs of the same arm as long as the current through the filter inductor is greater than the current delivered by the rotating electrical machine, and a resumption of a synchronous rectification mode of the MOSFETs of the same arm once the current through the filter inductor is less than the current delivered by the rotating electrical machine.
De préférence, la machine électrique tournante est configurée pour fonctionner en mode moteur ou en mode générateur.Preferably, the rotating electrical machine is configured to operate in motor mode or generator mode.
Les MOSFET sont commandés classiquement par des circuits de commande de grilles, ou « gate driver » ou « driver » en anglais, qui assurent les fonctions de transmission des signaux de commande du contrôle vers la grille à travers une isolation galvanique, de commande de la grille, de protection du composant (désaturation, sous-tension d’alimentation, ...) de temps mort et de couplage, ou « interlock » en anglais, qui ont pour objectif d’interdire la conduction simultanée des MOSFET d’un même bras, ce qui entraînerait le court-circuit du condensateur du réseau de tension continue et l’augmentation des pertes voire la destruction des composants.MOSFETs are conventionally controlled by gate driver circuits, or "gate drivers" in English, which provide the functions of transmitting control signals to the gate through galvanic isolation, gate control, component protection (desaturation, supply undervoltage, etc.) of dead time and coupling, or "interlock" in English, which aim to prevent the simultaneous conduction of the MOSFETs of the same arm, which would cause the short-circuit of the capacitor of the DC voltage network and the increase in losses or even the destruction of the components.
Le procédé selon l’invention permet de basculer dans un mode de commande des MOSFET dit de diode idéale suite à la détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue. Cette commande permet en particulier d’inhiber la fonction de couplage (« interlock »), et ainsi d’autoriser un fonctionnement dans un mode de conduction synchrone pendant la phase de décharge de l’énergie des condensateurs du réseau de tension continue.The method according to the invention makes it possible to switch to a MOSFET control mode called ideal diode following the detection of a short circuit on the DC voltage network. This control makes it possible in particular to inhibit the coupling function ("interlock"), and thus to authorize operation in a synchronous conduction mode during the energy discharge phase of the capacitors of the DC voltage network.
Le procédé de commande inclut ainsi une phase de conduction synchrone des MOSFET, ce qui est habituellement prohibé pour les convertisseurs de tension.The control process thus includes a synchronous conduction phase of the MOSFETs, which is usually prohibited for voltage converters.
La conduction des MOSFET en inverse permet de limiter les pertes comme le montre les caractéristiques de la chute de tension entre le drain et la source des MOSFET (Drain-Source Voltage VDS) sur la
En effet, sur cet exemple, avec une commande des MOSFET (Vgs=15V), la chute de tension à l’état passant est de l’ordre de -1.5V pour un courant de -100A, alors qu’elle est de l’ordre de -4.5V pour ce même courant si le MOSFET n’est pas commandé (Vgs=0V), ce qui permet de diviser les pertes par 3.In fact, in this example, with MOSFET control (Vgs=15V), the voltage drop in the on state is around -1.5V for a current of -100A, whereas it is around -4.5V for this same current if the MOSFET is not controlled (Vgs=0V), which allows the losses to be divided by 3.
Cette commande permet de revenir naturellement au mode redressement synchrone lorsque l’énergie des capacités est dissipée.This command allows you to naturally return to synchronous rectification mode when the capacitor energy is dissipated.
En outre, le procédé selon l’invention utilisant une phase de conduction synchrone des MOSFET permet d’obtenir une réduction significative de la température de jonction des MOSFETs et donc une augmentation de la durée de vie des MOSFETs. Des essais ont montré que les MOSFETs voient leur stress thermique réduit significativement (25 à 36°C gagnés au niveau de la jonction pour deux circuits strictement identiques mais avec une commande des MOSFET différente).Furthermore, the method according to the invention using a synchronous conduction phase of the MOSFETs makes it possible to obtain a significant reduction in the junction temperature of the MOSFETs and therefore an increase in the lifetime of the MOSFETs. Tests have shown that the thermal stress of the MOSFETs is significantly reduced (25 to 36°C gained at the junction for two strictly identical circuits but with different MOSFET control).
Le procédé selon l’invention offre ainsi une solution de protection contre un court-circuit du réseau de tension continue sans avoir à ajouter ou surdimensionner des composants de puissance. Cela est obtenu en ayant recours sous certaines conditions à la conduction en mode diode idéale.The method according to the invention thus offers a solution for protecting against a short circuit in the DC voltage network without having to add or oversize power components. This is achieved by using ideal diode mode conduction under certain conditions.
Avantageusement, la détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue peut comprendre une détection d’une chute de tension aux bornes du réseau de tension continue via des itérations régulières d’une mesure de la tension aux bornes du réseau de tension continue et d’une comparaison de la tension mesurée à un seuil de tension en-dessous duquel la chute de tension correspond à un court-circuit sur le réseau de tension continue.Advantageously, the detection of a short circuit on the direct voltage network can comprise a detection of a voltage drop at the terminals of the direct voltage network via regular iterations of a measurement of the voltage at the terminals of the direct voltage network and a comparison of the measured voltage with a voltage threshold below which the voltage drop corresponds to a short circuit on the direct voltage network.
Dans une variante, la détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue peut comprendre une mesure en continu du courant sur le réseau de tension continue, et, lors d’un fonctionnement de la machine électrique tournante en mode moteur, une détection d’une inversion du sens de courant en sortie du réseau de tension continue à partir d’une détection du signe du courant mesuré, et, lors d’un fonctionnement du système électrique mode générateur, une détection d’un dépassement d’un seuil de courant de court-circuit à partir d’une comparaison du courant mesuré à un seuil de courant.In a variant, the detection of a short circuit on the direct voltage network may comprise a continuous measurement of the current on the direct voltage network, and, during operation of the rotating electrical machine in motor mode, a detection of a reversal of the direction of current at the output of the direct voltage network from a detection of the sign of the measured current, and, during operation of the electrical system in generator mode, a detection of an exceeding of a short-circuit current threshold from a comparison of the measured current with a current threshold.
Avantageusement, l’activation d’une commande des grilles de MOSFET dans un mode de diode idéale peut comprendre, pour chaque MOSFET, une mesure de la tension entre le drain et la source du MOSFET, une comparaison de la tension mesurée entre le drain et la source du MOSFET à une tension nulle, et une mise en conduction du MOSFET dès que la tension mesurée entre le drain et la source du MOSFET est négative.Advantageously, the activation of a control of the MOSFET gates in an ideal diode mode can comprise, for each MOSFET, a measurement of the voltage between the drain and the source of the MOSFET, a comparison of the voltage measured between the drain and the source of the MOSFET to a zero voltage, and a conduction of the MOSFET as soon as the voltage measured between the drain and the source of the MOSFET is negative.
Dans une variante, l’activation d’une commande des grilles de MOSFET dans un mode de diode idéale peut comprendre, pour chaque MOSFET, une mesure du courant traversant le MOSFET avec un sens positif de la mesure allant du drain vers la source du MOSFET, une comparaison du courant mesuré à un seuil de courant nul ou légèrement négatif, et une mise en conduction du MOSFET dès que le courant est inférieur à ce seuil.In a variant, the activation of a control of the MOSFET gates in an ideal diode mode can comprise, for each MOSFET, a measurement of the current flowing through the MOSFET with a positive direction of the measurement going from the drain to the source of the MOSFET, a comparison of the measured current to a zero or slightly negative current threshold, and a conduction of the MOSFET as soon as the current is below this threshold.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé un système électrique destiné à être raccordé à un réseau de tension continue, le système électrique comprenant une machine électrique tournante configurée pour fonctionner en mode moteur ou en mode générateur et un convertisseur de puissance raccordé entre la machine électrique tournante et des bornes de connexion destinées à être raccordées au réseau de tension continue, le convertisseur de puissance comportant des bras électriques montés en parallèle les uns des autres, un condensateur de filtrage couplé en parallèle des bras électriques et une inductance de filtrage raccordée en série entre le condensateur de filtrage et une desdites bornes de connexion, chaque bras électrique comportant un montage en série d’au moins deux transistors à effet de champ à grille isolée, MOSFET, et le convertisseur de puissance comprenant en outre un circuit de commande des grilles des MOSFET comportant un module de protection configuré notamment pour interdire la conduction simultanée des MOSFET d’un même bras.In another subject of the invention, an electrical system is proposed for connection to a DC voltage network, the electrical system comprising a rotating electrical machine configured to operate in motor mode or in generator mode and a power converter connected between the rotating electrical machine and connection terminals for connection to the DC voltage network, the power converter comprising electrical arms connected in parallel with each other, a filtering capacitor coupled in parallel with the electrical arms and a filtering inductance connected in series between the filtering capacitor and one of said connection terminals, each electrical arm comprising a series connection of at least two insulated gate field effect transistors, MOSFETs, and the power converter further comprising a control circuit for the gates of the MOSFETs comprising a protection module configured in particular to prevent simultaneous conduction of the MOSFETs of the same arm.
Selon une caractéristique générale du système électrique selon l’invention, en outre des moyens de protection électrique contre un court-circuit du réseau de tension continue auquel le système électrique est destiné à être raccordé, les moyens de protection électrique comportant :
- un module de détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue,
- un module de désactivation du module de protection du circuit de commande des grilles des MOSFET commandé par ledit module de détection d’un court-circuit,
- au moins un module de commande des grilles de MOSFET configuré pour commander au moins un MOSFET dans un mode de diode idéale dans lequel chaque MOSFET conduit dès que la tension à ses bornes est négative.According to a general characteristic of the electrical system according to the invention, in addition to electrical protection means against a short circuit of the direct voltage network to which the electrical system is intended to be connected, the electrical protection means comprising:
- a module for detecting a short circuit on the direct voltage network,
- a module for deactivating the protection module of the MOSFET gate control circuit controlled by said short-circuit detection module,
- at least one MOSFET gate control module configured to control at least one MOSFET in an ideal diode mode in which each MOSFET conducts as soon as the voltage across its terminals is negative.
La commande des grilles de MOSFET dans un mode de diode idéale après une désactivation du module de protection du circuit de commande des grilles des MOSFET entraîne une conduction simultanée des MOSFET d’un même bras tant que le courant traversant l’inductance de filtrage est supérieur au courant délivré par la machine électrique tournante, et une reprise d’un mode de redressement synchrone des MOSFET d’un même bras une fois le courant traversant l’inductance de filtrage inférieure au courant délivré par la machine électrique tournante..Driving the MOSFET gates in an ideal diode mode after deactivation of the protection module of the MOSFET gate drive circuit results in simultaneous conduction of the MOSFETs of the same arm as long as the current through the filter inductance is greater than the current delivered by the rotating electrical machine, and a resumption of a synchronous rectification mode of the MOSFETs of the same arm once the current through the filter inductance is less than the current delivered by the rotating electrical machine.
De préférence, ladite machine électrique tournante peut être une machine à aimants permanents commandée en fonctionnement normal, hors court-circuit, en modulation par largeur d’impulsions pour entraîner le moteur ou prélever de la puissance au générateur pour alimenter le réseau électrique continu.Preferably, said rotating electrical machine may be a permanent magnet machine controlled in normal operation, without short circuit, by pulse width modulation to drive the motor or take power from the generator to supply the continuous electrical network.
Avantageusement, le circuit de commande de grille des MOSFET peut comprendre une entrée de commande utilisée en fonctionnement normal, hors court-circuit, et une entrée de réinitialisation, l’entrée de réinitialisation étant configurée pour désactiver le module de protection du circuit de commande de grille à réception d’un signal de désactivation.Advantageously, the gate control circuit of the MOSFETs may comprise a control input used in normal operation, excluding short circuit, and a reset input, the reset input being configured to deactivate the protection module of the gate control circuit upon receipt of a deactivation signal.
Avantageusement, le système électrique peut comprendre un premier module de commande des grilles de MOSFET pour chaque MOSFET, ledit premier module de commande comprenant un multiplexeur comprenant une première entrée configurée pour recevoir une commande de fonctionnement normal du MOSFET, une seconde entrée configurée pour recevoir une commande de fonctionnement en mode diode idéale, une entrée de sélection, et une sortie configurée pour recopier la première entrée tant qu’aucun signal n’a été reçu sur l’entrée de sélection et pour recopier la seconde entrée en sortie du multiplexeur lorsque l’entrée de sélection reçoit un signal de sélection, le signal de sélection étant reçu lorsque le circuit de commande de grille des MOSFET reçoit une commande de réinitialisation sur son entrée de réinitialisation.Advantageously, the electrical system may comprise a first MOSFET gate control module for each MOSFET, said first control module comprising a multiplexer comprising a first input configured to receive a normal operation command from the MOSFET, a second input configured to receive an ideal diode mode operation command, a selection input, and an output configured to copy the first input as long as no signal has been received on the selection input and to copy the second input to the output of the multiplexer when the selection input receives a selection signal, the selection signal being received when the MOSFET gate control circuit receives a reset command on its reset input.
Dans un mode de réalisation, les moyens de protection électrique peuvent comprendre en outre des moyens de mesure de la tension aux bornes du réseau de tension continue couplées aux bornes de connexion et des moyens de comparaison de la tension mesurée à un seuil de tension en-dessous duquel la chute de tension correspond à un court-circuit sur le réseau de tension continue, ou des moyens de mesure du courant circulant sur le réseau de tension continue couplés à une desdites bornes de connexion et des moyens de comparaison du courant mesuré à un seuil de courant.In one embodiment, the electrical protection means may further comprise means for measuring the voltage at the terminals of the direct voltage network coupled to the connection terminals and means for comparing the measured voltage to a voltage threshold below which the voltage drop corresponds to a short circuit on the direct voltage network, or means for measuring the current flowing on the direct voltage network coupled to one of said connection terminals and means for comparing the measured current to a current threshold.
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :The invention will be better understood from the following reading, for informational but non-limiting purposes, with reference to the appended drawings in which:
Sur la
Le système électrique comprend une machine électrique tournante 11 de type machine à aimants permanents, un convertisseur de puissance 12 dotées de bornes de connexion 13 configurées pour être raccordées électriquement à un réseau de tension continue 30, et un bloc de protection électrique 14 du système électrique 10 contre un court-circuit du réseau de tension continue 30.The electrical system comprises a rotating electrical machine 11 of the permanent magnet machine type, a power converter 12 provided with connection terminals 13 configured to be electrically connected to a direct voltage network 30, and an electrical protection block 14 of the electrical system 10 against a short circuit of the direct voltage network 30.
Le convertisseur de puissance 12 comprend trois bras électriques 15 montés en parallèle les unes des autres. Chaque bras électrique 15 comprend un montage en série de deux MOSFET 16 ayant le même sens de conduction. Chaque bras électrique 15 comprend un nœud électrique 17 couplé, d’une part, à chacun des MOSFET 16 du bras électrique 15, et d’autre part à une phase de la machine électrique tournante 11.The power converter 12 comprises three electrical arms 15 mounted in parallel with each other. Each electrical arm 15 comprises a series connection of two MOSFETs 16 having the same conduction direction. Each electrical arm 15 comprises an electrical node 17 coupled, on the one hand, to each of the MOSFETs 16 of the electrical arm 15, and on the other hand to a phase of the rotating electrical machine 11.
Le convertisseur de puissance 12 comprend en outre un condensateur de filtrage 18 monté en parallèle des bras électriques 15, ainsi qu’une inductance de filtrage 19 couplée entre le condensateur de filtrage 18 et une borne de connexion 13. Sur la
Le système électrique 1 comprend en outre 1 un circuit de commande 40 des grilles des MOSFET. Le circuit de commande 40 des grilles des MOSFET est configuré pour transmettre des signaux de commande du contrôle vers la grille de chaque MOSFET à travers une isolation galvanique. Il commande notamment, en fonctionnement normal, c’est-à-dire en l’absence de court-circuit, les MOSFET 16 du convertisseur de puissance 12 pour envoyer des signaux à la machine électrique 11 et la commander en modulation par largeur d’impulsions pour entraîner le moteur ou prélever de la puissance au générateur pour alimenter le réseau électrique continu.The electrical system 1 further comprises a control circuit 40 for the gates of the MOSFETs. The control circuit 40 for the gates of the MOSFETs is configured to transmit control command signals to the gate of each MOSFET through galvanic isolation. In particular, in normal operation, i.e. in the absence of a short circuit, it controls the MOSFETs 16 of the power converter 12 to send signals to the electrical machine 11 and control it using pulse width modulation to drive the motor or draw power from the generator to supply the DC electrical network.
Le circuit de commande 40 des grilles des MOSFET comprend en outre un module de protection 42 qui est configuré pour gérer les temps morts et les couplages de bras, nommés « interlock » en anglais, et ainsi interdire la conduction simultanée des MOSFET 16 d’un même bras 15. Cette interdiction permet en général d’éviter la formation d’un court-circuit du condensateur du réseau de tension continue et l’augmentation des pertes voire la destruction des composants.The control circuit 40 of the MOSFET gates further comprises a protection module 42 which is configured to manage the dead times and the arm couplings, called “interlock” in English, and thus prohibit the simultaneous conduction of the MOSFETs 16 of the same arm 15. This prohibition generally makes it possible to avoid the formation of a short circuit of the capacitor of the direct voltage network and the increase in losses or even the destruction of the components.
Le bloc de protection électrique 14 comprend un module 141 de détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue 30, un module 142 de désactivation du module de protection 42 du circuit de commande 40 des grilles des MOSFET, et un module de commande des grilles de MOSFET 143.The electrical protection block 14 comprises a module 141 for detecting a short circuit on the direct voltage network 30, a module 142 for deactivating the protection module 42 of the control circuit 40 of the MOSFET gates, and a MOSFET gate control module 143.
Le module de commande des grilles de MOSFET 143 remplace le circuit de commande 40 des grilles de MOSFET à la suite de la détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue 30.The MOSFET gate driver module 143 replaces the MOSFET gate driver circuit 40 following detection of a short circuit on the DC voltage network 30.
Le module 141 de détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue 30 comprend des moyens 145 de mesure de la tension aux bornes de connexion 13 et des moyens de comparaison 146 de la tension mesurée à un seuil de tension en-dessous duquel la chute de tension correspond à un court-circuit sur le réseau de tension continue 30.The module 141 for detecting a short circuit on the direct voltage network 30 comprises means 145 for measuring the voltage at the connection terminals 13 and means 146 for comparing the voltage measured to a voltage threshold below which the voltage drop corresponds to a short circuit on the direct voltage network 30.
Dans une variante, le module 141 de détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue 30 peut comprendre des moyens de mesure du courant circulant sur les bornes de connexion 13 et des moyens de comparaison du courant mesuré à un seuil de courant.In a variant, the module 141 for detecting a short circuit on the direct voltage network 30 may comprise means for measuring the current flowing on the connection terminals 13 and means for comparing the measured current to a current threshold.
Le circuit de commande 40 de grille des MOSFET peut comprendre une entrée de commande utilisée en fonctionnement normal, hors court-circuit, et une entrée de réinitialisation, l’entrée de réinitialisation étant configurée pour désactiver le module de protection 42 du circuit de commande 40 de grille à réception d’un signal de désactivation émis par le module de désactivation 142.The MOSFET gate driver circuit 40 may include a control input used in normal, non-short circuit operation and a reset input, the reset input being configured to disable the protection module 42 of the gate driver circuit 40 upon receipt of a disable signal from the disable module 142.
Le module de commande des grilles de MOSFET 143 est configuré pour commander chacun des MOSFET 16 dans un mode de diode idéale dans lequel chaque MOSFET 16 conduit dès que la tension à ses bornes est négative. Le module de commande 143 est commandé en réaction au signal du module de désactivation 142. La commande des grilles de MOSFET 16 dans un mode de diode idéale entraîne une conduction simultanée des MOSFET 16 d’un même bras 15 tant que le courant traversant l’inductance de filtrage 19 est supérieur au courant délivré par la machine électrique tournante 11, et une reprise d’un mode de redressement synchrone des MOSFET 16 d’un même bras 15 une fois le courant traversant l’inductance de filtrage 19 inférieure au courant délivré par la machine électrique tournante 11.The MOSFET gate control module 143 is configured to control each of the MOSFETs 16 in an ideal diode mode in which each MOSFET 16 conducts as soon as the voltage across its terminals is negative. The control module 143 is controlled in response to the signal from the deactivation module 142. Controlling the MOSFET gates 16 in an ideal diode mode results in simultaneous conduction of the MOSFETs 16 of the same arm 15 as long as the current flowing through the filter inductor 19 is greater than the current delivered by the rotating electrical machine 11, and a resumption of a synchronous rectification mode of the MOSFETs 16 of the same arm 15 once the current flowing through the filter inductor 19 is less than the current delivered by the rotating electrical machine 11.
Sur la
Le procédé de commande selon le mode de mise en œuvre de l’invention comprend une étape 410 de détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue 30.The control method according to the embodiment of the invention comprises a step 410 of detecting a short circuit on the direct voltage network 30.
L’étape de détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue 30 comprend une détection d’une chute de tension aux bornes du réseau de tension continue. La chute de tension est détectée en monitorant la tension aux bornes du réseau de tension continue 30. Le monitorage est réalisé via des mesures régulières de la tension sur les bornes de connexion 13, et une comparaison de chaque mesure de tension à un seuil de tension en-dessous duquel la chute de tension correspond à un court-circuit sur le réseau de tension continue.The step of detecting a short circuit on the DC voltage network 30 comprises detecting a voltage drop across the terminals of the DC voltage network. The voltage drop is detected by monitoring the voltage across the terminals of the DC voltage network 30. The monitoring is carried out via regular measurements of the voltage on the connection terminals 13, and a comparison of each voltage measurement with a voltage threshold below which the voltage drop corresponds to a short circuit on the DC voltage network.
Dans une variante, la détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue 30 comprend une mesure en continu du courant sur une borne de connexion 13, et, lors d’un fonctionnement de la machine électrique tournante mode de moteur, une détection d’une inversion du sens de courant en sortie du réseau de tension continue à partir d’une détection du signe du courant mesuré, et, lors d’un fonctionnement du système électrique mode générateur, une détection d’un dépassement d’un seuil de courant de court-circuit à partir d’une comparaison du courant mesuré à un seuil de courant.In a variant, the detection of a short circuit on the direct voltage network 30 comprises a continuous measurement of the current on a connection terminal 13, and, during operation of the rotating electrical machine in motor mode, a detection of a reversal of the direction of current at the output of the direct voltage network from a detection of the sign of the measured current, and, during operation of the electrical system in generator mode, a detection of an exceeding of a short-circuit current threshold from a comparison of the measured current with a current threshold.
Le procédé comprend ensuite une étape 420 de désactivation du module de protection 42 du circuit de commande 40 des grilles des MOSFET. Cette désactivation supprime l’interdiction de conduction simultanée des MOSFET 16 d’un même bras 15. Ainsi, le procédé de commande inclut ainsi une phase de conduction synchrone des MOSFET 16, habituellement prohibé pour les convertisseurs de tension.The method then comprises a step 420 of deactivating the protection module 42 of the control circuit 40 of the MOSFET gates. This deactivation removes the prohibition of simultaneous conduction of the MOSFETs 16 of the same arm 15. Thus, the control method thus includes a synchronous conduction phase of the MOSFETs 16, usually prohibited for voltage converters.
Dans le même temps que l’étape 420, le procédé comprend une étape 430 d’activation d’une commande des grilles de MOSFET dans un mode de diode idéale dans lequel chaque MOSFET 16 conduit dès que la tension à ses bornes est négative.At the same time as step 420, the method comprises a step 430 of activating a control of the MOSFET gates in an ideal diode mode in which each MOSFET 16 conducts as soon as the voltage across its terminals is negative.
L’étape 430 d’activation d’une commande des grilles de MOSFET dans un mode de diode idéale comprend, pour chaque MOSFET 16, une mesure de la tension entre le drain et la source du MOSFET 16, une comparaison de la tension mesurée entre le drain et la source du MOSFET 16 à une tension nulle, et une mise en conduction du MOSFET 16 dès que la tension mesurée entre le drain et la source du MOSFET est négative.Step 430 of activating a control of the MOSFET gates in an ideal diode mode comprises, for each MOSFET 16, a measurement of the voltage between the drain and the source of the MOSFET 16, a comparison of the voltage measured between the drain and the source of the MOSFET 16 to a zero voltage, and a conduction of the MOSFET 16 as soon as the voltage measured between the drain and the source of the MOSFET is negative.
La commande des grilles de MOSFET 16 dans un mode de diode idéale entraîne ainsi une conduction simultanée des MOSFET 16 d’un même bras 15 tant que le courant traversant l’inductance de filtrage (étape 440) est supérieur au courant délivré par la machine électrique tournante 11.Controlling the MOSFET gates 16 in an ideal diode mode thus causes simultaneous conduction of the MOSFETs 16 of the same arm 15 as long as the current flowing through the filtering inductance (step 440) is greater than the current delivered by the rotating electrical machine 11.
Une fois l’inductance de filtrage 19 déchargée, dans l’étape 440, le fonctionnement en mode diode idéal entraîne automatiquement une reprise d’un mode de redressement synchrone (étape 450) des MOSFET 16 d’un même bras 15. Autrement dit, une fois que le courant traversant l’inductance de filtrage est inférieur au courant délivré par la machine électrique tournante 11, un redressement synchrone reprend.Once the filtering inductance 19 has discharged, in step 440, operation in ideal diode mode automatically causes a resumption of a synchronous rectification mode (step 450) of the MOSFETs 16 of the same arm 15. In other words, once the current passing through the filtering inductance is lower than the current delivered by the rotating electrical machine 11, synchronous rectification resumes.
Par la suite, une fois le défaut ayant entraîné le court-circuit traité (ouverture du circuit par un fusible, un disjoncteur, un contacteur, ...), la tension remonte et permet le redémarrage du contrôle normal du convertisseur dès que la tension dépasse un seuil supérieur au précédent seuil de tension.Subsequently, once the fault that caused the short circuit has been dealt with (opening of the circuit by a fuse, a circuit breaker, a contactor, etc.), the voltage rises again and allows normal control of the converter to restart as soon as the voltage exceeds a threshold higher than the previous voltage threshold.
Dans une variante non illustrée, le système électrique 10 peut comprendre une pluralité de premiers modules de commande des grilles de MOSFET. Plus particulièrement, il peut comprendre un premier module de commande des grilles de MOSFET pour chaque MOSFET. Dans cette configuration, chaque premier module de commande comprend un multiplexeur comprenant une première entrée configurée pour recevoir une commande de fonctionnement normal du MOSFET, une seconde entrée configurée pour recevoir une commande de fonctionnement en mode diode idéale, une entrée de sélection, et une sortie configurée pour recopier la première entrée tant qu’aucun signal n’a été reçu sur l’entrée de sélection et pour recopier la seconde entrée en sortie du multiplexeur lorsque l’entrée de sélection reçoit un signal de sélection, le signal de sélection étant reçu lorsque le circuit de commande de grille des MOSFET reçoit une commande de réinitialisation sur son entrée de réinitialisation.In a non-illustrated variant, the electrical system 10 may comprise a plurality of first MOSFET gate control modules. More particularly, it may comprise a first MOSFET gate control module for each MOSFET. In this configuration, each first control module comprises a multiplexer comprising a first input configured to receive a normal operation command from the MOSFET, a second input configured to receive an ideal diode mode operation command, a selection input, and an output configured to copy the first input as long as no signal has been received on the selection input and to copy the second input to the output of the multiplexer when the selection input receives a selection signal, the selection signal being received when the MOSFET gate control circuit receives a reset command on its reset input.
L'invention fournit ainsi une solution technique permettant de contrôler des MOSFET d’un onduleur pour limiter les pertes, et le risque de destruction par auto-échauffement des MOSFET lorsqu’un court-circuit sur le réseau d’alimentation continue survient, tout en limitant le surcoût financier et l’encombrement.The invention thus provides a technical solution for controlling MOSFETs in an inverter to limit losses and the risk of destruction by self-heating of the MOSFETs when a short circuit occurs on the DC power supply network, while limiting the additional financial cost and size.
Claims (10)
le système électrique (10) comprenant une machine électrique tournante (11) et un convertisseur de puissance (12) électriquement raccordé entre le réseau de tension continue (30) et la machine électrique tournante (11), le convertisseur de puissance (12) comprenant des bras électriques (15) montés en parallèle les uns des autres, un condensateur de filtrage (18) couplé en parallèle des bras électriques (15) et une inductance de filtrage (19) raccordée en série entre le condensateur de filtrage (18) et ledit réseau de tension continue (30) auquel le système électrique (10) est couplé, chaque bras électrique (15) comportant un montage en série d’au moins deux transistors à effet de champ à grille isolée, MOSFET, (16), et le convertisseur de puissance (12) comprenant en outre un circuit de commande (40) des grilles des MOSFET comportant un module de protection (42) configuré pour interdire la conduction simultanée des MOSFET (16) d’un même bras (15),
caractérisé en ce quele procédé de commande pour la protection du système électrique (10) contre un court-circuit du réseau de tension continue (30) comprend les étapes suivantes :
- une détection (410) d’un court-circuit sur le réseau de tension continue (30), puis
- une désactivation (420) du module de protection (42) du circuit de commande (40) des grilles des MOSFET (16) pour autoriser la conduction simultanée des MOSFET (16) d’un même bras (15), et
- une activation (430) d’une commande des grilles de MOSFET (16) dans un mode de diode idéale dans lequel chaque MOSFET (16) conduit dès que la tension à ses bornes est négative.Method for controlling a power converter (12) of an electrical system (10) connected to a direct voltage network (30) to protect the electrical system (10) against a short circuit of the direct voltage network (30),
the electrical system (10) comprising a rotating electrical machine (11) and a power converter (12) electrically connected between the DC voltage network (30) and the rotating electrical machine (11), the power converter (12) comprising electrical arms (15) mounted in parallel with each other, a filter capacitor (18) coupled in parallel with the electrical arms (15) and a filter inductance (19) connected in series between the filter capacitor (18) and said DC voltage network (30) to which the electrical system (10) is coupled, each electrical arm (15) comprising a series connection of at least two insulated gate field effect transistors, MOSFETs, (16), and the power converter (12) further comprising a control circuit (40) for the gates of the MOSFETs comprising a protection module (42) configured to prohibit the simultaneous conduction of the MOSFETs (16) of the same arm (15),
characterized in that the control method for protecting the electrical system (10) against a short circuit of the direct voltage network (30) comprises the following steps:
- detection (410) of a short circuit on the direct voltage network (30), then
- a deactivation (420) of the protection module (42) of the control circuit (40) of the gates of the MOSFETs (16) to authorize the simultaneous conduction of the MOSFETs (16) of the same arm (15), and
- an activation (430) of a control of the MOSFET gates (16) in an ideal diode mode in which each MOSFET (16) conducts as soon as the voltage at its terminals is negative.
caractérisé en ce qu ’ilcomprend en outre des moyens de protection électrique (14) contre un court-circuit du réseau de tension continue (30) auquel le système électrique (10) est destiné à être raccordé, les moyens de protection électrique (14) comportant :
- un module (141) de détection d’un court-circuit sur le réseau de tension continue (30),
- un module (142) de désactivation du module de protection (42) du circuit de commande (40) des grilles des MOSFET commandé par ledit module de détection d’un court-circuit (141),
- au moins un module (143) de commande des grilles de MOSFET configuré pour commander au moins un MOSFET (16) dans un mode de diode idéale dans lequel le MOSFET (16) conduit dès que la tension à ses bornes est négative.Electrical system (10) intended to be connected to a DC voltage network (30), the electrical system (10) comprising a rotating electrical machine (11) and a power converter (12) connected between the rotating electrical machine (11) and connection terminals (13) intended to be connected to the DC voltage network (30), the power converter (12) comprising electrical arms (15) mounted in parallel with each other, a filter capacitor (18) coupled in parallel with the electrical arms (15) and a filter inductance (19) connected in series between the filter capacitor (18) and one of said connection terminals (13), each electrical arm (15) comprising a series connection of at least two insulated gate field effect transistors, MOSFETs (16), and the power converter (12) further comprising a control circuit (40) for the gates of the MOSFETs comprising a protection module (42) configured to prohibit simultaneous conduction MOSFETs (16) of the same arm (15),
characterized in that it further comprises electrical protection means (14) against a short circuit of the direct voltage network (30) to which the electrical system (10) is intended to be connected, the electrical protection means (14) comprising:
- a module (141) for detecting a short circuit on the direct voltage network (30),
- a module (142) for deactivating the protection module (42) of the control circuit (40) of the gates of the MOSFETs controlled by said short-circuit detection module (141),
- at least one MOSFET gate control module (143) configured to control at least one MOSFET (16) in an ideal diode mode in which the MOSFET (16) conducts as soon as the voltage across its terminals is negative.
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| US20210080491A1 (en) | 2014-11-04 | 2021-03-18 | Stmicroelectronics S.R.L. | Detection circuit for an active discharge circuit of an x-capacitor, related active discharge circuit, integrated circuit and method |
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2024
- 2024-09-19 WO PCT/FR2024/051233 patent/WO2025068651A1/en active Pending
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| US20210080491A1 (en) | 2014-11-04 | 2021-03-18 | Stmicroelectronics S.R.L. | Detection circuit for an active discharge circuit of an x-capacitor, related active discharge circuit, integrated circuit and method |
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