Eléments semi-conducteur pour la protection automobile

Posted By : Alice Matthews
Eléments semi-conducteur pour la protection automobile

De plus en plus de consommateurs branchés au réseau de bord automobile sont actuellement commutés à l'aide d'éléments à semi-conducteur. Les avantages des commutateurs à semi-conducteur par rapport aux commutateurs électromécaniques sont leur faible usure (pas de rebonds, résistent à plus de cycles de commutation), leur capacité de diagnostic et le fait que – contrairement aux contacts mécaniques – l'interruption de circuits électriques sous charge ne produit pas de distances de décharge. 

Auteur : Ralf Hickl, Product Sales Manager Automotive Business Unit chez Rutronik

Au plus tard pour les réseaux de bord 48 V ou dans les utilitaires avec des longueurs de câble importantes et donc avec des inductances parasites plus importantes, le problème se pose.

Si la fonction de commutation est remplie, quelques capteurs permettent d'aborder le diagnostic et la protection contre les surcharges afin de protéger le câblage et les consommateurs et afin de permettre une réaction rapide en cas de défaut. Une protection électronique apporte des avantages supplémentaires : contrairement aux fusibles à usage unique, une fonction de surcharge peut être sollicitée de manière répétée avec les commutateurs à semi-conducteur dotés d'une protection correspondante. Après son déclenchement, le fusible électronique est diagnostiqué et réinitialisé via le bus de véhicule, sans utiliser d'outils. Grâce à la mesure de la consommation de courant dans chaque branche de commutation, il est possible de vérifier les états de commutation des consommateurs. Poussé à l'extrême, le coffret de relais et de fusibles dans la voiture devient en plus un compteur communiquant avec toutes les possibilités que cela implique.

Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un commutateur électronique multiple

Le schéma fonctionnel (figure 1) d'un commutateur électronique multiple montre des commutateurs à semi-conducteur dans trois trajets de courant. La commutation est assurée par un commutateur haute tension intégré dans le trajet de courant supérieur, par un MOSFET câblé au milieu et par un commutateur basse tension protégé dans le trajet de masse. Un microcontrôleur assure la connexion au bus et le traitement des signaux de diagnostic ainsi que la commande des commutateurs.

Pour les courants de commutation plus faibles, on emploie des commutateurs haute tension ou basse tension intelligents, également appelés dispositifs de puissance intelligents, Intelligent Power Devices (IPD). Ces composants compacts intègrent l'élément de commutation – un MOSFET à canal N –, un étage de commande pour la grille ainsi que des fonctions de diagnostic et de protection dans un boîtier. Le dispositif de diagnostic détecte par ex. une rupture de câble au niveau de la sortie (Open Load Detection) ; la fonction de protection réagit par exemple aux élévations de température, aux surintensités de courants ou aux sous-tensions. Les types courants commutent un flux d'énergie unidirectionnel. Les charges typiques vont de la lampe à incandescence jusqu'à l'élément de chauffage pour les sièges, les vitres et les rétroviseurs extérieurs.

Vue d'ensemble fabricant/séries

Grâce à l'évolution des MOSFET de puissance et de la technologie des boîtiers, ces composants deviennent de plus en plus performants. Parmi les commutateurs haute tension, la famille PowerPROFET d'Infineon occupe une place de choix avec des résistances à l'état passant pouvant descendre jusqu'à 1 mΩ. Les commutateurs protégés dans des versions à plusieurs canaux au sein d'un boîtier permettent un gain de place sur la platine. Grâce à la compatibilité des broches pour les classes de tension 12 et 24 V, les commutateurs PowerPROFET offrent une grande flexibilité. Les composants avec différents nombres de canaux au sein d'un boîtier s'adaptent aussi à une disposition à platine ce qui permet diverses options d'équipement.

Les séries VIPower M0-7/5T de STMicroelectronics valent le détour et pas seulement à cause de la technologie avancée du boîtier. La plupart de ces produits sont basés sur la technique planaire robuste de ST. Renesas est en lice avec sa nouvelle série Hope dont la désignation du type commence par RAJ28.

Voici d'autres critères de sélection importants :

  • Le comportement en cas de sous-tension, c.-à-d. la fonction en cas de chutes de tension avec une impulsion prédéfinie conformément aux normes LV124, ISO 7637-2 impulsion 4, ISO16750-2. Ces normes définissent la tension jusqu'à laquelle et la durée pendant laquelle le commutateur doit rester fermé en cas de chute de tension (en pratique, il s'agit du comportement en cas de démarrage à froid). Dans le cas d'un relais statique pour le démarreur, une faible tension minimale est avantageuse étant donné que l'énergie résiduelle contenue dans la batterie est alors pleinement disponible pour le démarrage.
  • Le comportement en cas de coupure due à une surcharge. Les possibilités sont un redémarrage automatique ou un redémarrage après réinitialisation via une broche ou une combinaison des deux.

Les commutateurs basse tension sont moins demandés que les commutateurs haute tension ; les fournisseurs et séries figurent dans le tableau.

Rares sont les IPD explicitement conçus pour le nouveau réseau de bord avec 48 V. Actuellement, on voit émerger des types destinés au réseau de bord 24 V ainsi que quelques types à spécification pour le réseau de bord 42 V disparu tels que BTS6163 ou BTS50085 d'Infineon. Des composants supplémentaires sont encore en cours de développement.

Si les commutateurs intégrés ne satisfont pas aux caractéristiques de puissance requises, telles que la plage de tension, le courant maximal ou la limite supérieure de la puissance dissipée, il ne reste qu'une solution discrète.

Une disposition discrète pour des puissances de commutation supérieures
Pour les applications à haute tension ou à courant fort, des commutateurs MOSFET à canal N ou à IGBT et éventuellement à commande de grille avec isolation galvanique sont nécessaires. À cela s'ajoutent des composants pour le diagnostic et le circuit de protection.

Élément de commutation
L'élément de commutation est généralement un MOSFET à canal N. Selon le réseau de bord, des MOSFET de différentes classes de tension sont utilisés : de 40 à 60 V pour les réseaux de bord 12 ; 80 ou 100 V pour les réseaux de bord 24 et 48 V. La résistance RDSON et les boîtiers ont une influence déterminante sur la puissance de dissipation, sachant que la technologie du boîtier ne détermine pas seulement la résistance thermique mais aussi la résistance RDSON totale par l'établissement interne des contacts de la puce à semi-conducteur. Le progrès technique actuel correspond aux boîtiers refroidis des deux côtés et à établissement interne des contacts sur toute la surface à l'aide de bandes de cuivre (copper clamping) au lieu d'utiliser des fils de connexion. DSOP Advance et DPAK+ de Toshiba sont des exemples de boîtiers dotés du « copper clamping ».

Des séries de MOSFET de basse impédance sont disponibles avec STripFET-F7 de STMicroelectronics, UMOS IV-H de Toshiba, OptiMOS d'Infineon, ANL3 de Renesas ainsi que les séries de Diodes DMTH/DMNH.

Commande de grille
Pour l'utilisation en tant que commutateur haute tension, les commandes de grille du MOSFET à canal N doivent être en mesure de générer une tension de grille supérieure d'une valeur équivalente à la tension seuil de la grille Uth par rapport à la tension d'alimentation. Cela est généralement assuré par des convertisseurs élévateurs ou des pompes de charge intégrés dans le circuit intégré de commande.

Certaines commandes de grille offrent aussi des canaux de retour favorisant les diagnostics tels que la surveillance de la tension drain-source à l'état activé. Les coupleurs optoélectroniques photovoltaïques constituent une alternative originale aux commandes de grille.

Coup de projecteur sur les coupleurs optoélectroniques en tant que commandes de grille
Dans les coupleurs optoélectroniques photovoltaïques, une diode électroluminescente rayonne sur une barrette de cellules photoélectriques. L'effet photoélectrique interne produit une tension de sortie sans potentiel pouvant être utilisée comme signal de commande pour la grille d'un MOSFET. Ce principe simple offre certains avantages :

  • Les coupleurs optoélectroniques photovoltaïques génèrent en même temps l'alimentation en tension sans potentiel de l'étage de sortie.
  • Tant que le courant parcourt la diode électroluminescente, la tension photoélectrique est générée et le MOSFET est activé. Étant donné que la tension directe de la diode électroluminescente se situe dans la plage inférieure à 2 V, l'aptitude au démarrage à froid, c.-à-d. le passage sans interruption de la chute de tension lors du démarrage à froid (cold cranking pulse) est garantie sans grand effort.
  • La configuration avec des MOSFET montés en tête-bêche permet l'utilisation de commutateurs bidirectionnels à protection contre l'inversion de polarité ainsi qu'un flux d'énergie dans les deux sens et donc une récupération.

À titre d'exemple, on peut citer ici le coupleur optoélectronique photovoltaïque automobile de Toshiba, type TLX9906. À température ambiante, le modèle TLX9906 génère une tension à vide de 7 V et dispose d'un circuit interne pour accélérer le déchargement de la capacité de grille commandée. Afin de maîtriser les pertes de commutation, il convient, en effet, d'observer la pente des flancs de commutation sur la grille du transistor de commutation.

Capteurs de courant
Certains des commutateurs protégés mentionnés ci-dessus sont dotés d'une sortie avec un signal proportionnel au courant. Si la précision de mesure de celle-ci est suffisante, elle constitue une solution élégante rendant inutile la présence d'un capteur supplémentaire.

Des solutions discrètes pour la coupure en cas de surintensité de courant avec un temps de réaction rapide peuvent être réalisées avec des shunts ou des capteurs basés sur l'effet Hall tels que proposés par Infineon, Micronas et Melexis. Cette dernière option ne comporte aucune puissance dissipée tout en assurant une isolation galvanique entre la grandeur mesurée et le signal de sortie du capteur.

Composants simples en apparence, les shunts haute puissance renferment pourtant une bonne dose de savoir-faire en ce qui concerne la composition matérielle afin de réduire les erreurs de mesure dues aux thermocouples parasites ou le coefficient de température de la résistance ohmique. Pour les courants prévus et les puissances dissipées consécutives dans le shunt, seules des versions à très faible impédance avec un raccord à 4 pointes effectif sont possibles. Les prises de mesure appelées « raccords Kelvin » réduisent l'erreur de mesure due aux effets parasites des points de contact. De tels shunts sont par ex. disponibles auprès de Vishay, ROHM et KOA.

Pour la variante avec des shunts dans la ligne d'alimentation en tension, le traitement de signaux adapté doit venir compléter l'ensemble. Il peut s'agir d'un amplificateur de lecture à faible tension résiduelle et à tension de mode commun élevée spécifiée, par ex. de la série TSC103(1) de STMicroelectronics.

Capteurs de température
Une mesure utile des surintensités de courant peut être réalisée à l'aide de capteurs de température sous forme de composant à semi-conducteur ou de résistance sensible à la température (thermistances CTN), par ex. ceux commercialisés par AVX.

Protection
Il reste encore le circuit de protection contre les impulsions de tension selon ISO 16750/ISO 7637 sur la ligne d'alimentation en tension comme celles qui se produisent lors d'une perte de charge ou d'une décharge électrostatique. Les suppresseurs de tension transitoire sous forme de diodes tels que proposés par Diodes ou STMicroelectronics avec la série Transil conviennent généralement à cet effet.

Une alternative se trouve dans les varistances multicouches céramiques, par ex. la série Transguard d'AVX. Ces dernières se fatiguent à chaque action ce qui doit être pris en compte notamment lors du test selon ISO 16750-2 impulsion 5b, avec une charge de 10 impulsions à 1 min d'intervalle. Par conséquent, la varistance doit au minimum être dimensionnée de sorte à protéger la commutation, même lors de la dixième impulsion, et à ne pas dépasser le courant de fuite admissible.

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