Les surtensions continues sont une cause fréquente de destruction des circuits, car les fusibles et les dispositifs de protection contre les surtensions transitoires tels que les MOV, les diodes TVS et les GDT ne sont pas bien adaptés pour les protéger. Dans cet article, nous discuterons des avantages et des inconvénients des différentes topologies de circuits spécialement conçues pour la protection continue contre les surtensions.
Topologies de protection contre les surtensions
Les circuits de protection contre les surtensions peuvent être globalement divisés en deux catégories : transitoires et continues. Dans cet article, nous nous concentrerons sur les méthodes de protection contre les surtensions continues.
Différentes topologies abordées :
- Crowbar SCR/TRIAC
- Circuits d’écrêtage passifs et actifs
- Déconnexion commutée (MOSFET ou relais)
- Circuits de délestage commandés en tension
Crowbar SCR/TRIAC
Développé à l’origine dans les années 1960 après l’invention du redresseur commandé au silicium (SCR), le circuit crowbar a été conçu comme un moyen simple de se protéger contre les défaillances des alimentations. Il s’agit d’un circuit classique que la plupart des gens devraient connaître.
Le point de consigne OV est calculé en trouvant la tension critique qui permet à suffisamment de courant de circuler à travers la Zener et de déclencher le SCR. Lorsque le SCR se déclenche, l’alimentation se court-circuite et le SCR reste verrouillé jusqu’à ce que le courant tombe en dessous du seuil de courant de maintien. Lorsque cela se produit, un fusible quelque part saute et cela devrait sauver le reste du circuit.
Avantages de ce circuit :
- Extrêmement bon marché à mettre en œuvre, et utilise un fusible qui peut déjà être présent dans le système.
- Le mode de défaillance est sûr, à condition que le fusible puisse s’ouvrir. Lorsque le fusible s’ouvre, l’alimentation est coupée définitivement jusqu’à ce que le fusible soit remplacé.
- Ajoute une résistance série minimale au trajet d’alimentation, ce qui signifie une efficacité élevée avec une chute de tension minimale
- Peut être modifié pour fonctionner avec le courant alternatif en remplaçant le SCR par un TRIAC.
Inconvénients :
- N’est aussi bon que la valeur nominale du fusible. Si votre alimentation ne peut pas produire le courant nécessaire pour brûler rapidement le fusible, elle peut rester allumée pendant une période prolongée. Même les fusibles à action rapide peuvent prendre 100 ms pour sauter à 1,5 fois leur courant nominal. Des problèmes ont également été identifiés récemment avec des fusibles contrefaits sur le marché qui ne sautent pas du tout (Tom d’A2Z Tech a une très bonne démonstration de ceci sur YouTube)
Chaque fusible a également des valeurs nominales de tension d’interruption pour le courant alternatif et le courant continu, car le fusible doit être capable de résister à l’arc créé lors de l’ouverture du circuit. S’il ne peut pas le faire, il continuera à conduire partiellement ou complètement. - Certaines alimentations (par exemple, les batteries) sont dangereuses à court-circuiter directement, et cela pourrait provoquer un incendie. Que se passe-t-il si l’alimentation est une petite batterie qui ne peut pas fournir suffisamment de courant pour faire sauter le fusible ? Cela pourrait facilement se transformer en incendie.
- Pas une véritable méthode OVP. La tension peut toujours être appliquée jusqu’à ce que le fusible s’ouvre alors que le SCR n’a pas été déclenché. Les circuits sensibles comme les grilles MOSFET peuvent être détruits pratiquement instantanément en dépassant leurs valeurs nominales grille-source.
Circuits d’écrêtage passifs et actifs
Les circuits d’écrêtage ont l’avantage de ne pas déconnecter complètement la charge pendant l’événement OV, mais plutôt de dissiper une partie de l’énergie indésirable à travers un élément de passage tel qu’un MOSFET.
Passif : Écrêtage de diode Zener
Avantages de ce circuit :
- Simple avec peu de pièces
- Efficace pour écrêter les sources de tension à haute impédance qui ne fournissent pas de grandes quantités de courant (couramment utilisé pour protéger les grilles MOSFET).
Inconvénients :
- Précision limitée basée sur la courbe de conduction inverse de la diode Zener. Bien qu’il existe des pièces telles que le régulateur shunt TL431 qui peuvent remplacer les diodes Zener avec une plus grande précision.
- La capacité d’écrêtage est limitée par l’impédance dynamique et la dissipation de puissance de la diode Zener.
Actif : Écrêtage à base de transistor
Un régulateur de tension linéaire est un écrêteur de tension à base de transistor :
L’ampli-op pilote le transistor (Q2) dans sa région linéaire pour faire chuter la tension requise de sorte que la tension à la borne non inverseuse corresponde à la tension de référence.
Avantages de ce circuit :
- Utile pour les situations où de petites quantités fréquentes de surtension sont présentes et où il n’est pas souhaitable de forcer une déconnexion dure.
- Ne déconnecte pas la charge, de sorte que votre appareil reste fonctionnel normalement tant que la tension peut être écrêtée.
Inconvénients :
- Peut facilement tomber en panne si l’énergie dissipée devient trop élevée, il est donc judicieux d’ajouter une surveillance de la température de l’élément de passage. Pour cette seule raison, nous n’aimons pas travailler avec des circuits d’écrêtage actifs à moins que les FET ne soient conditionnés dans un circuit intégré avec surveillance de la température.
- L’élément de passage du transistor tombe en court-circuit s’il est surchargé, il n’est donc pas intrinsèquement sûr.
- En mode non-écrêtage, le transistor ajoute toujours une petite quantité de résistance série au trajet d’alimentation, ce qui soulève des questions sur la chute de tension et la dissipation de chaleur.
Circuits de déconnexion commutés (MOSFET et relais)
Les circuits de déconnexion commutés ne nécessitent pas de surveillance de la température et conviennent à un large éventail d’applications. Il existe deux types généraux sur le marché ; ceux qui utilisent des relais et d’autres qui utilisent des semi-conducteurs. Les plus grandes différences entre les deux sont la tension d’isolement et le temps de réponse, dont nous discuterons ici.
P-MOSFET commuté :
Vous trouverez ci-dessous un circuit OVP basé sur un comparateur rail-rail pilotant un MOSFET à canal P [1].
Lorsque 1/3 de +IN est supérieur à la tension de référence donnée par Z1, le comparateur est élevé et la tension grille-source du MOSFET est d’environ 0, ce qui signifie que le transistor s’éteint. R4 limite le courant vers la grille du MOSFET lorsque le comparateur le pilote haut et limite le flux de courant à travers Z2 lorsque le comparateur est bas.
Avantages de ce circuit :
- Simple à concevoir avec peu de pièces. Trouvez simplement un bon MOSFET à canal P à faible résistance qui a une tension drain-source suffisamment élevée pour votre application.
- Temps de réponse extrêmement rapide par rapport à un circuit crowbar ou à base de relais (temps de réponse de dizaines de microsecondes possible).
- Facile à ajouter un démarrage progressif pour l’OVP au démarrage en ajoutant un réseau RC à la grille MOSFET, au détriment des performances de courant d’appel.
- Des pièces identiques ou similaires peuvent être utilisées pour créer un comparateur de fenêtre pour la sous-tension et la surtension.
Inconvénients :
- Vulnérable au bruit sur l’alimentation d’entrée. Sans une résistance d’hystérésis supplémentaire entre OUT et l’entrée inverseuse, le comparateur commutera rapidement lorsque 1/3 de +IN est à la tension de référence Zener. Cela peut provoquer un chauffage rapide et une destruction potentielle du MOSFET.
- Chute de tension série élevée et efficacité limitée en raison de l’utilisation d’un MOSFET à canal P, en particulier aux tensions d’entrée inférieures où le Vgs n’est pas >> seuil.
- Pas largement réglable sur une large plage de tension.
- Précision limitée en raison du changement de tension de claquage Zener avec la température et le courant. L’utilisation d’un régulateur shunt Zener TL431 pour une plus grande précision est recommandée.
- N’est évalué qu’aussi haut que le MOSFET (et le comparateur), et tombe en court-circuit s’il est exposé à des surtensions extrêmes (pas intrinsèquement sûr).
Module PN Labs Protect :
Le module Protect est une amélioration de bon nombre des lacunes du circuit illustré ci-dessus. Il s’agit d’un circuit MOSFET commuté qui a une efficacité exceptionnelle et une large plage réglable de 5 à 30 V jusqu’à 25 A. Il est conçu pour protéger jusqu’à 40 V CC.
Avantages de ce circuit :
- Temps de réponse ultra-rapide en dizaines de μs ou plus rapide.
- Véritable protection contre les surtensions, avec démarrage progressif, pour une protection immédiate à la mise sous tension. Il possède également des fonctionnalités supplémentaires, telles que la polarité inverse et le blocage du courant inverse en raison de l’utilisation d’une architecture FET dos à dos.
- Efficacité exceptionnelle grâce à l’utilisation de MOSFET à canal N haute performance (plus de 99 % typique)
- Borne de commutateur d’activation pour la commande MARCHE/ARRÊT directe.
Inconvénients :
- N’est évalué qu’à 40 V CC de blocage, limité par les MOSFET.
- Plus cher que les circuits de relais traditionnels. Des FET de haute qualité, un ASIC dédié avec des comparateurs et des pilotes de grille intégrés sont utilisés.
- Le démarrage progressif limite le courant d’appel maximal admissible à 12,5 A au démarrage.
Relais commuté :
La plupart des circuits de surtension et de sous-tension disponibles dans le commerce sont basés sur des relais, pour deux raisons :
- Les circuits de relais construits correctement sont presque garantis de tomber en panne ouverts lorsqu’ils meurent, ils sont donc intrinsèquement plus sûrs.
- Les relais à faible courant sont peu coûteux et faciles à concevoir dans un circuit.
Un schéma d’un circuit OVP typique à base de relais avec un comparateur, un relais et un MOSFET à canal N est illustré ci-dessous.
Le circuit comparateur active et désactive le MOSFET, qui commute un relais dans le trajet d’alimentation principal. Le point de déclenchement est lorsque 1/3 de la tension d’entrée (nominalement 12 V) dépasse 5 V donnés par la référence Zener. Un circuit crowbar sacrificiel peut être conçu pour couper définitivement le relais à la tension maximale absolue du circuit, auquel cas la tension d’isolement élevée du relais ouvert empêchera les tensions élevées d’atteindre le reste du circuit.
Avantages de ce circuit :
- Peu coûteux à construire. Aucun pilote de grille MOSFET coûteux n’est requis.
- Les relais offrent facilement une tension d’isolement plus élevée qu’un MOSFET, et un crowbar sacrificiel est intégré pour forcer le relais à s’ouvrir en faisant sauter F1 en cas d’événement OV extrême
- Très faible chute de tension série, car il n’y a que le commutateur de K1 dans le trajet d’alimentation.
Inconvénients :
- La suppression d’arc à l’intérieur du relais devient plus importante à mesure que la tension de fonctionnement et le courant nominal augmentent. Les MOSFET sont intrinsèquement meilleurs pour commuter de grandes quantités de courant pour cette raison, à condition que leur SOA soit respecté.
- Courte durée de vie. Les durées de vie des relais indiquées dans les fiches techniques sont souvent mesurées dans des conditions « sèches ». Dans la vie réelle, l’interruption du courant entraînera la formation d’un arc, qui endommagera légèrement les contacts à chaque utilisation. Cela conduit finalement à la défaillance du relais.
- Action lente. De nombreux relais ont des temps de commutation de quelques ms, ce qui est plusieurs ordres de grandeur plus long que les approches à semi-conducteurs.
Circuits de délestage commandés en tension
Les circuits de dérivation d’énergie sont déployés dans les systèmes où une déconnexion dure de l’alimentation pourrait causer des dommages, tels que les générateurs hydroélectriques ou les éoliennes. Dans ces systèmes, la charge électrique fournit un couple de freinage pour ralentir le rotor. Si la charge est soudainement déconnectée, ce freinage est perdu, ce qui peut entraîner une condition d’emballement dangereuse. Au lieu de déconnecter la charge, une paire de commutateurs est activée pour connecter une résistance de « délestage » en parallèle avec la charge, détournant l’énergie excédentaire et réduisant la tension du système.
Voici un circuit de délestage créé par Tim Williams de Seven Transistors Labs qui est annoté pour plus de clarté [2] :
Vous pouvez consulter son article original ici. Dans ce cas, les grilles des deux MOSFET sont liées ensemble, ce qui signifie que les deux résistances de puissance fonctionnent ensemble. Une autre approche pourrait consister à activer chaque résistance en deux étapes, correspondant à des événements de surtension légers et graves.
Avantages de ce circuit :
- Moyen fiable de protéger les générateurs/systèmes de volant d’inertie où une déconnexion dure est dangereuse ou impraticable.
- Peut être modifié pour déverser des quantités croissantes d’énergie en fonction du niveau de surtension en déclenchant une/les deux résistances
Inconvénients :
- Les résistances de puissance sont généralement volumineuses et dimensionnées pour les conditions de charge les plus défavorables.
- Grandes quantités de chaleur générées
- N’interrompt pas réellement les conditions de défaut, de sorte que des dommages sont toujours possibles si le délestage est inefficace.
Remarques de clôture
La raison pour laquelle il existe autant de schémas de protection contre les surtensions (et de composants de protection de circuit en général) est qu’aucune technique n’est intrinsèquement supérieure aux autres.
La sélection de la « meilleure » approche dépend entièrement de votre application, ainsi que du comportement final et de la fiabilité souhaités. Les stratégies de protection les plus robustes consistent à combiner plusieurs technologies de protection, en tirant parti de leurs forces tout en essayant d’atténuer leurs faiblesses individuelles.
PN Labs ne prétend pas concevoir des solutions de protection de circuit à l’épreuve des balles. Au lieu de cela, nous développons des conceptions qui, selon nous, offrent un réel mérite et une réelle valeur à la communauté de l’ingénierie, et nous sommes transparents quant à leurs limites.
Références :
1. Texas Instruments, « Protection contre les surtensions avec circuit comparateur », Application Brief SNOAA20, janvier 2019. [En ligne]. Disponible : Texas Instruments
2. Contenu adapté d’une réponse de Tim Williams sur Electrical Engineering Stack Exchange. Sous licence CC BY-SA 4.0
