Les solutions traditionnelles à base de fusibles, contacteurs ou relais sont réévaluées au profit de solutions plus rapides, plus robustes et plus fiables, telles que le pyrofusible et le fusible électronique (E-Fuse). L'E-Fuse, basé sur la technologie du carbure de silicium (SiC), est une solution de pointe. Le SiC offre une tension et une température de fonctionnement élevées, une faible résistance à l'état passant, un faible courant de fuite à l'état bloqué et une grande résistance aux surtensions transitoires. La conception à semi-conducteurs de l'E-Fuse élimine les problèmes de fiabilité liés aux arcs électriques, à l'usure mécanique, aux rebonds de contact et au soudage par points. L'utilisation d'un économiseur pour actionner les bobines des contacteurs n'est plus nécessaire. L'E-Fuse améliore les performances du système grâce à sa configurabilité, son fonctionnement marche/arrêt contrôlé, ses diagnostics intégrés et sa résistance aux surtensions transitoires.

La conception réarmable élimine tout besoin de maintenance.
Entièrement composée de silicium-carbone (SiC), l'E-Fuse offre un temps de réponse inégalé aux courts-circuits, réagissant plusieurs centaines de fois plus vite qu'une bobine d'allumage à fusible. L'E-Fuse constitue ainsi un complément idéal aux solutions de protection à base de bobine d'allumage. Si une bobine d'allumage assure une protection robuste et fiable du circuit, elle n'est pas réarmable. À usage unique, elle peut servir de dispositif de sécurité, à l'instar de la bobine d'allumage d'un airbag.
Une bobine d'allumage est utilisée comme mesure de sécurité pour désactiver le système en cas de situation critique. Une fois déclenchée, elle doit être remplacée. Le remplacement d'un composant dans un système haute tension est bien plus complexe que dans un système 12 V. Avec des tensions de 400 V ou 800 V, largement supérieures à la limite de 60 V généralement considérée comme sûre par l'industrie automobile, les réparations ne peuvent être effectuées en toute sécurité que par des techniciens qualifiés. Heureusement, grâce à un profil de déclenchement configurable, un fusible électronique, en tant que solution complémentaire au niveau du système, peut être plus sensible aux surintensités qu'un fusible thermique, garantissant ainsi son déclenchement en premier et empêchant l'activation de ce dernier. L'un des avantages du fusible électronique par rapport aux solutions actuelles est sa réarmement, ce qui permet au propriétaire d'un véhicule électrique d'économiser du temps, de l'argent et des désagréments liés à un passage en atelier.

Protection robuste des circuits CC.
La protection des circuits dans les systèmes CC haute tension présente un défi particulier. Contrairement aux systèmes CA, où le passage par zéro contribue à l'extinction d'un arc électrique, les systèmes CC en sont dépourvus. Pour pallier ce problème, les relais et contacteurs VE haute tension intègrent des fonctionnalités sophistiquées permettant d'éteindre les arcs électriques en toute sécurité. Cependant, les arcs électriques continuent d'éroder les contacts et engendrent des problèmes de fiabilité, tels qu'une résistance de contact élevée ou des points de soudure. En revanche
, le fusible électrique (E-Fuse) coupe le courant des circuits CC en toute sécurité sans générer d'arc. Le même type d'énergie inductive, responsable de l'amorçage d'un arc dans une solution à relais, est présent dans un circuit protégé par un fusible électrique. Ce dernier doit donc absorber cette énergie lors de la coupure du courant.
La principale différence réside dans le temps de réponse rapide du fusible électrique, qui réduit le courant de crête de plusieurs ordres de grandeur par rapport à une solution traditionnelle. L'énergie inductive étant proportionnelle au carré du courant, une diminution du courant de court-circuit de crête entraîne une réduction significative de l'énergie de coupure. Il en résulte également une tension plus faible sur le câblage et une réduction potentielle de la charge de défaut en aval.

Démonstrateur de fusible électronique à profil de déclenchement configurable.
Le démonstrateur de technologie auxiliaire de fusible électronique Microchip, illustré à la figure 1, est destiné aux concepteurs développant des fusibles électroniques haute tension pour l'automobile ou les relais statiques. Les six variantes matérielles offrent des options de 400 V et 800 V et des intensités nominales de 10 A, 20 A et 30 A, permettant l'évaluation de MOSFET SiC simples ou en parallèle avec des résistances à l'état passant (RDS(on)) comprises entre 15 mΩ et 40 mΩ.

Figure 1 - Démonstrateur de technologie auxiliaire de fusible électronique Microchip

Les circuits de commande et de protection de l'E-Fuse sont alimentés par le système 12 V. Doté d'une interface de communication LIN, il peut être connecté directement à une batterie 12 V, sorti de veille par l'intermédiaire d'un signal LIN ou alimenté par la sortie batterie commutée d'un module de commande.
L'E-Fuse intègre trois méthodes de détection de surintensité, allant des faibles surintensités aux courants de court-circuit très élevés, comme l'illustre la courbe caractéristique temps-courant (TCC) de la figure 2. Cette courbe TCC décrit le comportement de l'E-Fuse, similaire à celui d'un fusible : son temps de réponse est lent pour les faibles surintensités et rapide pour les fortes surintensités.

Il est facilement adaptable pour protéger le câblage et les charges. Les trois méthodes de détection sont aisément configurables par logiciel ou via l'interface LIN. La méthode de détection la plus à gauche, représentée en bleu, caractérise le comportement de déclenchement à l'aide d'un algorithme d'estimation de la température de jonction. Cet algorithme utilise la mesure du courant, la mesure de la température ambiante, la RDS(on) du MOSFET SiC et les caractéristiques thermiques de conception pour estimer la température de jonction du MOSFET SiC.
Le temps de réponse varie en fonction de l'amplitude de la surintensité. Le segment de ligne central représente une méthode de détection utilisant uniquement la mesure du courant avec un temps de réponse fixe. Le segment de ligne le plus à droite représente une méthode de détection matérielle, bien que configurable par logiciel. Cette méthode exploite les périphériques indépendants du cœur (CIP) du microcontrôleur PIC®, notamment un comparateur, une référence de tension fixe, un convertisseur numérique-analogique et des cellules logiques configurables en bascules SR. Ceci permet une propagation rapide du signal en moins de quelques centaines de nanosecondes, permettant une détection immédiate d'un court-circuit et la protection du système haute tension.

Figure 2 - Courbe caractéristique temps-courant pour un fusible de 400 V, 20 A, variante E

Outre son fonctionnement similaire à celui d'un fusible, un fusible électronique peut faire office de relais électromécanique. À l'instar d'une bobine de relais et de ses contacts haute tension isolés galvaniquement, un fusible électronique haute tension intègre également une barrière d'isolation entre les signaux de commande et les bornes haute tension. Comme un relais, un fusible électronique peut être connecté au système soit comme une sortie haute tension fournissant l'énergie de la borne positive haute tension à une charge, soit comme une sortie basse tension permettant à la charge de rejoindre le retour négatif de la batterie haute tension, comme illustré sur la figure 3.

Figure 3 - Configurations au niveau du système E-Fuse

Performances en cas de court-circuit haute tension :
Afin d’apprécier pleinement la différence de temps de réponse entre un fusible électronique et un fusible haute tension automobile conventionnel, chacun a été soumis à un court-circuit dans des conditions de test similaires (450 V et une inductance de ligne d’environ 3 µH). Les formes d’onde obtenues sont présentées sur la figure 4. La forme d’onde noire représente le courant traversant le fusible haute tension testé. En 30 µs, le courant atteint 3 800 A, limite de l’appareil de mesure, et le fusible fond 50 µs plus tard. D’après les paramètres de test, le courant de crête est estimé à plus de 6 000 A. En revanche, avec un fusible électronique, comme le montre la forme d’onde bleue, le courant n’atteint que 128 A avant le déclenchement. Cette réduction significative du courant de fuite minimise les contraintes sur le câblage et les charges en aval.
Les concepteurs de systèmes peuvent ainsi optimiser le câblage en termes de poids et de coût. Dans certains cas, le faible courant de fuite du fusible électronique fera la différence entre une situation de remorquage, où un défaut provoquant une surtension élevée entraîne des dommages matériels permanents, et un défaut récupérable qui permet au système de se réinitialiser automatiquement et au conducteur de continuer à utiliser le véhicule.

Figure 4 - Formes d'onde du courant pour le fusible électronique par rapport au fusible haute tension

Au-delà du véhicule électrique lui-même, les infrastructures de soutien telles que les bornes de recharge rapide en courant continu ou les micro-réseaux qui les alimentent peuvent également tirer profit de l'E-Fuse. Les avantages de l'E-Fuse ne se limitent pas aux applications automobiles.
Les applications utilisant des fusibles et des contacteurs bénéficient de certains des points abordés, ainsi que d'autres avantages, comme la détection de courant embarquée, qui permet une meilleure intégration et une optimisation au niveau du système. Les applications externes utilisent une configuration MOSFET SiC anti-série à source commune et peuvent nécessiter une capacité de courant supérieure à celle offerte par le démonstrateur. Heureusement, la conception est facilement adaptable et peut être utilisée avec des modules de puissance SiC à source commune disponibles sur le marché.
Alors que l'attention portée aux performances, à la sécurité et à la fiabilité s'accroît, l'E-Fuse, en tant que solution de protection des circuits, continuera de s'imposer comme la méthode de choix, à l'instar de l'évolution observée dans le système 12 V, des fusibles et relais aux contrôleurs statiques protégés, puis plus récemment, aux E-Fuse basse tension.

AUTEUR : Ehab Tarmoom, ingénieur d’application technique, unité commerciale du carbure de silicium, Microchip Technology 
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