À l'intérieur d'un contrôleur moteur : pont triphasé, transistors, mesure de courant

Vu de l'extérieur, un contrôleur est un boîtier avec des gros fils d'un côté, des petits de l'autre, et un radiateur. À l'intérieur, on trouve deux mondes : une partie puissance, qui manipule des centaines d'ampères, et une partie commande, qui calcule ce que la puissance doit faire. Ce guide ouvre le boîtier, sans parler d'aucun produit en particulier.

Le pont triphasé

Chaque phase du moteur est reliée à deux interrupteurs : l'un vers le plus de la batterie (l'interrupteur « haut »), l'autre vers le moins (l'interrupteur « bas »). Trois phases, donc six interrupteurs : c'est le pont triphasé, ou onduleur.

En fermant l'interrupteur haut d'une phase, on la relie au plus ; en fermant le bas, au moins. En alternant très vite entre les deux, avec une proportion de temps variable, on obtient en moyenne n'importe quelle tension entre zéro et celle de la batterie. Cette technique s'appelle la modulation de largeur d'impulsion (MLI, ou PWM en anglais). Les bobinages du moteur lissent ces impulsions, et le courant qui y circule devient presque sinusoïdal.

Il ne faut jamais fermer en même temps les deux interrupteurs d'une même phase : ce serait un court-circuit franc de la batterie.

Les transistors de puissance

Sur les contrôleurs de trottinette, de vélo ou de moto légère, les interrupteurs sont en général des transistors MOSFET. Fermés, ils se comportent comme une très faible résistance ; ouverts, ils bloquent la tension de la batterie. Pour les tensions plus élevées des voitures électriques, on rencontre plutôt des IGBT ou des transistors au carbure de silicium.

Pour passer plus de courant, on place souvent plusieurs transistors en parallèle sur chaque position. Leur tension maximale doit dépasser nettement celle de la batterie pleine, pour encaisser les pointes de tension à chaque commutation et au freinage.

D'où vient la chaleur

Un transistor chauffe de deux façons :

• en conduction : le courant traverse sa petite résistance. Cette perte croît avec le carré du courant : doubler le courant multiplie la chaleur par quatre ;
• en commutation : pendant le court instant où il passe d'ouvert à fermé, il supporte à la fois de la tension et du courant. Plus on commute souvent, plus cette perte compte.

C'est pour cela qu'un contrôleur annoncé pour un courant très élevé ne le tient que quelques secondes s'il n'est pas bien refroidi.

Les pilotes de grille et le temps mort

Un MOSFET se commande par sa grille, qu'il faut charger et décharger très vite pour qu'il commute franchement. Le microcontrôleur n'a pas la force de le faire directement : des circuits spécialisés, les pilotes de grille, s'en chargent. Ils gèrent aussi l'interrupteur haut, dont la référence de tension « flotte » avec la phase.

Entre l'ouverture d'un interrupteur et la fermeture de l'autre sur la même phase, on laisse un court délai où les deux sont ouverts : le temps mort. Trop court, il risque un court-circuit pendant la transition ; trop long, il déforme la tension et ajoute des pertes. Son réglage dépend des transistors et de leurs pilotes.

La mesure du courant

Pour la commande vectorielle comme pour les protections, le contrôleur doit connaître précisément le courant dans les phases. Deux méthodes dominent :

• les shunts : de toutes petites résistances de précision, placées sur le chemin du courant, dont on mesure la faible tension ;
• les capteurs de courant à effet Hall, qui mesurent le champ magnétique créé par le courant sans être sur son chemin, plus courants sur les forts courants.

La mesure doit être faite au bon moment dans le cycle de découpage, loin des instants de commutation où elle serait perturbée.

Les condensateurs du bus

Le pont tire sur la batterie un courant haché, à la fréquence de découpage. Les câbles de batterie, trop longs et trop inductifs, ne peuvent pas fournir ces impulsions. Des condensateurs placés au plus près du pont jouent le rôle de réservoir : ils fournissent les pointes et lissent le courant vu par la batterie. Ils chauffent eux aussi, et leur choix conditionne la durée de vie du contrôleur.

C'est aussi pour eux qu'un contrôleur haute tension a besoin d'un circuit de précharge ou d'un connecteur anti-étincelle : à la connexion, des condensateurs vides appellent un fort courant d'un coup.

La partie commande

Un microcontrôleur exécute la commande du moteur à chaque cycle de découpage : lecture des courants, calcul de la position du rotor, régulation, génération des ordres pour le pont. Autour de lui, on trouve :

• les entrées pour l'accélérateur, le frein et les capteurs du moteur ;
• les liaisons de communication avec l'afficheur, un autre contrôleur ou un ordinateur de réglage ;
• les mesures de tension de la batterie et des températures (transistors, et souvent moteur) ;
• une alimentation basse tension tirée de la batterie, pour l'électronique et parfois les accessoires.

Les protections

Le refroidissement, vraie limite d'un contrôleur

Les transistors sont montés sur une surface qui conduit leur chaleur vers le boîtier, puis vers l'air ou le châssis. La qualité de ce chemin thermique fixe le courant qu'un contrôleur peut tenir dans la durée. Deux contrôleurs avec les mêmes transistors peuvent avoir des tenues très différentes selon leur conception thermique et leur fixation dans la machine.