Circuits de protection continue contre les surtensions

13 janvier 2026

La surtension continue est une cause fréquente de destruction des circuits, parce que les fusibles et les dispositifs de protection contre les surtensions transitoires comme les MOV, les diodes TVS et les GDT ne sont pas conçus pour l’arrêter. Cet article passe en revue les avantages et les inconvénients des différentes topologies de circuits destinées précisément à la protection contre les surtensions continues.

Topologies de protection contre les surtensions

Les circuits de protection contre les surtensions se divisent en gros en deux catégories : les transitoires et les continues. Cet article porte sur les méthodes de protection contre les surtensions continues.

Topologies abordées :

1. Crowbar à SCR/TRIAC
2. Circuits d’écrêtage passifs et actifs
3. Déconnexion commutée (MOSFET ou relais)
4. Circuits de délestage déclenchés par la tension

Crowbar à SCR/TRIAC

Mis au point dans les années 1960, après l’invention du redresseur commandé au silicium (SCR), le circuit crowbar servait de moyen simple de se protéger contre la défaillance d’une alimentation. C’est un grand classique, que la plupart des gens ont déjà croisé.

Le seuil de surtension se calcule en cherchant la tension critique à partir de laquelle il passe assez de courant dans la Zener pour déclencher le SCR. Au déclenchement, le SCR court-circuite l’alimentation et reste verrouillé tant que le courant ne descend pas sous le seuil de courant de maintien. À ce moment-là, un fusible saute quelque part dans le montage, et c’est ce qui sauve le reste du circuit.

Avantages de ce circuit :

• Ridiculement bon marché à mettre en œuvre, et il réutilise un fusible souvent déjà présent dans le système.
• Le mode de défaillance est sûr, à condition que le fusible arrive à s’ouvrir. Une fois le fusible ouvert, l’alimentation est coupée en permanence jusqu’à son remplacement.
• Ajoute très peu de résistance série dans le chemin de puissance : rendement élevé et chute de tension minime
• Se transpose au courant alternatif en remplaçant le SCR par un TRIAC.

Inconvénients :

• Ne vaut que ce que vaut le fusible. Si l’alimentation ne peut pas produire le courant nécessaire pour le faire fondre rapidement, la surtension peut se maintenir longtemps. Même un fusible à fusion rapide peut prendre 100 ms pour s’ouvrir à 1,5 fois son courant nominal. On a aussi relevé récemment sur le marché des fusibles contrefaits qui ne s’ouvrent tout simplement pas (Tom, d’A2Z Tech, en fait une très bonne démonstration sur YouTube)
  Chaque fusible a aussi une tension de coupure nominale en courant alternatif et en courant continu, parce qu’il doit tenir l’arc qui se forme à l’ouverture du circuit. S’il n’y arrive pas, il continue de conduire, partiellement ou complètement.
• Certaines sources (les batteries, par exemple) sont dangereuses à court-circuiter directement et peuvent prendre feu. Et si la source est une petite batterie incapable de fournir assez de courant pour faire sauter le fusible ? L’incendie arrive vite.
• Ce n’est pas une vraie protection contre les surtensions. La tension continue d’être appliquée tant que le fusible n’est pas ouvert et que le SCR n’a pas déclenché. Un circuit sensible comme une grille de MOSFET est détruit presque instantanément dès que sa tension grille-source maximale est dépassée.

Circuits d’écrêtage passifs et actifs

Les circuits d’écrêtage ont l’avantage de ne pas couper complètement la charge pendant la surtension : ils dissipent plutôt une partie de l’énergie en trop dans un élément série, un MOSFET par exemple.

Passif : écrêteur à diode Zener

Avantages de ce circuit :

• Simple, peu de composants
• Efficace pour écrêter les sources qui ne débitent pas beaucoup de courant (on s’en sert pour protéger les grilles de MOSFET, qui sont à haute impédance).

Inconvénients :

• Précision limitée par la courbe de conduction inverse de la diode Zener. Cela dit, des composants comme le régulateur shunt TL431 remplacent la Zener avec une bien meilleure précision.
• La capacité d’écrêtage est limitée par l’impédance dynamique et la puissance dissipable de la diode Zener.

Actif : écrêteur à transistor

Un régulateur de tension linéaire est un écrêteur de tension à transistor :

L’ampli-op pilote le transistor (Q2) dans sa zone linéaire pour lui faire absorber la tension nécessaire à ce que l’entrée non inverseuse retrouve la tension de référence.

Avantages de ce circuit :

• Utile quand de petites surtensions surviennent souvent et qu’une coupure franche n’est pas souhaitable.
• Ne coupe pas la charge : l’appareil continue de fonctionner normalement tant que la tension reste écrêtable.

Inconvénients :

• Lâche facilement si l’énergie dissipée devient trop élevée ; il est donc prudent de surveiller la température de l’élément série. Pour cette seule raison, nous évitons les écrêteurs actifs à moins que les FET soient intégrés dans un circuit intégré doté d’une surveillance de température.
• L’élément série tombe en court-circuit quand il est trop sollicité : ce n’est pas une sécurité intrinsèque.
• Hors écrêtage, le transistor ajoute quand même un peu de résistance série dans le chemin de puissance, ce qui pose la question de la chute de tension et de la dissipation thermique.

Circuits de déconnexion commutée (MOSFET et relais)

Les circuits de déconnexion commutée n’exigent pas de surveillance de température et conviennent à un large éventail d’applications. Le marché en propose deux grandes familles : ceux à relais et ceux à semi-conducteurs. Les différences les plus importantes portent sur la tension d’isolement et le temps de réponse, dont il est question ici.

P-MOSFET commuté :

Voici un circuit de protection contre les surtensions fondé sur un comparateur rail-à-rail qui pilote un MOSFET à canal P [1].

Quand le tiers de +IN dépasse la tension de référence donnée par Z1, la sortie du comparateur passe au niveau haut, la tension grille-source du MOSFET tombe à environ 0 et le transistor se bloque. R4 limite le courant vers la grille du MOSFET quand le comparateur est au niveau haut, et limite le courant dans Z2 quand il est au niveau bas.

Avantages de ce circuit :

• Simple à concevoir, peu de composants. Il suffit de trouver un bon MOSFET à canal P à faible résistance dont la tension drain-source suffit pour l’application.
• Réponse extrêmement rapide comparée à un crowbar ou à un montage à relais (des temps de réponse de quelques dizaines de microsecondes sont possibles).
• Un simple réseau RC sur la grille du MOSFET ajoute un démarrage progressif, donc une protection dès la mise sous tension, au prix de la tenue au courant d’appel.
• Les mêmes composants, ou presque, permettent de bâtir un comparateur à fenêtre couvrant à la fois la sous-tension et la surtension.

Inconvénients :

• Sensible au bruit sur l’alimentation d’entrée. Sans résistance d’hystérésis entre OUT et l’entrée inverseuse, le comparateur bascule très vite dès que le tiers de +IN se trouve à la tension de référence Zener. Le MOSFET chauffe alors rapidement et peut être détruit.
• Chute de tension série élevée et rendement limité, à cause du MOSFET à canal P, surtout aux basses tensions d’entrée où la Vgs n’est pas très supérieure à la tension de seuil.
• Peu réglable sur une large plage de tension.
• Précision limitée, la tension de claquage de la Zener variant avec la température et le courant. Un régulateur shunt Zener TL431 est recommandé pour gagner en précision.
• Sa tenue se limite à celle du MOSFET (et du comparateur), et il tombe en court-circuit sous une surtension extrême : pas de sécurité intrinsèque.

Module Protect de PN Labs :

Le module Protect corrige plusieurs des faiblesses du circuit ci-dessus. C’est un montage à MOSFET commutés au rendement exceptionnel, réglable de 5 à 30 V et jusqu’à 25 A. Il protège jusqu’à 40 V c.c.

Avantages de ce circuit :

• Temps de réponse de quelques dizaines de μs, souvent moins.
• Véritable protection contre les surtensions, avec démarrage progressif, donc une protection dès la mise sous tension. Elle ajoute aussi la protection contre les inversions de polarité et le blocage du courant inverse, grâce à une architecture à FET tête-bêche.
• Rendement exceptionnel grâce à des MOSFET à canal N haute performance (plus de 99 % en valeur typique)
• Borne d’activation pour une commande MARCHE/ARRÊT directe.

Inconvénients :

• Tension de blocage limitée à 40 V c.c., une limite imposée par les MOSFET.
• Plus cher qu’un montage classique à relais : FET de qualité, ASIC dédié avec comparateurs et pilotes de grille intégrés.
• Le démarrage progressif limite le courant d’appel admissible à 12,5 A à la mise sous tension.

Relais commuté :

La plupart des circuits de surtension et de sous-tension vendus dans le commerce reposent sur un relais, pour deux raisons :

• Bien conçu, un montage à relais s’ouvre presque à coup sûr en fin de vie : il est intrinsèquement plus sûr.
• Les relais de faible courant coûtent peu et s’intègrent facilement à un circuit.

Voici le schéma d’un circuit de protection contre les surtensions typique à relais, avec comparateur, relais et MOSFET à canal N.

Le comparateur commande le MOSFET, qui commute le relais placé dans le chemin de puissance principal. Le seuil de déclenchement est atteint lorsque le tiers de la tension d’entrée (12 V nominal) dépasse les 5 V fournis par la référence Zener. On peut ajouter un crowbar sacrificiel qui coupe le relais définitivement à la tension maximale absolue du circuit ; la tension d’isolement élevée du relais ouvert empêche alors la haute tension d’atteindre le reste du montage.

Avantages de ce circuit :

• Peu coûteux à construire. Aucun pilote de grille MOSFET dispendieux n’est nécessaire.
• Un relais offre facilement une tension d’isolement supérieure à celle d’un MOSFET, et le crowbar sacrificiel intégré force son ouverture en faisant sauter F1 lors d’une surtension extrême
• Chute de tension série très faible, puisque seul le contact de K1 se trouve dans le chemin de puissance.

Inconvénients :

• L’extinction de l’arc à l’intérieur du relais devient critique à mesure que la tension de service et le courant nominal augmentent. C’est pourquoi un MOSFET commute mieux les forts courants, à condition de respecter son aire de sécurité (SOA).
• Durée de vie courte. Les durées de vie annoncées dans les fiches techniques sont souvent mesurées « à sec ». En pratique, la coupure du courant crée un arc qui abîme un peu les contacts à chaque manœuvre. Le relais finit par lâcher.
• Lent. Beaucoup de relais commutent en quelques ms, soit plusieurs ordres de grandeur de plus qu’une solution à semi-conducteurs.

Circuits de délestage déclenchés par la tension

Les circuits de dérivation d’énergie servent dans les systèmes où couper franchement l’alimentation ferait des dégâts, comme les génératrices hydroélectriques ou les éoliennes. Dans ces systèmes, la charge électrique fournit le couple de freinage qui ralentit le rotor. Si la charge disparaît d’un coup, ce freinage disparaît avec elle et la machine peut s’emballer dangereusement. Plutôt que de déconnecter la charge, une paire d’interrupteurs met une résistance de « délestage » en parallèle avec elle, ce qui détourne l’énergie en trop et fait baisser la tension du système.

Tim Williams, de Seven Transistors Labs, a publié un circuit de délestage annoté [2].

Sa publication d’origine se trouve ici. Ici, les grilles des deux MOSFET sont reliées ensemble, donc les deux résistances de puissance travaillent en même temps. On pourrait aussi les activer en deux temps, selon que la surtension est légère ou sévère.

Avantages de ce circuit :

• Moyen fiable de protéger les génératrices et les systèmes à volant d’inertie, où la coupure franche est dangereuse ou impraticable.
• Peut dissiper de plus en plus d’énergie selon le niveau de surtension, en activant une seule résistance ou les deux

Inconvénients :

• Les résistances de puissance sont généralement encombrantes et dimensionnées pour le pire cas de charge.
• Beaucoup de chaleur à évacuer
• N’interrompt pas réellement le défaut : si le délestage ne suffit pas, il peut quand même y avoir des dommages.

Pour conclure

S’il existe autant de schémas de protection contre les surtensions (et de composants de protection en général), c’est qu’aucune technique n’est intrinsèquement supérieure aux autres.

Le choix de la « meilleure » approche dépend entièrement de l’application, du comportement final voulu et du niveau de fiabilité visé. Les stratégies les plus solides combinent plusieurs technologies de protection, pour tirer parti des forces de chacune et compenser leurs faiblesses respectives.

PN Labs ne prétend pas concevoir des protections à toute épreuve. Nous concevons plutôt des produits qui, selon nous, ont un mérite et une valeur réels pour la communauté d’ingénierie, et nous disons clairement où sont leurs limites.

Références :

1. Texas Instruments, « Overvoltage Protection with Comparator Circuit », 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