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TP6 : ALIMENTATION A DECOUPAGE : HACHEUR SERIE

ET CONVERTISSEUR STATIQUE ABAISSEUR DE TENSION

INTRODUCTION

Le réseau alternatif industriel fournit l’énergie électrique principalement sous des tensions sinusoïdales de fréquence et d’amplitude fixes (50 Hz-220 V). Les batteries d’accumulateurs ou les photopiles solaires génèrent quant à elles des tensions continues fixes (48 V, par exemple). Or, de nombreuses applications nécessitent des tensions et des fréquences autres que celles qui sont imposées par le réseau ou les batteries, et parfois continûment variables. Cette conversion d’énergie, autrefois réalisée par des convertisseurs électromécaniques est aujourd’hui essentiellement effectuée, dans un large domaine de puissance, par des convertisseurs statiques de faible entretien, moins volumineux et plus performants, qui se sont développés grâce aux progrès constants des composants électroniques de puissance. Leurs applications concernent les alimentations de secours, de sécurité et de nombreux appareillages industriels et domestiques (ordinateurs, téléviseurs, …), mais aussi l’électrochimie et l’électrométallurgie, le conditionnement de l’électricité et, enfin, la variation de vitesse des machines électriques tournantes. Cette dernière utilisation intervient dans le domaine de la traction électrique, mais aussi dans toutes les techniques de fabrication, de plus en plus complexes du fait des exigences croissantes (au niveau des produits finis: qualité, prix, économie d’énergie...) de l’industrie moderne (robotique, automobile, aéronautique…).

OBJECTIFS DE LA MANIPULATION

Le but principal de cette manipulation est l'étude du fonctionnement d'un convertisseur abaisseur de tension ("buck converter") commandé par modulation de largeur d'impulsion (M.L.I.) (Figure 1). L'alimentation choisie entre dans la classe des convertisseurs statiques de type alimentation à découpage. On verra pas à pas comment, à partir d'une source de tension continue, on peut alimenter une charge électrique sous tension pratiquement continue et réglable.

D C

D C

v e v s

i e i s

Source

Convertisseur

Charge

α (Commande)

Figure 1

2

A l'issue de la manipulation, (et après consultation du cours et des TD), l'étudiant doit savoir aborder ou traiter les notions suivantes :

- Fonctionnement d’un hacheur série. - Méthode de commande par modulation de largeur d'impulsion (principe, rapport cyclique). - Formes d’ondes lors d’un fonctionnement sur charge résistive et expression de la

tension de sortie moyenne. - Influence de l’inductance de filtrage et de la fréquence sur l’ondulation du courant de

sortie du hacheur. - Influence de la capacité de sortie et de la fréquence sur l’ondulation de tension en

sortie du convertisseur, aux bornes de la charge.

TRAVAIL PRELIMINAIRE Outre la lecture complète de la manipulation, un exercice préliminaire (signalé dans la marge par un trait brisé), permettant de mieux comprendre la démarche et la problématique d’une alimentation à découpage, vous est proposé.

MATERIELS MIS À DISPOSITION

- une alimentation continue réglable 0-60V 20A, - une platine de commande de hacheur (Figure 2), - un hacheur 80V/10A (Figure 3). - 2 résistances de 6,8 Ω et 10 Ω et 2 rhéostats (33 Ω, 6 A et 10 Ω), - une boîte de selfs, - une boite de condensateurs, - une sonde de courant instantané 20A, - un oscilloscope numérique.

Figure 2

Figure 3

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PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS

Il est impératif de faire vérifier tous les montages à chaque modification. Ne pas dépasser 10A de courant moyen de charge ! Lorsqu'un nouveau montage est demandé, ne pas décâbler systématiquement le précédent avant d'avoir vérifié si une partie ne peut pas être conservée !

____________

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MANIPULATION Comment réaliser une conversion continu/continu (dc/dc) ?

Une telle alimentation a pour fonction, à partir d'une source de tension fixe, de délivrer des tensions continues stables et variables. Outre le fait que la tension fournie doit être indépendante de la charge (du moins dans une certaine plage de fonctionnement), le rendement de ces dispositifs est souvent un facteur primordial, notamment lorsqu’ils sont utilisés dans les systèmes embarqués.

Le cahier des charges est donc d’avoir une tension stable (indépendante de la charge) avec un rendement le meilleur possible. Décrivons quelques dispositifs permettant de faire cette conversion dc/dc et déterminons leurs avantages et inconvénients. 1. En utilisant des ponts diviseurs de tension (voir le TD correspondant)

- Déterminer la tension Vch aux bornes de la charge pour le dispositif ci dessous :

Vs =

- Comment appelle t-on couramment ce circuit ? - Ce circuit a t-il une tension stable quand la charge varie ? - Pour quelle valeur de R1 et Rch ce dispositif de conversion à un rendement maximum ? - Quel élément introduit des pertes dans la conversion ?

- Déterminer la tension Vs pour le dispositif ci dessous :

Figure 4

Vs =

- On suppose que Rch>>R2 : Quel conséquence cette hypothèse a sur :

• La stabilité de la tension Vs vis à vis des variations de la charge ; • Le rendement du dispositif.

- On suppose que Rch<<R2 : Quel conséquence cette hypothèse a sur :

R1 Rch Vs E

R1 Rch Vs E R2

Convertisseur abaisseur dc/dc

Convertisseur abaisseur dc/dc

5

• La stabilité de la tension Vs vis à vis des variations de la charge. • Le rendement du dispositif.

- Pour une valeur quelconque de Rch, quelle est la relation entre R1 et R2 qui permet d’avoir un rendement maximum. – Dessinez le schéma électrique du montage de la figure 4 en utilisant un rhéostat de 10 Ω

pour fixer les valeurs de R1 et de R2 pour avoir un rendement maximum et en y intégrant un Wattmètre pour mesurer la puissance dissipée dans la charge ainsi qu’un ampèremètre et un voltmètre pour mesurer le courant et la tension moyenne aux bornes de la charge. La charge sera composée d’une résistance de 6,8 Ω pouvant être mise en série ou en parallèle avec une résistance de 10 Ω.

– Réalisez le montage et faite vérifier le schéma et le montage par un enseignant. – Remplissez le tableau 1 ci-dessous en fixant E = 10V. – Conclusion par rapport au cahier des charges ?

Rch (Ω) 4 6,8 10 16,8 Vs (V)

Pch (W) η

tableau 1 2. En utilisant une alimentation à découpage

Pour augmenter le rendement des convertisseurs continu/continu, le principe développé dans les alimentations à découpage est de découper la tension (cellule hacheur) puis de la filtrer. Ce type d'alimentation a des rendements de l’ordre de 65 à 90% par rapport aux alimentations à régulation linéaire dont leur rendement de 35 à 55% (principalement dû à la puissance dissipée dans le transistor ou la diode ballast).

La puissance volumique des alimentations à découpage est ainsi bien meilleure. Leurs principaux avantages et inconvénients sont développés au cours de ce TP. 1 - ETUDE DE LA STRUCTURE HACHEUR SERIE 1-1 Fonctionnement de la platine de commande par Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI)

On se propose d'étudier la platine représentée sur la Figure 2. Cette platine MLI délivre un signal carré de rapport cyclique α variable (voir la figure 5), utilisable pour piloter les commutations d'un interrupteur de puissance.

6

Figure 4

- Faire varier le rapport cyclique et observer à l'oscilloscope la tension de sortie Vcom. - Vérifier rapidement la variation du rapport cyclique. - Relever la valeur minimale et maximale de la fréquence de découpage.

1-2 Notion de valeur moyenne

La commande par MLI fixe la durée du cycle de base, appelée période de découpage T. On définit alors pour toute variable du temps f(t) la valeur moyenne "dynamique":

∫−

=t

Tt

dfT

tf ττ )(1

)(

Propriété : si f(t) est périodique, alors f est constante. Remarque : La valeur moyenne est aussi notée parfois )t(f .

1-3 Étude du hacheur sur charge résistive Le hacheur (voir Convertisseur de tension dc/dc

Figure 5) est constitué d'un transistor MOS (représenté sur la figure par l’interrupteur K) de puissance IRF 540 et d'une diode rapide (appelée D sur la figure) de puissance "BYW 81 PI 200". Le transistor est protégé en courant au-delà de 10A. Les ordres de commutation sont envoyés à travers un optocoupleur intégré à la platine de commande MLI de manière à isoler électriquement la commande du circuit de puissance. Le signal remis en forme est amplifié avant de commander l’interrupteur.

Le transistor K travaille en commutation :

- il est passant (fermé) lorsque l'on applique une tension comprise entre 10V et 18V sur la grille par rapport à la source et se comporte alors comme une très faible résistance RDS(on)=77mΩ;

- il est bloqué (ouvert) lorsque l'on applique une tension de 0V sur la grille par rapport à la source.

– Réaliser le montage de la Convertisseur de tension

dc/dc – Figure 5, la charge étant une résistance de puissance de 10 Ω. Ajuster la source de

tension continue à 30 V. Utiliser un câble coaxial pour envoyer la commande au hacheur.

Le principe de la sonde de courant est donné dans l’annexe sur les instruments de mesure. Sa principale fonction est d'isoler électriquement la mesure du circuit de puissance.

15V

0

T

θ

t

T : période de découpage α = : rapport cyclique θ

T

Vcom

7

i s

EK

Dvs

Charge V

Oscillo voie1

Oscillo voie2masse oscillo (voie1)

RCOMMANDE

Sonde decourant masse oscillo (voie2)

M.L.I. 30V

Convertisseur de tension dc/dc

Figure 5

– Régler la fréquence de découpage à 10 kHz. – Relever la forme de la tension vs aux bornes de la charge et le courant dans celle ci. – Vérifier que l'on a sensiblement v Es = α (pour 2 à 3 valeurs de α) et expliquer cette

relation à partir de la forme de la tension vs et en vous aidant du §1-2. – Fixer la valeur de α à 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mêmes valeurs de résistances

de charges. – Conclusion par rapport au cahier des charges ?

Le convertisseur élémentaire (structure hacheur) nous permet d’obtenir une tension

périodique positive aux bornes de la charge, dont la composante continue est réglable. L’ondulation de tension étant cependant importante : nous allons étudier dans la suite les solutions pour la réduire. 2 - PRINCIPE D'UNE ALIMENTATION A DECOUPAGE CONTINU-CONTINU : CAS DE L'ABAISSEUR DE TENSION Le but de cette partie est de construire pas à pas un filtre afin d'obtenir une tension de sortie pratiquement continue et réglable aux bornes de la charge. Le réglage de cette tension s'effectue communément au moyen du rapport cyclique, à fréquence de découpage constante. 2-1 Filtrage du courant de sortie du hacheur en utilisant une self en série 2.1.a Etude de la composante continue

- Réaliser le montage de la Convertisseur abaisseur de tension dc/dc

Figure 6. Prendre L=500µH.

Rch

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L

i s

EK

D

ChargeR

vs V

Sonde decourant

vD

vL

Oscillo voie1

Oscillo voie2

masse oscillo (voie1)

masse oscillo (voie2)

30V

Convertisseur abaisseur de tension dc/dc

Figure 6 - Relever la forme du courant dans la charge et la comparer avec la forme relevée précédemment sans inductance. Relever la tension moyenne aux bornes de l’inductance. Expliquer votre mesure. Vérifier rapidement que l'on a toujours v Es = α Fixer la valeur de α à 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mêmes valeurs de résistances de charges Conclusion par rapport au cahier des charges ? Remarque : Une mesure simple du rapport cyclique peut être réalisée en déplaçant la voie 1 de l'oscilloscope juste en sortie du hacheur. Cette remarque est valable pour toute la suite du TP. 2.1.b Etude du taux d’ondulation - Pour une fréquence de découpage de 10kHz et un rapport cyclique de 0,5 observer qualitativement l'influence de la valeur de l'inductance sur la forme de la tension de sortie. Couper la commande du hacheur pour changer d’inductance afin d'éviter des surtensions. - Observer qualitativement l’influence d’une augmentation de la fréquence sur l’ondulation de courant pour une inductance fixe.

2-2 Filtrage de la tension de sortie aux bornes de la charge par un condensateur 2.2.a Etude de la composante continue - Réaliser le montage de la Figure 7 (connecter un condensateur de sortie). Utiliser une self de 1,5mH et un condensateur chimique de F220µ . Faire vérifier le montage ! Attention à la polarité des condensateurs chimiques !

Rch

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LC

i i s

sE

K

DCharge

Rvs V

Sonde decourant

Oscillo voie1

Oscillo voie2

masse oscillo (voie1)

masse oscillo (voie2)

30V

Convertisseur Abaisseur de tension

Source

Figure 7

Relever le courant moyen aux bornes du condensateur. Expliquer votre mesure. Vérifier rapidement que l'on a toujours v Es = α Fixer la valeur de α à 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mêmes valeurs de résistances de charges Conclusion par rapport au cahier des charges ? 2.2.b Etude de la composante alternative - Pour une fréquence de découpage de 10kHz et un rapport cyclique de 0,5 observer qualitativement l'influence de la valeur ( 1,4mF F,220 ,F10 µµ ) de la capacité du condensateur sur la forme de la tension de sortie, et en particulier l'ondulation résiduelle. - Conclure sur l’influence de la valeur de la capacité sur l’ondulation de tension en sortie 2-3 Étude du courant dans la self en régime de conduction continue (i ne s'annule jamais) Pour a=0.5, une charge fixe de à 10Ω, une self de 500µH et un condensateur 220µF relever les fomes des courants i(t), is(t) et ic(t).

Vérifier pour 2 à 3 valeur de α que les deux relations F LE )1(i αα−=∆ et

2inImaxIm

i+

= sont

vérifiées. 2-4 Modes de conduction continue, critique et discontinue - Toujours sur le montage de la Erreur ! Source du renvoi introuvable., régler la fréquence de découpage au voisinage de 5kHz. Faire varier le rapport cyclique et constater l'apparition du mode de conduction discontinue du hacheur (annulation du courant i pendant un certain intervalle de temps sur chaque période de découpage). Vérifier expérimentalement que, dans ce cas, la relation Evs α= n'est plus vérifiée.

Durant ce régime de conduction discontinue du hacheur, 3 phases de fonctionnement apparaissent distinctement.

- Dessiner les différents circuits électriques équivalents pour chacune de ces 3 phases. Les interrupteurs du circuit (le transistor K et la diode D) seront représentés par un fil (court-circuit) à l’état passant (fermé) et par un circuit ouvert à l’état bloqué (ouvert).

Rch

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2-5 Caractéristiques de sortie

Variation de la charge :

- Garder le montage de la Erreur ! Source du renvoi introuvable. et régler la fréquence de découpage au voisinage de 10kHz. Pour une résistance de puissance de 16,8 Ω, puis de 4 Ω vérifier expérimentalement que l’on est bien en conduction continue et que la relation

Evs α= est toujours vérifiée. Calcul du rendement:

- Calculer la puissance fournie par la source d'entrée E, pour une résistance de charge de 10 Ω et un rapport cyclique de 0,5. - Mesurer cette puissance (montage de la Erreur ! Source du renvoi introuvable.). - Mesurer la puissance fournie à la charge. - Estimer le rendement de cette structure - Déterminer les différentes causes de ces pertes. 3- CONCLUSIONS - Quels sont les solutions pour diminuer l’ondulation de courant ? - Quels sont les solutions pour diminuer l’ondulation de tension ? - Avantages et inconvénients de ces solutions. Il est en effet évident que la démarche d’un concepteur d’alimentation à découpage est l’inverse de celle adoptée dans le TP. A partir d’un cahier des charges précis (tension de sortie, ondulation de sortie acceptable, type de charge …), il devra dimensionner les divers éléments de l’alimentation : § Les semi-conducteurs en fonction des tensions à supporter à l'état bloqué, et des

courants (moyens et/ou crête) les traversant à l'état passant, ainsi que leur technologie en fonction de la fréquence de découpage choisie ;

§ Dimensionner les composants passifs et choisir leur technologie (circuit magnétique de l’inductance, type de condensateur : chimiques, polypropylène, céramique …) ;

§ Veiller à un bon assemblage de l’ensemble des composants (prise en compte des câblages, en particulier les inductances parasites associées) et à une optimisation du volume total du convertisseur pour une bonne intégration au sein du système global.

Nous avons pu observer dans le TP que l’augmentation de la fréquence de découpage

entraîne une diminution de la valeur des composants passifs (L et Cs) et par conséquence de leur volume et de leur coût (surtout vrai pour l’inductance). Il devient alors très intéressant d’augmenter les fréquences de découpage, mais ceci ne s'obtient pas sans inconvénients quand on dépasse la centaine de kilohertz (augmentation des pertes par commutation dans les interrupteurs, problèmes de Compatibilité ElectroMagnétique (CEM), apparition de phénomènes tel que l’effet de peau dans les spires des inductances, augmentation des pertes dans les circuits magnétiques ...). Tout ceci met en évidence la complexité de la conception d’une alimentation à découpage et plus généralement de systèmes électriques, qui nécessite la prise en compte des interactions entre les phénomènes électriques, magnétiques mais aussi thermiques et mécaniques.

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ANNEXES

Ø Annexe 1 – Rappels sur les inductances et les condensateurs ♦ Propriétés des bobines linéaires et d'inductance constante : • Rappel

i(t)

u(t)

Φ(t) = L i(t) (Φ Flux magnétique total embrassé par la bobine),

u(t) = dt

)t(dΦ (loi de Faraday, convention récepteur),

d’où : dt

di(t) L )t(u = .

• Propriété de la tension moyenne aux bornes de l'inductance sur une période de découpage

[ ] ( ))t(i)t(iTL

)(iTL

dddi

LT1

d)(uT1

(t)ut

Tt

tTt

t

Ttτ−−=τ=τ

τ=ττ= ∫∫ − −−

;

si i(t) est périodique )Tt(i)t(i −= d'où 0u = .

→ La valeur moyenne de la tension aux bornes d'une inductance parcourue par un courant périodique est nulle. ♦ Propriétés des condensateurs linéaires et de capacité constante :

u(t)

i(t)

q(t) = C u(t) (quantité de charges stocké par la capacité),

i(t) = dt

)t(dq (définition du courant),

d’ou i(t) = C dt

)t(du.

• Propriété du courant moyen traversant un condensateur sur une période de découpage

[ ] ( ))t(u)t(uTC

)(uTC

dddu

CT1

d)(iT1

(t)it

Tt

tTt

t

Ttτ−−=τ=τ

τ=ττ= ∫∫ − −−

;

si u(t) est périodique )Tt(u)t(u −= d'où 0i = .

→ La valeur moyenne du courant traversant un condensateur soumis à une tension périodique est nul.

Ø Annexe 2 – Expression de l’ondulation de courant dans la self en régime de conduction continue

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Considérons le montage de la Figure 8.

L

C

i i s

sE

K

DCharge

Rvs

vL

vD

Figure 8

L'alimentation, pilotée par M.L.I., est supposée travailler en régime permanent, c'est à dire périodique : La tension moyenne de sortie sv est donc constante. De plus, l'ondulation de la tension de sortie est supposée négligeable, donc ss vv ≅ . La forme d'onde du courant dans la self est alors celle représentée sur la Figure 9.

∆i

α Τ

(n-1)T

i

t nT

(1−α)Τ

iM

im

0

Figure 9

Sur une période quelconque [ ]nT , T)1n( − nous avons, sur l'intervalle où l'interrupteur est

fermé et où le courant croît TL

vEii s

mM α−

+= , d'où :

TL

vEiii s

mM α−

=−=∆ . (1)

Par ailleurs )t(v)t(v)t(v sLD += et donc )t(v)t(v)t(v sLD += . Or en régime permanent (donc périodique) 0vL = d’où )t(v)t(v sD = . De plus, en régime de conduction continue

EvD α= , ce qui donne Evs α= . En remplaçant dans (1) il vient :

ELF

)1(E

L)1(T

iα−α

=α−α

=∆ .

Remarque : On montre que l'ondulation résiduelle de tension crête à crête (dans le cas ou elle est faible) a pour expression :

FLC8E)1(

C8i

svss

⋅α⋅α−=

∆=∆ .

1.1.1.1.1.1 Pde rotation phases ATEUR TRIPHASE ATEUR TRIPHASE