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TP6 : ALIMENTATION A DECOUPAGE : HACHEUR SERIE
ET CONVERTISSEUR STATIQUE ABAISSEUR DE TENSION
INTRODUCTION
Le rseau alternatif industriel fournit lnergie lectrique
principalement sous des tensions sinusodales de frquence et
damplitude fixes (50 Hz-220 V). Les batteries daccumulateurs ou les
photopiles solaires gnrent quant elles des tensions continues fixes
(48 V, par exemple). Or, de nombreuses applications ncessitent des
tensions et des frquences autres que celles qui sont imposes par le
rseau ou les batteries, et parfois continment variables. Cette
conversion dnergie, autrefois ralise par des convertisseurs
lectromcaniques est aujourdhui essentiellement effectue, dans un
large domaine de puissance, par des convertisseurs statiques de
faible entretien, moins volumineux et plus performants, qui se sont
dvelopps grce aux progrs constants des composants lectroniques de
puissance. Leurs applications concernent les alimentations de
secours, de scurit et de nombreux appareillages industriels et
domestiques (ordinateurs, tlviseurs, ), mais aussi llectrochimie et
llectromtallurgie, le conditionnement de llectricit et, enfin, la
variation de vitesse des machines lectriques tournantes. Cette
dernire utilisation intervient dans le domaine de la traction
lectrique, mais aussi dans toutes les techniques de fabrication, de
plus en plus complexes du fait des exigences croissantes (au niveau
des produits finis: qualit, prix, conomie dnergie...) de lindustrie
moderne (robotique, automobile, aronautique).
OBJECTIFS DE LA MANIPULATION
Le but principal de cette manipulation est l'tude du
fonctionnement d'un convertisseur abaisseur de tension ("buck
converter") command par modulation de largeur d'impulsion (M.L.I.)
(Figure 1). L'alimentation choisie entre dans la classe des
convertisseurs statiques de type alimentation dcoupage. On verra
pas pas comment, partir d'une source de tension continue, on peut
alimenter une charge lectrique sous tension pratiquement continue
et rglable.
D C
D C v e v s
i e i s
Source
Convertisseur
Charge
a (Commande)
Figure 1
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A l'issue de la manipulation, (et aprs consultation du cours et
des TD), l'tudiant doit savoir aborder ou traiter les notions
suivantes :
- Fonctionnement dun hacheur srie. - Mthode de commande par
modulation de largeur d'impulsion (principe, rapport cyclique). -
Formes dondes lors dun fonctionnement sur charge rsistive et
expression de la
tension de sortie moyenne. - Influence de linductance de
filtrage et de la frquence sur londulation du courant de
sortie du hacheur. - Influence de la capacit de sortie et de la
frquence sur londulation de tension en
sortie du convertisseur, aux bornes de la charge.
TRAVAIL PRELIMINAIRE Outre la lecture complte de la
manipulation, un exercice prliminaire (signal dans la marge par un
trait bris), permettant de mieux comprendre la dmarche et la
problmatique dune alimentation dcoupage, vous est propos.
MATERIELS MIS DISPOSITION
- une alimentation continue rglable 0-60V 20A, - une platine de
commande de hacheur (Figure 2), - un hacheur 80V/10A (Figure 3). -
2 rsistances de 6,8 W et 10 W et 2 rhostats (33 W, 6 A et 10 W), -
une bote de selfs, - une boite de condensateurs, - une sonde de
courant instantan 20A, - un oscilloscope numrique.
Figure 2
Figure 3
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PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS
Il est impratif de faire vrifier tous les montages chaque
modification. Ne pas dpasser 10A de courant moyen de charge !
Lorsqu'un nouveau montage est demand, ne pas dcbler systmatiquement
le prcdent avant d'avoir vrifi si une partie ne peut pas tre
conserve !
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MANIPULATION Comment raliser une conversion continu/continu
(dc/dc) ?
Une telle alimentation a pour fonction, partir d'une source de
tension fixe, de dlivrer des tensions continues stables et
variables. Outre le fait que la tension fournie doit tre
indpendante de la charge (du moins dans une certaine plage de
fonctionnement), le rendement de ces dispositifs est souvent un
facteur primordial, notamment lorsquils sont utiliss dans les
systmes embarqus.
Le cahier des charges est donc davoir une tension stable
(indpendante de la charge) avec un rendement le meilleur possible.
Dcrivons quelques dispositifs permettant de faire cette conversion
dc/dc et dterminons leurs avantages et inconvnients. 1. En
utilisant des ponts diviseurs de tension (voir le TD
correspondant)
- Dterminer 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 un rendement
maximum ? - Quel lment introduit des pertes dans la conversion
?
- Dterminer la tension Vs pour le dispositif ci dessous :
Figure 4
Vs =
- On suppose que Rch>>R2 : Quel consquence cette hypothse
a sur :
La stabilit de la tension Vs vis vis des variations de la charge
; Le rendement du dispositif.
- On suppose que Rch
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La stabilit de la tension Vs vis 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 davoir un rendement maximum. Dessinez le
schma lectrique du montage de la figure 4 en utilisant un rhostat
de 10 W
pour fixer les valeurs de R1 et de R2 pour avoir un rendement
maximum et en y intgrant un Wattmtre pour mesurer la puissance
dissipe dans la charge ainsi quun ampremtre et un voltmtre pour
mesurer le courant et la tension moyenne aux bornes de la charge.
La charge sera compose dune rsistance de 6,8 W pouvant tre mise en
srie ou en parallle avec une rsistance de 10 W.
Ralisez le montage et faite vrifier le schma et le montage par
un enseignant. Remplissez le tableau 1 ci-dessous en fixant E =
10V. Conclusion par rapport au cahier des charges ?
Rch (W) 4 6,8 10 16,8 Vs (V)
Pch (W) h
tableau 1 2. En utilisant une alimentation dcoupage
Pour augmenter le rendement des convertisseurs continu/continu,
le principe dvelopp dans les alimentations dcoupage est de dcouper
la tension (cellule hacheur) puis de la filtrer. Ce type
d'alimentation a des rendements de lordre de 65 90% par rapport aux
alimentations rgulation linaire dont leur rendement de 35 55%
(principalement d la puissance dissipe dans le transistor ou la
diode ballast).
La puissance volumique des alimentations dcoupage est ainsi bien
meilleure. Leurs principaux avantages et inconvnients sont dvelopps
au cours de ce TP. 1 - ETUDE DE LA STRUCTURE HACHEUR SERIE 1-1
Fonctionnement de la platine de commande par Modulation de Largeur
dImpulsion (MLI)
On se propose d'tudier la platine reprsente sur la Figure 2.
Cette platine MLI dlivre un signal carr de rapport cyclique a
variable (voir la figure 5), utilisable pour piloter les
commutations d'un interrupteur de puissance.
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6
Figure 4
- Faire varier le rapport cyclique et observer l'oscilloscope la
tension de sortie Vcom. - Vrifier rapidement la variation du
rapport cyclique. - Relever la valeur minimale et maximale de la
frquence de dcoupage.
1-2 Notion de valeur moyenne
La commande par MLI fixe la dure du cycle de base, appele priode
de dcoupage T. On dfinit alors pour toute variable du temps f(t) la
valeur moyenne "dynamique":
-
=t
Tt
dfT
tf tt )(1
)(
Proprit : si f(t) est priodique, alors f est constante. Remarque
: La valeur moyenne est aussi note parfois )t(f .
1-3 tude du hacheur sur charge rsistive Le hacheur (voir
Convertisseur de tension dc/dc
Figure 5) est constitu d'un transistor MOS (reprsent sur la
figure par linterrupteur K) de puissance IRF 540 et d'une diode
rapide (appele D sur la figure) de puissance "BYW 81 PI 200". Le
transistor est protg en courant au-del de 10A. Les ordres de
commutation sont envoys travers un optocoupleur intgr la platine de
commande MLI de manire isoler lectriquement la commande du circuit
de puissance. Le signal remis en forme est amplifi avant de
commander linterrupteur.
Le transistor K travaille en commutation :
- il est passant (ferm) lorsque l'on applique une tension
comprise entre 10V et 18V sur la grille par rapport la source et se
comporte alors comme une trs faible rsistance RDS(on)=77mW;
- il est bloqu (ouvert) lorsque l'on applique une tension de 0V
sur la grille par rapport la source.
Raliser le montage de la Convertisseur de tension
dc/dc Figure 5, la charge tant une rsistance de puissance de 10
W. Ajuster la source de
tension continue 30 V. Utiliser un cble coaxial pour envoyer la
commande au hacheur.
Le principe de la sonde de courant est donn dans lannexe sur les
instruments de mesure. Sa principale fonction est d'isoler
lectriquement la mesure du circuit de puissance.
15V
0
T
q
t
T : priode de dcoupage a = : rapport cyclique q
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
Rgler la frquence de dcoupage 10 kHz. Relever la forme de la
tension vs aux bornes de la charge et le courant dans celle ci.
Vrifier que l'on a sensiblement v Es = a (pour 2 3 valeurs de a) et
expliquer cette
relation partir de la forme de la tension vs et en vous aidant
du 1-2. Fixer la valeur de a 0,5 et remplissez le tableau 1 pour
les mmes valeurs de rsistances
de charges. Conclusion par rapport au cahier des charges ?
Le convertisseur lmentaire (structure hacheur) nous permet
dobtenir une tension
priodique positive aux bornes de la charge, dont la composante
continue est rglable. Londulation de tension tant cependant
importante : nous allons tudier dans la suite les solutions pour la
rduire. 2 - PRINCIPE D'UNE ALIMENTATION A DECOUPAGE CONTINU-CONTINU
: CAS DE L'ABAISSEUR DE TENSION Le but de cette partie est de
construire pas pas un filtre afin d'obtenir une tension de sortie
pratiquement continue et rglable aux bornes de la charge. Le rglage
de cette tension s'effectue communment au moyen du rapport
cyclique, frquence de dcoupage constante. 2-1 Filtrage du courant
de sortie du hacheur en utilisant une self en srie 2.1.a Etude de
la composante continue
- Raliser le montage de la Convertisseur abaisseur de tension
dc/dc
Figure 6. Prendre L=500mH.
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 releve prcdemment sans inductance. Relever
la tension moyenne aux bornes de linductance. Expliquer votre
mesure. Vrifier rapidement que l'on a toujours v Es = a Fixer la
valeur de a 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mmes valeurs de
rsistances de charges Conclusion par rapport au cahier des charges
? Remarque : Une mesure simple du rapport cyclique peut tre ralise
en dplaant 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 dondulation - Pour une frquence de dcoupage 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 dinductance afin d'viter des
surtensions. - Observer qualitativement linfluence dune
augmentation de la frquence sur londulation 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 - Raliser le
montage de la Figure 7 (connecter un condensateur de sortie).
Utiliser une self de 1,5mH et un condensateur chimique de F220m .
Faire vrifier le montage ! Attention la polarit des condensateurs
chimiques !
Rch
-
9
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. Vrifier rapidement que l'on a toujours v Es = a Fixer
la valeur de a 0,5 et remplissez le tableau 1 pour les mmes valeurs
de rsistances de charges Conclusion par rapport au cahier des
charges ? 2.2.b Etude de la composante alternative - Pour une
frquence de dcoupage de 10kHz et un rapport cyclique de 0,5
observer qualitativement l'influence de la valeur ( 1,4mF F,220
,F10 mm ) de la capacit du condensateur sur la forme de la tension
de sortie, et en particulier l'ondulation rsiduelle. - Conclure sur
linfluence de la valeur de la capacit sur londulation de tension en
sortie 2-3 tude du courant dans la self en rgime de conduction
continue (i ne s'annule jamais) Pour a=0.5, une charge fixe de 10W,
une self de 500mH et un condensateur 220mF relever les fomes des
courants i(t), is(t) et ic(t).
Vrifier pour 2 3 valeur de a que les deux relations F LE )1(i
aa-=D et
2inImaxIm
i+
= sont
vrifies. 2-4 Modes de conduction continue, critique et
discontinue - Toujours sur le montage de la Erreur ! Source du
renvoi introuvable., rgler la frquence de dcoupage 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 priode de
dcoupage). Vrifier exprimentalement que, dans ce cas, la relation
Evs a= n'est plus vrifie.
Durant ce rgime de conduction discontinue du hacheur, 3 phases
de fonctionnement apparaissent distinctement.
- Dessiner les diffrents circuits lectriques quivalents pour
chacune de ces 3 phases. Les interrupteurs du circuit (le
transistor K et la diode D) seront reprsents par un fil
(court-circuit) ltat passant (ferm) et par un circuit ouvert ltat
bloqu (ouvert).
Rch
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10
2-5 Caractristiques de sortie
Variation de la charge :
- Garder le montage de la Erreur ! Source du renvoi introuvable.
et rgler la frquence de dcoupage au voisinage de 10kHz. Pour une
rsistance de puissance de 16,8 W, puis de 4 W vrifier
exprimentalement que lon est bien en conduction continue et que la
relation
Evs a= est toujours vrifie. Calcul du rendement:
- Calculer la puissance fournie par la source d'entre E, pour
une rsistance de charge de 10 W et un rapport cyclique de 0,5. -
Mesurer cette puissance (montage de la Erreur ! Source du renvoi
introuvable.). - Mesurer la puissance fournie la charge. - Estimer
le rendement de cette structure - Dterminer les diffrentes causes
de ces pertes. 3- CONCLUSIONS - Quels sont les solutions pour
diminuer londulation de courant ? - Quels sont les solutions pour
diminuer londulation de tension ? - Avantages et inconvnients de
ces solutions. Il est en effet vident que la dmarche dun concepteur
dalimentation dcoupage est linverse de celle adopte dans le TP. A
partir dun cahier des charges prcis (tension de sortie, ondulation
de sortie acceptable, type de charge ), il devra dimensionner les
divers lments de lalimentation : Les semi-conducteurs en fonction
des tensions supporter l'tat bloqu, et des
courants (moyens et/ou crte) les traversant l'tat passant, ainsi
que leur technologie en fonction de la frquence de dcoupage choisie
;
Dimensionner les composants passifs et choisir leur technologie
(circuit magntique de linductance, type de condensateur :
chimiques, polypropylne, cramique ) ;
Veiller un bon assemblage de lensemble des composants (prise en
compte des cblages, en particulier les inductances parasites
associes) et une optimisation du volume total du convertisseur pour
une bonne intgration au sein du systme global.
Nous avons pu observer dans le TP que laugmentation de la
frquence de dcoupage
entrane une diminution de la valeur des composants passifs (L et
Cs) et par consquence de leur volume et de leur cot (surtout vrai
pour linductance). Il devient alors trs intressant daugmenter les
frquences de dcoupage, mais ceci ne s'obtient pas sans inconvnients
quand on dpasse la centaine de kilohertz (augmentation des pertes
par commutation dans les interrupteurs, problmes de Compatibilit
ElectroMagntique (CEM), apparition de phnomnes tel que leffet de
peau dans les spires des inductances, augmentation des pertes dans
les circuits magntiques ...). Tout ceci met en vidence la complexit
de la conception dune alimentation dcoupage et plus gnralement de
systmes lectriques, qui ncessite la prise en compte des
interactions entre les phnomnes lectriques, magntiques mais aussi
thermiques et mcaniques.
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ANNEXES
Annexe 1 Rappels sur les inductances et les condensateurs
Proprits des bobines linaires et d'inductance constante :
Rappel
i(t)
u(t)
F(t) = L i(t) (F Flux magntique total embrass par la
bobine),
u(t) = dt
)t(dF (loi de Faraday, convention rcepteur),
do : dt
di(t) L )t(u = .
Proprit de la tension moyenne aux bornes de l'inductance sur une
priode de dcoupage
[ ] ( ))t(i)t(iTL
)(iTL
dddi
LT1
d)(uT1
(t)ut
Tt
tTt
t
Ttt--=t=t
t=tt= - -- ;
si i(t) est priodique )Tt(i)t(i -= d'o 0u = .
La valeur moyenne de la tension aux bornes d'une inductance
parcourue par un courant priodique est nulle. Proprits des
condensateurs linaires et de capacit constante :
u(t)
i(t)
q(t) = C u(t) (quantit de charges stock par la capacit),
i(t) = dt
)t(dq (dfinition du courant),
dou i(t) = C dt
)t(du.
Proprit du courant moyen traversant un condensateur sur une
priode de dcoupage
[ ] ( ))t(u)t(uTC
)(uTC
dddu
CT1
d)(iT1
(t)it
Tt
tTt
t
Ttt--=t=t
t=tt= - -- ;
si u(t) est priodique )Tt(u)t(u -= d'o 0i = .
La valeur moyenne du courant traversant un condensateur soumis
une tension priodique est nul.
Annexe 2 Expression de londulation de courant dans la self en
rgime de conduction continue
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Considrons le montage de la Figure 8.
L
C
i i s
sE
K
DCharge
Rvs
vL
vD
Figure 8
L'alimentation, pilote par M.L.I., est suppose travailler en
rgime permanent, c'est dire priodique : La tension moyenne de
sortie sv est donc constante. De plus, l'ondulation de la tension
de sortie est suppose ngligeable, donc ss vv @ . La forme d'onde du
courant dans la self est alors celle reprsente sur la Figure 9.
Di
a T
(n-1)T
i
t nT
(1-a)T
iM
im
0
Figure 9
Sur une priode quelconque [ ]nT , T)1n( - nous avons, sur
l'intervalle o l'interrupteur est ferm et o le courant crot T
LvE
ii smM a-
+= , d'o :
TL
vEiii smM a
-=-=D . (1)
Par ailleurs )t(v)t(v)t(v sLD += et donc )t(v)t(v)t(v sLD += .
Or en rgime permanent (donc priodique) 0vL = do )t(v)t(v sD = . De
plus, en rgime de conduction continue
EvD a= , ce qui donne Evs a= . En remplaant dans (1) il vient
:
ELF
)1(E
L)1(T
ia-a
=a-a
=D .
Remarque : On montre que l'ondulation rsiduelle de tension crte
crte (dans le cas ou elle est faible) a pour expression :
FLC8E)1(
C8i
svss
aa-=
D=D .
1.1.1.1.1.1 Pde rotation phases ATEUR TRIPHASE ATEUR
TRIPHASE