EXERCICES ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE GEL-17968

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1 XRCICS ÉLCTRONIQU PUISSANC 'HX[LqPH3UWLH On considère le schéma suivant qui se compose d une bobine L, d un transistor Mosfet T, d une capacité C, d une diode, d une résistance R ch, d une alimentation de tension continue et d un interrupteur K. V L T C Rch K 5HILUH XQ VFKpP VXU YRWUH IHXLOOH PRQWUQW O FRQYHQWLRQ TXH YRXV FKRLVLVVH] SRXU FKTXH popphqw GX PRQWJHVHQVGXFRXUQWHWGHOWHQVLRQ À t=0, on ferme l interrupteur de mise sous tension K. La tension Vc est nulle et le transistor T maintenu bloqué. émontrer l existence de la séquence initiale (interrupteur amorcé ou bloqué). Faire un schéma montrant la (les) maille(s) parcourue(s) par un courant. 'QVOVXLWHGXSUROqPHRQFRQVLGqUHTXHOFSFLWpHVWVXIILVPPHQWJUQGHSRXUQpJOLJHUO RQGXOWLRQ GHWHQVLRQjVHVRUQHV 2) Séquence 1 : à t=t 1, on amorce le transistor. Faire un schéma montrant la (les) maille(s) parcourue(s) par un courant. Indiquer la tension et l expression du courant dans chaque composant. 3) à t=t 2, on bloque le transistor. émontrer précisément le passage à la séquence suivante 4) Séquence 2 : Faire un schéma montrant la (les) maille(s) parcourue(s) par un courant. Indiquer la tension et l expression du courant dans chaque composant. 5) à t=t 1 +T (T = période de fonctionnement), on amorce le transistor. émontrer précisément le passage à la séquence suivante (séquence 1). 6) essiner l allure des tensions V Transistor, V diode, V inductance et des courants I transistor, I diode, I inductance sur deux périodes de fonctionnement en régime permanent. 7) émontrer la relation entre la tension Vc et la tension continue. e quel type d alimentation s agit-il? 8) imensionner le calibre de la diode et du transistor (tension maximale, courant moyen, courant efficace). 9) st-il nécessaire de protéger le transistor avec un réseau RC? pourquoi? 10) Peut-on faire une version isolée de ce montage? Montrer éventuellement le schéma du montage proposé.

2 On veut construire une alimentation continu-continu variable du type de la figure 2 à partir du cahier des charges suivant : Tension d entrée : = 48V Fréquence de fonctionnement : f = 20kHz Tension de sortie nominale moyenne : Vs = 0 à 48V Courant de sortie nominal moyen (dans la charge) : Is = 10A it vt i T il + - L v - vl Vs + C Is Rch Pour simplifier l étude, on suppose que l ondulation de tension dans la capacité de sortie est négligeable. On néglige les chutes de tensions des interrupteurs en conduction et les résistances du bobinage. 1) Représenter l allure de i T (t), i (t), v L (t), v T (t) et v (t) pour un rapport cyclique R=.5 (en supposant que le courant ne s annule pas dans l inductance). 2) Établir les expressions de Vs en fonction de et de R dans le cas où le courant ne s annule pas dans l inductance. 3) n déduire les expressions du courant moyen et du courant efficace dans les interrupteurs en fonction du rapport cyclique R, et du courant de VRUWLH Is. On suppose que l inductance est suffisamment élevée pour que l ondulation de courant dans l inductance soit considérée comme nulle en première approximation. 4) Établir l expression des tensions de blocage des interrupteurs en fonction de et de R. 5) éterminer le rapport cyclique maximum Rmax suffisant pour remplir le cahier des charges. n déduire les caractéristiques des interrupteurs en faisant l application numérique dans le cas du cahier des charges. 6) n fonction de votre expérience, quel critère supplémentaire ajouteriez-vous pour choisir la valeur de l inductance L. Établir alors une expression littérale de L en fonction du cahier des charges. Calculer la valeur de L. On veut étudier le fonctionnement en régime permanent et en conduction continue de l alimentation à découpage de la figure 3 (à titre d exemple de valeurs pour un prototype : C 1 =4000 µf, C 2 =2000 µf, L 1 =11mH, L 2 =21µH, f=100 khz, Pn=100 W). L interrupteur T est amorcé à fréquence constante f = 1/T avec un rapport cyclique R=ton/T.

3 i T v T T L1 V C1 C1 + v L1 i L1 v - i i L2 v L2 Is + L2 - + V C2 Rch Vs C2 - - Les hypothèses simplificatrices adoptées pour cette étude sont les suivantes : H1 Les capacités C 1 et C 2 sont suffisamment grandes pour qu on puisse négliger les ondulations de tension V C1 et V C2 à leurs bornes ; les tensions V C1 et V C2 sont donc considérées comme constantes au cours du fonctionnement. La tension V C2 constante est la tension Vs de sortie de l alimentation. (V C2 =Vs). H2 Le convertisseur fonctionne en régime permanent et en conduction continue; sur une période de fonctionnement, le courant i L1 dans l inductance L1 varie entre une valeur minimale i m1 et une valeur maximale i M1. Il en est de même pour le courant i L2 qui varie entre i m2 et I M2. 1) éduire des hypothèses H1 et H2, la valeur moyenne des tensions V L1 et V L2 aux bornes de L 1 et L 2, et l expression de V C1 en fonction de Vs et. 2) Étude du fonctionnement : 6pTXHQFH On débute l étude pour les conditions suivantes : t = 0, T conduit, i L1 (0)=i m1, i L2 (0)=i m2 Montrer que est bloquée, tracer le circuit actif au cours de cette séquence (mailles parcourues par des courants seulement). Établir l expression de i L1, i L2, v L1, v L2 en fonction de L 1, L 2, i M1, i M2,, Vs et t. n déduire les tensions v T, v et les courants i T et i dans les interrupteurs. 3VVJHGHOVpTXHQFHjOVpTXHQFH A t=ton, on ouvre T. éterminer la prochaine séquence de fonctionnement et démontrer précisément son existence par la méthode habituelle. 6pTXHQFH Tracer le circuit actif au cours de la deuxième séquence (mailles parcourues par des courants seulement). Établir l expression de i L1, i L2, v L1, v L2 en fonction de L 1, L 2, i M1, i M2,, Vs et t. n déduire les tensions v T, v et les courants i T et i dans les interrupteurs. 3VVJHGHOVpTXHQFHjOVpTXHQFH A t=t on réamorce T. émontrer que l on revient à la séquence 1. 3) Tracer XSURSUH les formes d ondes sur deux périodes de fonctionnement pour les variables suivantes : i L1, i L2, v L1, v L2, i T, v T, i, v. Établir les calibres tension et courant des deux interrupteurs en fonction de, R, Is (courant de sortie) soient : VCeo(T), VRRM(), ITav, ITrms, IFav, IFrms (pour ce calcul, on néglige l ondulation de courant dans les inductances, suivant la méthode habituelle). 4) Établir la caractéristique Vs=f(,R) de cette alimentation. Tracer cette caractéristique. Cette alimentation est-elle de type survolteur? évolteur? 5) Montrer que l on peut réaliser facilement une version isolée de cette alimentation. Tracer le schéma de cette version isolée (en repérant la polarité des enroulements). Comparer ce schéma à celui d une alimentation forward. iscuter.

4 On veut étudier le fonctionnement en régime permanent et en conduction continue de l alimentation à découpage de la figure 2 (le cahier des charges est : f=20khz, tension d entrée =170V, tension de sortie nominale Vs=48V, puissance nominale à la sortie Pn=500W). Les signaux de commande des interrupteurs T1 et T2 sont synchronisés, ils sont amorcés et bloqués en même temps à une fréquence constante f=1/t avec un rapport cyclique R=ton/T. T1 i1 v1 2 1 T2 v2 i2 3 C L i L Vs Is Le convertisseur fonctionne en régime permanent et en conduction continue; sur une période de fonctionnement, le courant i L dans l inductance L varie entre une valeur minimale i m et une valeur maximale i M pour un rapport cyclique donné. Le flux Φ dans le noyau du transformateur ne peut pas dépasser à aucun moment une valeur maximale Φ M qui correspond à la limite de la saturation. 1) Adopter comme séquence de départ la séquence 1 telle que : T1 et T2 viennent d être amorcés et ils conduisent. i L (0)=i m et le flux initial dans le noyau est nul. Tracer le circuit actif au cours de cette séquence (mailles parcourues par des courants seulement). Remplir un tableau des tensions et des courants pour tous les interrupteurs en les exprimant en fonction de Vs,, i L, et le courant à vide du transformateur noté i 10 (soit L 1m l inductance magnétisante du transformateur). n déduire l état des interrupteurs et le prochain événement. A la fin de cette séquence, le courant i L vaut i M. 2) émontrer précisément le passage à la séquence suivante en raisonnant suivant la méthode habituelle.

5 3) Étudier la deuxième séquence suivant la méthode de la question 1. Montrer qu il existe un rapport cyclique maximal dans ce montage. écrire brièvement la troisième séquence qui peut apparaître si le rapport cyclique est inférieur à cette valeur. 4) Pour une valeur du rapport cyclique égale à sa valeur maximale, démontrer précisément le passage de la deuxième séquence à la séquence initiale en raisonnant suivant la méthode habituelle. 5) ans le cas du rapport cyclique maximal, tracer X SURSUH les formes d ondes sur deux périodes de fonctionnement pour les variables suivantes : i L, i 10, i 1, Φ, v 1, v 2, i 2, i T1, v T1, i 1, v 1, i 3, i, v. (pour la simplicité de la figure, on adoptera un rapport de transformation a = 1). éterminer le rapport de transformation réel a en fonction du cahier des charges en négligeant les chutes de tension dans les interrupteurs et les résistances. Établir les calibres tension et courant des interrupteurs en fonction de, R, Is (courant de sortie) soient : VCeo(T), VRRM(d), ITav, ITrms, IFav, IFrms. (pour ce calcul, on néglige l ondulation de courant dans les inductances, ainsi que le courant vide du transformateur suivant la méthode habituelle.) Faire l application numérique à partir du cahier des charges fourni. 6) Quel est l intérêt de ce montage vis à vis du montage «forward» avec un transformateur à 3 enroulements? On veut construire une alimentation de type «fly-back» à partir du cahier des charges suivants : Tension d entrée : = 48V Tension de sortie nominale moyenne : Vs=5V Courant de VRUWLH nominal moyen (GQVOFKUJH) : Is=5A Fréquence de fonctionnement : f=50khz Soit n 1 le nombre de spires au primaire de l inductance, n 2 le nombre de spires au secondaire. Pour simplifier l étude, on suppose que l ondulation de tension dans la capacité de sortie est négligeable. On néglige les chutes de tension des interrupteurs en conduction et les résistances des bobinages. i i1 Is v1 n1 n2 v2 C R Vs T1 1) Représenter l allure de i T (t), i (t), v 1 (t), v 2 (t), v T (t) et v (t) pour un rapport cyclique R =.5 (en supposant que le flux ne s annule pas dans le circuit magnétique) et en prenant pour la simplicité du tracé du dessin seulement n 1 = n 2. (en réalité n 1 n est pas égal à n 2 ). 2) Établir les expressions de Vs en fonction de, n 1, n 2 et R dans le cas où le flux ne s annule pas dans le circuit magnétique.

6 3) n déduire les expressions du courant moyen et du courant efficace dans les interrupteurs en fonction du rapport cyclique R, de n 2 et n 1 et du courant de VRUWLH Is. (On suppose que l inductance est suffisamment élevée pour que les courants soient assimilés à des créneaux (hypothèses déjà utilisée en cours)) 4) Établir l expression des tensions de blocage des interrupteurs en fonction de, n 1, n 2 et R. 5) n déduire les caractéristiques des interrupteurs en faisant l application numérique dans le cas du cahier des charges si on décide de limiter le rapport cyclique maximum à R =.5. 6) n fonction de votre expérience, quel critère supplémentaire ajouteriez-vous pour choisir la valeur de l inductance L 1 vue de l entrée. Établir alors une expression littérale de L 1 en fonction du cahier des charges. Calculer la valeur de L 1. Le plan fourni (Figure 6) est celui d une source continue à tension variable pour l alimentation d un moteur à courant continu à excitation indépendante de 2kW, dont l induit est branché entre les bornes de sortie A et B. 'RQQpHV L étage d entrée, alimenté par le réseau CA 220V 50Hz est constitué d un pont de diodes R1. Un bloc d alimentation auxiliaire permet de fournir deux alimentations continues +6V/0/-6V et une alimentation continue +8V dont la masse n est pas reliée directement au 0V des deux alimentations précédentes (cfs plan). L1 et L1 sont deux enroulements montés sur le même noyau avec les polarités indiquées. Mis à part ces deux éléments, le circuit peut être décomposé, comme tout dispositif de ce type en trois blocs : - XQORFGHSXLVVQFH%, comprenant les interrupteurs de puissance qui constituent la structure du convertisseur statique, les éléments de filtrage et les circuits CALC des interrupteurs commandés - XQpWJH GULYHUª%, permettant de commander le ou les interrupteurs de puissance. - XQORFGHFRPPQGH% permettant d ajuster la tension de sortie suivant une méthode de réglage appropriée. - XQORFGHVXUYHLOOQFHHWGHSURWHFWLRQ% de la source en cas de surcharges. 4XHVWLRQV 1) Quelle est la structure de ce convertisseur statique? 2) essiner clairement l étage d entrée et le bloc B1. a. Identifier les interrupteurs principaux et leurs rôles (2 lignes maximum par composant) b. Identifier les éléments de filtrage et leur rôle (2 lignes maximum par composant) c. Identifier les composants du CALC. d. Faire un schéma simple du CALC (10, 12 et R22 ne sont pas considérées dans un premier temps). e. xpliquer clairement le fonctionnement du CALC au blocage et à l amorçage. Comment est dissipée l énergie de commutation? 3) essiner le bloc B2 avec l interrupteur de puissance. a. Identifier les composants du «driver» et leur rôle (3 lignes maximum par composant). b. xpliquer le mécanisme d amorçage en explicitant l état et le rôle de chaque composant. c. Même question pour le blocage. 5(0$548(OVRUWLHGXORF%HVWHQ$TXLFRQVWLWXHO HQWUpHGXORF%

7 4)

8 4) essiner le bloc B4 et en déduire par élimination le bloc B3. a. Identifier les composants de l étage de protection contre les surcharges et leur rôle dans le mécanisme de protection que l on décrira succinctement 5) Le bloc B3 est constitué d un générateur de «dents de scie» à 25kHz (U1, R2,R3,R4,C2) et d un comparateur U2. L entrée inverseuse est la patte 3 de U2 et l entrée non inverseuse est la patte 2 (dent de scie issue de U1). Quel est le type de réglage de la tension de sortie du convertisseur? Quel est l élément qui permet d ajuster celle-ci. 6) Préciser le rôle des composants suivants : a. 4,3 avec T1. b. 5, 6 avec T2. émontrer succinctement le principe. 7) imensionnement en tension des composants : a. Quelle est la valeur maximale de la tension aux bornes de C1? b. Quel est alors le VRM de : 11, 8, 7, 9. c. Quel est le VC0 de T1, T2, T3, T4, T5. 8) Quel est le rôle de C6, 12, R22, C5, Z1 et 2 à l amorçage? Z1 est une zéner de 16V. Pourquoi? 9) Calculer de manière simplifiée la surintensité à l amorçage dans la base de T5. 10) Quel est le rôle de C4? On considère l alimentation dont le plan est donné à la figure 7. 1 L 220V n n S Vout n P 2 1KΩ Q1 Q2 +12V PWM IC Control )URP JOYQLF LQVXOWLRQ 10Ω 1Ω BYT BYW100 SGSP201 BUF410A BYT Ω 680 pf To Control IC 330Ω -5V 43±&KQQHO9±RKPV 43±&KQQHO9±RKPV

9 1) e quel type d alimentation s agit-il? Justifier votre réponse. 2) Quelle est la tension Vceo minimum qu il faut choisir pour le transistor BUF410A si n =n p et qu on néglige l effet des inductances de fuites du transformateur? 3) Quelles sont les tensions VRRM minimales à choisir pour les diodes BYT , pour la diode BYW100 si on néglige l effet des inductances de fuites du transformateur? xpliquer en deux lignes par diode le rôle de chacune de celles-ci. 4) A quoi servent la capacité de 680pF et la résistance de 560Ω? oit-on en déduire qu il faut surdimensionner en tension les interrupteurs précédents par rapport aux valeurs minimales trouvées à la question 2? Pourquoi? 5) Lorsque le transistor de sortie du PWM IC Control est amorcé, décrire le fonctionnement du circuit d attaque du BUF410A, en démontrant l état que prennent les 3 transistors MOSFTS. (Remarque : Q1 et Q2 sont de type canal P, le SGPSP201 est de type canal N). Ceci correspond-il à la conduction ou au blocage de l interrupteur principal? 6) Mêmes questions que 5 lorsque le transistor de sortie du PWM IC Control est bloqué. On considère l alimentation dont le plan est donné à la figure 8. 1) À quel type de structure peut-on la rattacher? Pourquoi? 2) xpliquer le rôle de R1 C2 3 3) Quels sont les rôles respectifs de Z3, de T3 R4, de Z4 et Z2 4) Montrer brièvement que le circuit R1 C2 3 permet d assurer un fonctionnement correct du transformateur même si la tension CA varie entre 85V et 265 V T1 1 L 85V à 265V R1 C2 2 Vout C1 3 to R4 T3 Z1 Z2 Z3 CONTROL IC R4 From T3