Le b.a.ba du pont en H

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1 Le b.a.ba du pont en H Ph. Dondon Copyright Enseirb-Matmeca 2013 Avertissement : N étant ni spécialiste des moteurs, ni des modélisations des procédés, cette page aborde les ponts en H du point de vue électronique. Pour plus détails sur la modélisation des moteurs, des asservissements, se référer aux cours des collègues automaticiens. 1. Introduction Avant de discuter la structure et le fonctionnement d un pont en H, encore faut-il en comprendre l intérêt et la nécessité. Pour cela, prenons une analogie simple entre un moteur électrique DC et un cycliste : Soit donc un cycliste démarrant au feu (vert). Il faut une impulsion initiale longue pour lancer le vélo. Puis, une fois lancé, on peut pédaler : 1 en continu avec un appui permanent moyen sur les pédales (tension continue aux bornes du moteur). La vitesse du vélo (du moteur) sera lissée et constante si le couple résistant est constant. 2 en discontinu (découpage) : -Avec des cycles T de «pédalage (T on ) // roue libre (T off )» très longs (T=T on +T off ), la vitesse du vélo (du moteur) va onduler fortement autour d une valeur moyenne. Dans ce cas, chaque phase d appui sur les pédales est intense, presque impulsionnel : il faut appuyer très fort pour compenser la perte de vitesse pendant la phase de roue libre. Au pire, on peut voiler le cadre ou casser les pédales. (Risque de destruction du moteur si le courant est trop important). -Avec une fréquence de découpage rapide, la vitesse du cycliste sera mieux lissée. Il y a donc un rapport certain entre la constante de temps des muscles du cycliste (ou électrique = L/R du moteur), et la période de découpage T dec. On prend raisonnablement T dec < 10. pour un lissage «correct». Cependant, si l on pratique le «découpage» dès le démarrage au feu, la période T ne doit pas être trop petite (c-a-d la fréquence de découpage pas trop élevée) car le T on doit être suffisamment long pour permettre de lancer le vélo (vaincre le couple de cédage au démarrage, frottement etc.); Tout le monde sait bien qu il faut un effort initial plus important pour mettre le vélo en mouvement que pour entretenir celui-ci, une fois lancé. Il y a donc une limite basse et une limite haute pour la fréquence de découpage. Mais dans les tous cas, le rapport cyclique (temps d appui sur les pédales/temps de cycle), T on /T fixe la vitesse moyenne d avance du vélo (à couple résistant donné). Attention : En descente, le vélo entraine le cycliste : on passe en mode génératrice (avec un pignon fixe, le vélo entrainerait les jambes du cycliste). Mais dans les autres cas, on reste en régime moteur (hélas, pour les cyclistes )

2 question : Mais qu en est il du moteur? Un moteur CC alimenté sous une tension continue, consomme un courant en général important (plusieurs ampères). Il faut donc une alimentation de puissance. Pour contrôler sa vitesse, on pourrait penser à faire varier cette tension d alimentation. Malheureusement, ceci est difficile d un point de vue électronique, surtout si l on veut faire un asservissement qui doit répondre rapidement. Figure 1 : Moteur CC Il est plus facile de travailler en discontinu, ou encore «tension hâchée» : Le pilotage du rapport cyclique permet de contrôler la tension moyenne appliquée au moteur donc sa vitesse. 2. Le pont en H Le découpage le plus simple auquel on pense est celui qui comporte un interrupteur comme indiqué en figure 2 actionné par un signal PWM ( signal logique de rapport cyclique commandé) : Figure 2 : Hacheur basique Notons la présence obligatoire de la diode D dite de roue libre : en effet, le moteur étant un élément inductif par nature, le courant le traversant ne peut pas s annuler brusquement (L.di/dt ne peut pas tendre vers l infini). Par ailleurs, ce découpage simple effectué par le signal PWM permet de piloter le moteur que dans un seul sens de rotation : la tension moyenne à ses bornes est toujours positive. Pour piloter le moteur dans les deux sens, il est nécessaire de passer à la structure en H. selon la paire d interrupteur activée T1, T4 ou T3, T2 le courant passera dans un sens ou dans l autre. Figure 3: Pont en H

3 D un point de vue électronique, les interrupteurs sont réalisés par des transistors MOS discrets. Mais ils existent aussi des circuits intégrés en demi-pont ou pont-entier incluant MOS ou SENSEFET logique de commande, sécurité diverses, car certaines technologies modernes le permettent pour des tensions de pont allant jusqu à 6 et des courants de quelques dizaines d ampères. L intérêt des MOS, si bien choisis, est qu ils ont une résistance R on à l état passant, très faible, ce qui limite les pertes de conduction au minimum. Par ailleurs, ils ont une diode intrinsèque interne que l on peut utiliser en roue libre : Figure 4 : pont en H transistor MOS question : Transistors ou? Les deux transistors «du bas» sont forcément de type. Ceux du haut peut être des ou des avec chacun ses avantages et inconvénients. (Attention aux connections Source, Drain ) Pont avec Pont avec Figure 5 : pont à transistors MOS Si l on prend 4 : le montage est parfaitement symétrique, la mobilité des électrons étant la même dans chaque transistor, les temps de commutations sont identiques et quasiment pas besoin de temps mort lorsqu on manœuvre M6 et M1, ou M4 et M5. Cependant, il est nécessaire de prévoir un «bootstrap» (en général simple condensateur à rajouter sur le driver du MOS) pour le pilotage des du haut. Si l on prend 2 et 2 (en haut), la commande logique est simplifiée, (résistance de tirage entre grille et Vdd, diode zener, et capacité de liaison sur la grille du ). La mobilité des électrons étant différente dans les transistors P et N, il est nécessaire de choisir le transistor P apparié conseillé par le constructeur et de prévoir un temps mort en cas de manœuvre de M6 et M1, ou de M4 et M5.

4 question : Quelle Commandes possible du pont? Il y a plusieurs façons de faire fonctionner un pont. Raisonnons pour la marche avant. Sachant que pour la marche arrière, le raisonnement est identique. Il suffit d inverser le rôle des transistors. Figure 6 : Pour la marche avant, il faut M1 et M5 «OFF» On peut alors soit mettre : a) M6 «ON» en permanence et appliquer le signal PWM sur M4 b) M4 «ON» en permanence et appliquer le signal PWM sur M6 c) simultanément le signal PWM sur M4 et M6 Remarque: La solution a) n est pas possible lorsque les transistors du haut sont de type, en raison de la capacité bootstrap qui ne «tient pas la charge en continu». Entre les possibilités b) et c), il y a quelques différences abordées dans la suite du texte. 3. Simulation des formes d ondes avec SPICE Les simulations suivantes sont inspirées du fonctionnement de la Carte driver DRI 0008 avec 2 demi pont BTS 7960 Infineon. Remarque : En l absence de charge (moteur ou autre) c-a-d sortie du pont à vide, les niveaux de tensions en sortie ne sont pas matérialisées («tristate» avec les 4 MOS «OFF» en même temps. V1 = 10 V2 = 0 TD = 0.1m TR = 10n TF = 10n PW = 0.2m PER = 0.3m V4 V1 = 0 V2 = 10 TD = 0.1m TR = 10n TF = 10n PW = 0.2m PER = 0.3m V3 IRLIB9343 M6 R1 1 I V M1 IRLIB4343 L1 1mH V5 FCEM TD = 0.1m TF = 10n PW = 1 PER = 1 V1 = 0 TR = 100m V2 = 8V 0 V IRLIB9343 M5 M4 IRLIB4343 1dc V Figure 7

5 M4 et M6 commutent simultanément. M1, M5 bloqués=>marche avant. La Fcem augmente «artificiellement» progressivement (rampe spice sur 100ms), pour simuler le démarrage moteur. (Attention simulation électrique qui n tient pas compte du comportement mécanique réel du moteur) Au démarrage ; la Fcem est voisine de zéro. => Tension appliquée au moteur +1 =>appel de courant fort au démarrage. Rapport cyclique de 2/3 : Le courant instantané monte pendant les 2/3 du temps, et n a pas le temps de revenir à zéro pendant la phase de roue libre (diodes M1 et M5 passante) (au max 1/3 du temps). 4.0A 2.0A 0A 2-2 0s 5.0ms 10.0ms 15.0ms 20.0ms 24.3ms V(M1:D)- V(M4:D) Figure 8 : Courant (vert), tension( rouge) aux bornes du moteur En régime établi : la Fcem est arrivée à 8V. On applique +1 sur le moteur, le courant monte mais beaucoup moins qu en phase de démarrage. Puis phase de roue libre (Diode M1 et M5 passantes Vmoteur =-1 le courant diminue et s annule. Puis moteur «comme en l air», la tension à ses bornes est égale à la Fcem ici 8V. Pente=Vdd/L Pente=Vdd+ fcem /L 400mA 200mA 0A -200mA 2 Fcem ms ms ms ms ms ms ms V(M1:D)- V(M4:D) Diode Roue libre M1 et M5 Figure 9 : zoom régime établi discontinu

6 Si on multiplie la fréquence de découpage par 10, le courant est lissé. Le courant ne s annule pas et on ne voit plus la phase où la tension aux bornes du moteur est égale à la Fcem. 3.0A 2.0A 1.0A 0A 2-2 0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms 24ms V(M1:D)- V(M4:D) 50mA 0A -50mA ms 161.2ms 161.3ms 161.4ms 161.5ms 161.6ms 161.7ms 161.8ms 161.9ms 162.0ms V(M1:D)- V(M4:D) Figure 10 : Effet d une fréquence de découpage supérieure Si le rapport cyclique est <50%, on est forcément en régime discontinu : en effet, vis-à-vis du courant, au démarrage, la pente de descente est égale à celle de montée (car fcem # au début), puis après, pente descendante supérieure à celle de montée car fcem >0), avec ce montage et quel que soit le moteur. Par ailleurs, si la fréquence de découpage est trop élevée dès le démarrage, le courant n a pas le temps de monter et donc le moteur risque de ne pas démarrer. Par contre en mode continu, plus la fréquence découpage est élevée plus l ondulation de courant sera faible et donc le couple régulier. Si la fréquence de découpage est trop faible le moteur va accélerer, puis ralentir à chaque cycle. IL faut donc, pour bien démarrer, mettre un échelon au démarrage ( simulé par les switch contrôle en temps (dans le schéma ci-dessous), pour laisser le temps au courant de monter puis découper a une fréquence assez rapide pour réduire l ondulation.

7 Moteur voiture R=1ohm L=100uH piloté par pont selon fonctionnement carte driver DRI0008 simu démarrage et regime permanent Les 2 MOS M4 et M6 sont actionnés en diagonale simultanement pour marche avant par exemple.les deux autres sont bloqués. le moteurs voit donc au rythme de la PWM une tension appliquée +1 puis -1 il y a un moment ou les 4 MOS sont OFF en meme temps. ALors, le courant "remonte" par les diodes de M1 et M2 pour continuité du courant dans le moteur Pendant cette phase roue libre, et selon les valeur de L et R le courant moteur diminue et peut meme s'annuler. Le moteur est alors comme "en l'air". A ce moment, la tension aux bornes du moteur est égale a la FCEM. V1 = 0 V2 = 10 TD = 1m TR = 10n TF = 10n PW = 200m PER = 210m V7 U1 V Pour que la FCEM du moteur soit positive il faut que la tension moyenne appliquée au moteur soit aussi positive Ici la FCEM passe de 0 A 1V pour simuler le demarrage du moteur et l'augmentation de sa vitesse progressivement. V1 = 7 V2 = 0 TD = 0.1m TR = 10n TF = 10n PW = 0.04m PER = 0.1m V VC_SWITCH THRESHOLD = 5 ON_RESIST = 1 OFF_RESIST = 10Meg V HYSTERESIS = e-27V R2 100k IRLIB9343 M6 R1 1 I M e-21VIRLIB4343 L1 100uH e-21V FCEM e-21V IRLIB9343 M5 M4 IRLIB4343 V1 = 0 V2 = 7 TD = 0 TR = 10n TF = 10n PW = 200m PER = 210m V8 R4 1 V5 TD = 0.1m TF = 10n PW = 0.04m PER = 0.1m V1 = 0 TR = 10n V2 = 7 V3 U2 VC_SWITCH THRESHOLD = 5 ON_RESIST = 1 OFF_RESIST = 10Meg HYSTERESIS = 0 R3 100k e-21V IN e-21V IN2 OUT e-21V e-27V IN1 IN2 OUT IN 1 OUT *s V calcul valeur courant moyen moteur 0 E1 V Vin e-21V IN 1 OUT e-21V e-21V VCVS *s GAIN = 0.5 V Fcem du moteur=k.val Vmoy appliquée calcul valeur tension moyenne appliquée au moteur 41.72e-27V 41.72e-27V Title <Title> TD = 0.1m TF = 1m PW = 100m PER = 1 V1 = 0 TR = 100m V2 = 1V Size Document Number Rev A <Doc> <Rev Code> Date: Friday, March 21, 2014 Sheet 1 of 1 Figure 11 : Schéma de simulation amélioré Les deux figures 12 et 13 ci-après sont obtenues avec échelon initial pour «bien démarrer», puis rapport cyclique 50%, avec inductance de lissage 1mH. Courbe rouge, tension moyenne appliquée au moteur. Courbe bleue, courant moyen. 6.0A 4.0A 2.0A -0.6A V 0s 0.50ms 1.00ms 1.50ms 2.00ms 2.50ms 3.00ms V(LAPLACE1:OUT) V(LAPLACE2:OUT) V(M1:D)- V(M4:D) Figure 12 :

8 Régime permanent atteint avec grande fcem (4V) => retour en discontinu après le démarrage. 998mA 500mA 0A ms ms ms ms ms ms ms V(LAPLACE1:OUT) V(LAPLACE2:OUT) V(M1:D)- V(M4:D) Figure 13 : En régime permanent, discontinu Pour les simulations suivantes, on prend un rapport cyclique 2/3 et une Fcem finale plus faible (2V), inductance de lissage 1mH=>on reste en mode continu tout le temps cf. figures ci-après : V(M1:D)-V(M4:D) V(LAPLACE1:OUT) s 0.4ms 0.8ms 1.2ms 1.6ms 2.0ms 2.4ms 2.8ms 3.2ms 3.6ms 4.0ms V(LAPLACE2:OUT) Figure 14 : Régime continu, démarrage

9 V(M1:D)-V(M4:D) V(LAPLACE1:OUT) ms 193.2ms 193.6ms 194.0ms 194.4ms 194.8ms 195.2ms 195.6ms 196.0ms 196.4ms 196.8ms V(LAPLACE2:OUT) Figure 15 : Mode continu, régime permanent atteint 3. Relevés des formes d ondes sur moteur CC 7.2V, 5A, voiture miniature électrique avec carte driver DRI 0008 Trace verte : PWM 5V/div Trace rouge : tension aux bornes du moteur 5V/div Trace bleue : courant Courbe 1 : Fréq de découpage 500Hz, rapport cyclique 20%, moteur à vide => mode discontinu, la fcem est visible sur le plateau intermédiaire (ici env. 2V), vitesse de rotation faible

10 Courbe 2: Freq de découpage 500Hz, rapport 50% la fcem augmente (ici env 5V) (vitesse de rotation +grande) toujours à vide =>courant plus faible que sur la courbe 1. Courbe 3: Freq découpage 2 khz, Rapport cyclique 60% toujours discontinu, la Fcem augmente encore un peu (5.5V), le courant baisse encore par rapport à la courbe 2.

11 Courbe 4: Freq 10kHz : rapport cyclique 40%, mode discontinu (fcem faible) Courbe 5: Freq 10kHz, rapport 70%, mode continu (couple résistant qui ralenti les roues), on ne voit plus le plateau intermédiaire sur la courbe rouge correspondant à la fcem. Le courant ne revient plus à zéro (mode continu).

12 Courbe 6 : Zoom de la courbe 4 sur Freq 10kHz, rapport 40%, mode discontinu >fcem faible 1 5V 1 V(V3:+) A V(M1:D)- V(M4:D) 2.5A -0.1A ms ms ms ms ms ms Courbe 6bis : comparaison simulation SPICE correspondante (cf. courbe 6) Courbe 7 : Zoom de la courbe 5 Freq 10kHz, rapport 70% mode continu (couple résistant frottement sur les roues)

13 Conclusion : - Conforme aux simulations SPICE - En discontinu on voit le palier Fcem. Sur la a courbe rouge, En continu ce palier n apparait plus. - Si F augmente, l ondulation diminue, maiss difficulté de démarrer =>augmenter le rapport cyclique quand F augmente, pour pouvoir démarrer. question : Q Quelle différence entre la commande PWM sur un seul MOS ou simultanée sur les 2 MOS? Les chronogrammes sont comparés pour un même rapport cyclique dee 40%: 1 Marche avant : M1 et M2 «Off» PWM appliqué sur M6 et M4 simultanément. Phase 1 : M6 et M4 «On» Vdd Phase 2 : M6 et M4 «Off» roue libre M1 M5 Vdd M6 M5 M6 M5 M1 R L moteur Fcem M4 M1 R L moteur Fcem M4 0 V 0 V Phase 3 (éventuelle si discontinu) : M6 et M4 «Off» une fois courant annulé, moteur «en l air».la tension au bornes du moteur est égale à la fcem. Vdd M6 M5 M1 R L Fcem M4 moteur 0 V Figure 16 : 3 phases de fonctionnement Marche avant : M1 et M2 «Off» PWM appliqué sur M6 et M4 simultanément Avec PWM sur M4 et M6, le plateau fcem apparaitre. courant est discontinu, sa valeur moyenne m pluss faible et on voit le

14 1 > -1 V(M1:D)- V(M4:D) ms 43.8ms 43.9ms 44.0ms 44.1ms V(LAPLACE1:OUT) V(LAPLACE2:OUT) V(U1:VCP) 44.2ms 44.3ms 44.4ms 44.5ms 44.6ms 44.7ms Figure 17: Tension aux bornes du moteur (vert), courant c (bleu) 2 Marche avant : M1 et M2 «Off» PWM uniquement sur M4, M6 toujours passant. La phase 2 devient comme indiqué figure 18 et il n y a pas de phase 3 : Vdd M6 M5 M1 R L Fcem M4 moteur 0 V 8.. Figure 18 : phase V(M1:D)- V(M4:D) ms 43.6ms 43.7ms 43.8ms 43.9ms 44..0ms 44.1ms 44.2ms V(LAPLACE1:OUT) V(LAPLACE2:OUT) 44.3ms 44.4ms 44.5ms 44.6ms 44.7ms Figure 19 : Chronogramme tensionn (vert) et courant (bleu) Avec seulement PWM sur M4 le courant est continu et la tension appliquée aux bornes du moteur fait des carrés -Vdd à 1 vd près.

15 Conclusion: Lorsque le rapport cyclique augmente progressivement, le courant devient continu plus «rapidement» dans la configuration 2 «PWM appliqué sur M4» que dans la configuration 1 ou les 2 MOS M4 et M6, sont commutés simultanément par la PWM. Par contre, les MOS fonctionnent de façon identique dans le cas 1 et vieillissent donc de la même façon. Ca qui n est pas le cas dans l autre configuration. Cependant, je laisse aux spécialistes de la fiabilité le soin d indiquer si cela peut ou non avoir un impact sur la durée de vie des composants.