FONCTIONNEMENT ET PRINCIPES DES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE HAUTE FREQUENCE

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1 FONCTIONNEMENT ET PRINCIPES DES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE HAUTE FREQUENCE Société Destinataire Société Prestataire ACORE INDUSTRIE Rédacteur ACORE INDUSTRIE M.Fuzier / M.Germain Nature du document Descriptif technique Version du document V1.0 Date 01 février 005 Siège et Usine: Z.I. de Tharabie - 60, rue du Ruisseau 3895 SAINT QUENTIN FALLAVIER - FRANCE contact@acore-industrie.com S.A. au capital de SIRET n Code APE 311 A - TVA n FR

2 Révision Liste des évolutions Date Nom Diffusion V1.0 Document Initial 01 février 005 M Fuzier M Germain ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page /7

3 Préambule Ce document a pour but de vulgariser le fonctionnement des alimentations à découpage et de donner les points de contrôles de bases pour une aide au diagnostique de dépannage. ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 3/7

4 Sommaire 1. Descriptif du système Electronique de puissance Fonctionnement du Push-Pull Modulation de Largeur d Impulsions (MLI) Chaîne de conversion d énergie Définitions Pont en H Pont en ½ H Ondulation de tension en sortie Fréquence de fonctionnement de l onduleur Electronique de commande et de régulation Consigne et régulation Pilotage des éléments de puissance Traitement des défauts Synoptique global électronique de commande Cartes électronique Carte de régulation EL Carte Alimentation EL Carte Interface Isolée EL60 0. Contraintes environnementales 1.1. Ambiante 1.. Perturbations électromagnétiques 1 3. Schéma type d un redreseur Auxiliaire et électronique Puissance 1 4. Composants Contrôle Remplacement Montage IGBT Montage pont de diodes Montage des diodes 4 5. Aide au diagnostique pannes éventuelles 5 ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 4/7

5 1. Descriptif du système Afin de mieux comprendre, nous allons décrire chaque ensemble constituant une alimentation Electronique de puissance Compte tenude la puisance à délivrer, la structure retenue pour l alimentation à découpage est cele du montage en pont symétrique communément appelé Push-Pul. C est le schéma qui exploite au mieux le transformateur hf Fonctionnement du Push-Pull Le fonctionnement du Push-Pull est le suivant : 1 3 ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF Ce qui se traduit par une forme d onde au primaire: Tension primaire transfo ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 5/7

6 1.1.. Modulation de Largeur d Impulsions (MLI) Cete structure impose une rigueur absolue dans la symétrie de la tension fournie par l onduleur. A savoir que l onduleur nedoit comporter aucune composante continue. La moindre composante continue engendre un courant magnétisant qui tend très rapidement vers le court-circuit. Cete contrainte a nécesité le choix d un composant qui délivre une onde particulièrement symétriqueau niveau de la MLI de commande des IGBT Chaîne de conversion d énergie Dans l alimentation à découpage, la conversion d énergie du réseau triphasé vers la sortie continue se fait en quatre étapes : Conversion alternatif-continu : Redresseur à diodes qui transforme le réseau triphasé ou monophasé en une tension continue (on parlera de redressement primaire et de tension intermédiaire) ; Conversion continu-alternatif : Onduleur haute fréquence qui fournit des créneaux rectangulaires alternatifs symétriques. Celui-ci peut être constitué d un pont complet en H, ou d un pont ½ H asocié à un diviseur capacitif. Le choix entre les deux dispositifs est lié à la puissance à fournir ; Conversion alternatif-alternatif : Transformateur haute fréquence qui transforme les créneaux au primaire en des créneaux au secondaire d amplitude compatible avec la tension continue à fournir. Il isole également galvaniquement le réseau de l application; Conversion alternatif-continu : Redresseur final à diodes qui délivre la tension continue d utilisation. Ce redresement est sauf très rares exceptions du type va et vient. Le transformateur est conçu en conséquence. Accessoirement des filtres LC bloquent la haute fréquence aux endroits où elle est indésirable. En particulier entrele redresement ligne et l onduleur, et entre le redresement de sortie et l utilisation. ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 6/7

7 Définitions P u U d I d U p I p Puissance utile Tension continue de sortie Courant continu de sortie Tension continue intermédiaire Courant continu intermédiaire U I Rendement d d P a puissance active ligne Pa P a Facteur de puissance fp S puissance apparente ligne = 3 S I eff ligne U eff ligne U d eff Taux d ondulation - U d Ud d ondulation. Cette valeur est importante, car certains traitements nécessitent de faibles taux Pour mesurer cette valeur, suivant les instruments dont nous disposons, nous appliquons deux méthodes : Mesure de la valeur efficace valeur continue U d eff - U d avec un voltmètre efficace vraie et U d avec un multimètre Méthode du premier harmonique: supposons que nous limitions l onde de sortie à son premier U1 harmonique : ud U d U 1sin( 1 t 1) alors Ud eff U d 1 U (Ud ) - Ud U1 U 1cc Ud Ud Ud Ainsi à l aide d un osciloscope, on relève la tension crête à crête de sortie, on relève la valeur moyenne de sortie et on applique la formule qui nous donne un résultat certes approché mais pessimiste par rapport à la valeur réelle. Cela ne pénalise donc pas le client. ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 7/7

8 THD Taux de distorsion harmonique global Cette définition s apparente au taux d ondulation mais côté ligne. Il n y a donc pas de composante continue. Insuffisance I n THD n Il mesure le contenu harmonique du courant ligne. Avec une alimentation à découpage, I eff ligne nous obtenons des THD de l ordre de 30%, ce qui s explique par la forme rectangulaire des courants ligne Rapport cyclique D (duty) C est le rapport entre la durée de conduction de l onduleur sur une demi-période et la période : valeur est au maximum de 0,5 ( t = 1/ T). D t T sa En théorie, la tension continue de sortie transformateur Haute Fréquence Pont en H U d U D Ip s où U s est la tension crête au secondaire du Id Up Ud Sur le schéma, on comprend aisément qu il ne faut pas alumer simultanément t1 et t3 ou t et t4. Pour se prémunir contre cela, on ménage un temps mort minimum entre l extinction de t1-t3 et l alumage de t-t4 (réciproquement entre l extinction de t-t4 allumage de t1-t3). La présence incontournable de ce temps mort n est pas sans conséquence sur l eficacité globale de la conversion d énergie. ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 8/7

9 En effet, on voit que le rapport cyclique est au maximum en butée à agissant directement sur la tension moyenne maximum disponible en sortie. Actuellement, nous ne descendons pas en dessous de 6µs. D T - t 1 t T 1 m m max - - f tm ; On voit également que dans la relation de la butée D max, plus on descend en fréquence, meilleure est cette butée : Exemple : à 15 Khz D max = 0,41 à 10 Khz D max = 0,44 soit 7,3% de mieux! T Pont en ½ H Ip Id Up Ud Avantages de ce schéma par rapport au pont en H : - La symétrie de la LMI est moins primordiale car le diviseur capacitif absorbe l éventuele dissymétrie. Il ne peut y avoir de composante continue de courant dans les condensateurs ; - Le coût est «globalement» moindre car il n ya que deux IGBT au lieu de quatre ; Inconvénients : - L onduleur travaile à moitié de tension, cela signifie qu à puisance équivalente, il faut commuter deux fois plus de courant dans les IGBT. C est la raison pour laquele, ce schéma est réservé aux faibles puissances ; - Les condensateurs C3 et C4 travaillent à des courants importants. Le choix de ces condensateurs est délicat (très faible résistance série). ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 9/7

10 Ondulation de tension en sortie Sur la tension continue de sortie, on trouve deux sources d ondulation : Une ondulation Haute Fréquencequi n est pas complètement bloquée par le filtre LC. Ceci pour deux raisons. D une part il n est pas posible compte tenu du courant, de réaliser des inductances de forte valeur. D autre part, l impédance série du condensateur de sortie n est pas négligeable par rapport à l impédance de la charge. Exemple : 16V 1000A R charge = 16 m ainsi avec une résistance série de R s = 4 m, le condensateur ne pourra dériver au mieux que R R charge charge R s 16 soit 80% du courant hf, reste 0% sur la charge Pour les forts courants et faible tension le condensateur devient inutile pour filtrer la hf (6V 5000A R charge = 1, m ). Une ondulation Basse Fréquence provenant de la charge du filtre LC intermédiaire qui n a pour fonction que de fournir une énergie tampon à l onduleur et à bloquer la H.F à ce niveau pour qu ele ne remonte pas sur la ligne. Tension intermédiaire en charge Cete ondulation se retrouve en sortie au rapport de transformation près (s il n y a pas de résonance Umax - Umin parasite). Le taux d ondulation est au mieux de 5%. U Dans certain cas, il est nécesaire de réduire ce taux d ondulation. La première fréquence à aténuer est le 300 Hz. Le filtrage peut se faire soit en sortie, soit sur la tension intermédiaire. En sortie le courant est très important. Cela rend la réalisation des inductances très problématique. Ce filtrage se fait donc sur la tension intermédiaire. moyen ACORE INDUSTRIE Descriptif technique Page 10/7