Electronique 2ème année BUREAU D ETUDES PSIM. PEPITONE Kévin

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1 Electronique 2ème année BUREAU D ETUDES PSIM PEPITONE Kévin

2 Table des matières A Stabilité d un convertisseur Buck... 4 Etude par la simulation en mode temporel... 4 Figure 1 : Convertisseur Buck en temporel Etude en régime transitoire... 5 Figure 2 : v 0 (t) et i L (t) en régime transitoire Etude en régime permanent... 6 Figure 3 : Ondulation de v 0 (t) Etude par la simulation en mode fréquentiel... 7 Figure 4 : Convertisseur Buck en fréquentiel Etude en fréquentiel avec C = 47µF... 7 Figure 5 : Diagrammes de Bode pour C = 47µF Etude en fréquentiel avec C=1µF... 8 Figure 6 : Diagrammes de Bode pour C=1µF Correcteur PI... 9 B Commande synchrone d un convertisseur Buck Etude par la simulation avec des transistors IGBT Figure 7 : Etude d un convertisseur Buck avec une commande synchrone et des transistors IGBT Figure 8 : v 0 (t) et i L (t) en régime transitoire avec des transistors IGBT Figure 9 : v 0 (t) et i L (t) en régime permanent avec des transistors IGBT Etude par la simulation avec des transistors MOS Figure 10 : Etude d un convertisseur Buck avec une commande synchrone et des transistors MOS Figure 8 : v 0 (t) et i L (t) en régime transitoire avec des transistors MOS Figure 11 : v 0 (t) et i L (t) en régime permanent avec des transistors MOS Influence de la chute de tension des transistors Figure 12 : V 0 (t) en fonction de R on-mos Figure 13 : V 0 (t) en fonction de R on-mos PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 2

3 C Convertisseur isolé symétrique de type Push Pull Etude théorique Etude par la simulation Figure 14 : Circuit de commande et de puissance du convertisseur Push-Pull Figure 15 : v s (t) et i L (t) en régime permanent Figure 15 : v s (t) et i L (t) en régime t Figure 17 : Mesure du 1 er dépassement de v s (t) Figure 18 : Caractéristiques de v s,v K1, v K2, v D1, v D2,v L Figure 19 : Caractéristiques de I D1, I D2, I K1, I K2, I L Figure 20 : ρ(v D2on ) Figure 21 : V CE2max (Lp_1) Figure 22 : Vs en fonction de Rch Figure 22bis : Is en fonction de Rch Figure 22ter : Is en fonction de Vs pour différentes valeurs de Rch Figure 23 : ΔVs(c) Figure 24 : ΔVs(r c ) Figure 25 : ΔVs(l c ) D Annexe Théorie : convertisseur isolé symétrique de type Push Pull PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 3

4 A Stabilité d un convertisseur Buck Etude par la simulation en mode temporel Le schéma du convertisseur à simuler en mode temporel est le suivant : Figure 1 : Convertisseur Buck en temporel. A partir de ce montage, nous avons configuré la commande du «MOS1» à une fréquence de 60kHz avec un rapport cyclique α=. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 4

5 1 Etude en régime transitoire Nous avons relevé v 0 (t) et i L (t) en régime transitoire pour observer le dépassement : Figure 2 : v 0(t) et i L(t) en régime transitoire. Nous mesurons i Lfinal (t) = 1,32A (ceci correspond à la théorie i Lfinal = et v 0final (t) = 3,3V ( = ). Le premier dépassement de i L (t) est D 1 i L = = 109%. = 1,32A) Le premier dépassement de v 0 (t) est D 1 v 0 = = 39% ceci est en accord avec la théorie. La formule de D1 est D1 =. Pour un montage comme le notre, On a donc en théorie D1=38%, la pratique correspond à la théorie. nous avons C= 47µF, L=100µH et R=2,5Ω d où z=0,29. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 5

6 2 Etude en régime permanent Nous allons maintenant mesurer l ondulation de v 0 (t) Voici les simulations que nous obtenons Nous mesurons : v 0min (t)= V v 0max (t)= V Nous avons donc une ondulation de V Figure 3 : Ondulation de v 0(t). PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 6

7 Etude par la simulation en mode fréquentiel Le schéma du convertisseur à simuler en mode fréquentiel est le suivant : Figure 4 : Convertisseur Buck en fréquentiel. 1 Etude en fréquentiel avec C = 47µF Après simulation du montage, nous avons obtenu les diagrammes de Bode ci-dessous. Figure 5 : Diagrammes de Bode pour C = 47µF. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 7

8 A partir de cette simulation, nous avons pu calculer la marge de phase Mφ. Celle-ci est égale à 180 moins la phase pour un gain de 0dB. A 0dB nous mesurons une phase de -170, ceci nous donne une marge de phase Mφ=10 on en déduit donc que pour C=47µF, le système est instable, il faudra donc lui ajouter un correcteur pour avoir Mφ =45 (étudié par la suite). 2 Etude en fréquentiel avec C=1µF Nous avons changé la valeur de C, elle vaut maintenant 1µF. Après simulation du montage, nous avons obtenu les diagrammes de Bode ci-dessous. Figure 6 : Diagrammes de Bode pour C=1µF. Pour un gain de 0 db, nous obtenons une phase de -120, ceci nous donne Mφ=60 : le système est stable. Conséquence sur l ondulation de v 0 (t) : l ondulation augmente quand le condensateur n est pas assez élevé pour lisser la tension de sortie donc le système est stable mais l ondulation est plus importante que pour C=47µF. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 8

9 3 Correcteur PI Comme nous l avons vu, lorsque C=47µF, le système n est pas stable, il est important de rehausser la marge de phase à 45, pour ceci nous devons insérer un correcteur PI. Voici son dimensionnement : La fonction de transfert d un tel correcteur est de la forme : Avec K>0 et τ>0 Pour obtenir ce correcteur, il faut commencer par déterminer τ : On remarque graphiquement que f c 2300Hz, on a donc ω C = = = rad/s -1. On choisit ω u = 5*ω c = rad/s -1. Pour f u = 5*f c, on mesure : [ ] Nous souhaitons une marge de phase Mφ égale à 45. Nous aurons donc : [ ] Nous choisissons alors τ telle que le retard de phase apporté à alors la valeur de τ : soit de 6. Nous en déduisons Nous calculons alors : Les 6 correspondent au retard apporté par. Donc : [ ] [ ] Nous pouvons alors en déduire a : Il ne nous reste plus qu à déterminer. Pour cela, nous avons la relation suivante : [ ] [ ] [ ] L expression finale de notre correcteur est : PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 9

10 B Commande synchrone d un convertisseur Buck Etude par la simulation avec des transistors IGBT Voici le schéma que nous avons saisi pour la commande synchrone du convertisseur Buck : Figure 7 : Etude d un convertisseur Buck avec une commande synchrone et des transistors IGBT. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 10

11 Nous relevons v 0 (t) et i L (t) en régime permanent et régime transitoire : Figure 8 : v 0 (t) et i L (t) en régime transitoire avec des transistors IGBT. Figure 9 : v 0 (t) et i L(t) en régime permanent avec des transistors IGBT. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 11

12 Etude par la simulation avec des transistors MOS Voici le schéma que nous avons saisi pour la commande synchrone du convertisseur Buck : Figure 10 : Etude d un convertisseur Buck avec une commande synchrone et des transistors MOS. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 12

13 Nous relevons v 0 (t) et i L (t) en régime permanent et régime transitoire : Figure 8 : v 0 (t) et i L (t) en régime transitoire avec des transistors MOS. Figure 11 : v 0 (t) et i L(t) en régime permanent avec des transistors MOS. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 13

14 V0(V) V0(V) Nous remarquons que pour des transistors IGBT ou MOS le simulateur nous donne les mêmes résultats. Influence de la chute de tension des transistors. Nous avons étudié les influences de R on-mos1 et R on-mos2 avec Vd on-mos2 =0,7v puis nous avons tracé v 0 en fonction de R on-mos1 et de R on-mos2. V0(t) en fonction de Ron-MOS1 pour Vdon-MOS2 = 0,7V 4,6 4, ,4 4,2 4 3,8 4,2793 4, , , , ,6 3,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ron-MOS1 (Ω) Figure 12 : V 0(t) en fonction de R on-mos1. V0(t) en fonction de Ron-MOS2 pour Vdon-MOS2 = 0,7V 4,6 4, ,4 4, ,2 4, , , , ,8 3,6 3,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ron-MOS2 (Ω) Figure 13 : V 0(t) en fonction de R on-mos2. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 14

15 C Convertisseur isolé symétrique de type Push Pull Etude théorique Voir partie Annexe Etude par la simulation Voici le schéma que nous avons saisi pour cette partie : Figure 14 : Circuit de commande et de puissance du convertisseur Push-Pull Pour commencer, nous avons relevé v s (t) et i L (t) en régime transitoire et en régime permanent : PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 15

16 Figure 15 : v s(t) et i L(t) en régime permanent. Figure 15 : v s(t) et i L(t) en régime t. On mesure v sfinal (t) = 17,9791V PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 16

17 Afin de mesurer le dépassement en tension, nous avons tracé v S (t) en régime transitoire Figure 17 : Mesure du 1 er dépassement de v s(t) On trouve que v Smax (t) = 23,2314V donc on a un dépassement de v Smax (t)- v Sfinal (t)= 5,2523V D1= =29,2%. Caractéristique en régime permanent des différentes tensions et des différents courants du montage : PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 17

18 Figure 18 : Caractéristiques de v s,v K1, v K2, v D1, v D2,v L. Figure 19 : Caractéristiques de I D1, I D2, I K1, I K2, I L1. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 18

19 VCE2max (V) ρ(vd2on) On a voulu connaitre l influence de la diode D2 sur la tension de sortie, on a donc tracé ρ(v D2on ) avec ρ= Rendement 1 0,995 0,99 0, , , ,985 0,98 0,975 0,97 0, , , ,2 0,4 0,6 0,8 1 VD2on (V) Figure 20 : ρ(v D2on). Suite à ces simulations, nous nous rendons compte que plus la valeur de V D2on est élevée, plus le rendement baisse, il passe de 99,65% pour V D2on =0V à 97,11% pour V D2on =1V et ceci de façon linéaire. On a ensuite cherché l influence de l inductance de fuite au primaire en faisant varier Lp_1 de 0,1µH à 1µH et nous avons cherché à tracer V CE2max (=V K2max ) en fonction de cette inductance de fuite Caractéristique VCE2max=f(Lp_1) , ,8 214,3 222, ,7 199,7 199,6 199,6 199,5 199,5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Lp_1 (µh) Figure 21 : V CE2max (Lp_1). On remarque que l inductance de fuite a une influence sur V CE2max seulement pour des valeurs comprises entre 0,1µH et 0,5µH, de 0,5µH à 1µH V CE2max reste constante. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 19

20 VS (V) Nous avons maintenant tracé Vs(Is) en faisant varier R ch de 1Ω à 11Ω. Nous avons commencé par tracer Vs en fonction de R ch et Is en fonction de R ch. Puis Vs(Is) pour chaque valeur de R ch Figure 22 : Vs en fonction de Rch. Figure 22bis : Is en fonction de Rch. Puis nous en avons déduit V s (I s ) Caractéristique VS(IS) , , , , , , ,9746 5,9171 3,9976 2,8557 2,2212 1,8174 IS (A) Figure 22ter : Is en fonction de Vs pour différentes valeurs de Rch. PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 20

21 ΔVS (V) ΔVS (V) ΔVS (V) La caractéristique Vs(Is) dépend de R ch on constate que pour R ch supérieur à 5Ω cette caractéristique reste constante. Pour finir, nous avons cherché l influence du réseau RLC (r c, l c, c) sur l ondulation de la tension de sortie, pour se faire nous avons fait varier r c de 1mΩ à 101mΩ, l c de 1nH à 101nH et c de 10µF à 510µF 0,015 0,01 0,005 0,0118 ΔVs(c) 0,0029 0,0025 0,0024 0,0022 0, C (µf) Figure 23: ΔVs(c) 0,02 0,015 0,01 0,005 0 ΔVs(rc) 0,0168 0,0138 0,0107 0,0074 0,004 0, rc (mω) Figure 24 : ΔVs(r c) ΔVs(lc) 0,06 0,04 0,02 0,004 0,0115 0,0191 0,0268 0,0343 0, lc (nh) Figure 25 : ΔVs(l c) PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 21

22 On remarque d après ces 3 caractéristiques, que si c augmente, l ondulation diminue, mais après 110µF, elle se stabilise autour de 2,2mV. A l inverse lorsque l C ou r C augmentent, l ondulation augmente de manière linéaire, avec une pente de 414µV/nH pour l C et une pente de 162mV/mΩ pour r C PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 22

23 D Annexe Théorie : convertisseur isolé symétrique de type Push Pull PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 23

24 PEPITONE Kévin - Bureau d études PSIM Page 24