TP convertisseurs de puissance - 5ème année PTP énergie -

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1 TP convertisseurs de puissance - - I] Organisation des séances : Etudiants non issus de 4AE Etudiants issus de 4AE Séance 1 TP 4AE TD sur l'alimentation à découpage. Séance 2 TP 4AE Dimensionnement et bobinage du transformateur. Séance 3 TP 4AE Dimensionnement et bobinage de l'inductance. Séance 4 TP 4AE Test de la forward. Analyse des formes d'onde. Bilan énergétique. Mesure du rendement. Séance 5 TD sur l'alimentation à découpage. Conception de l'asservissement : boucle de courant. Câblage et validation de la boucle de courant. Séance 6 Séance 7 Dimensionnement et bobinage du transformateur. Test de la forward. Analyse des formes d'onde. Bilan énergétique. Mesure du rendement. Conception et câblage boucle de tension. Test final avec les deux boucles de régulation. II] Evaluation : Cette série de TP sur les convertisseurs de puissance sera évaluée de deux manières : 1. Un rapport par binôme à rendre à l'issue de la dernière séance de TP. 2. Contrôle continu : il sera tenu compte de l'implication de chaque étudiant durant les séances de TP, de l'état d'avancement du projet, ainsi que de l'autonomie de chaque binôme. NB : en cas de grosse différence de niveau et/ou d'implication durant les séance TP, l'enseignant se réserve la possibilité de distinguer les deux notes au sein d'un même binôme. TP_conv_puissance_V4.odt p.1/9 14 Jan. 2013

2 III] Cahier des charges : On désire faire fonctionner une alimentation à découpage de type forward ayant les caractéristiques suivantes : tension d'alimentation : E = 30 V Tension de sortie nominale : U s =12 V Fréquence de découpage : F dec = 100 khz Puissance disponible en sortie de l'alimentation P s = U s I s = 30 W Le schéma électrique de l'alimentation forward est donné sur la figure ci-dessous : V D2 I 2 I L (t) I S I 1 D 2 E V 1 V 3 V 2 V DRL D RL V 4 (t) + C - R CH U S V T1 V D3 T 1 D 3 I 3 Figure 1 : schéma électrique de l'alimentation forward. III] Travail à réaliser : 3.1] Effectuer le TD sur l'alimentation à découpage. 3.2] Dimensionnement et bobinage du transformateur : Le noyau ferrite choisi pour réaliser le transformateur est le suivant : Fabricant : EPCOS Modèle géométrique du noyau : ETD 39/20/13 Matériau utilisé : N97 TP_conv_puissance_V4.odt p.2/9 14 Jan. 2013

3 Pour un rapport cyclique donné égal à 40%, on désire obtenir une tension de sortie théorique U s =12 V. Q1] Déterminer la valeur du rapport de transformation k = n 2 n 1. D'autre part, on choisira le même nombre de spires sur les enroulements primaire et tertiaire : n 3 =n 1. Chacun des enroulements du transformateur sera bobiné avec du fil de Litz : il s'agit d'un fil multibrins spécial qui permet de limiter les conséquences indésirables de l'effet de peau. Le fil de Litz est particulièrement bien indiqué lorsqu'il s'agit de faire circuler des courants d'intensité élevée et de haute fréquence. Nous allons à présent vérifier si les sections choisies pour les fils de Litz sont adéquates. Etude du dimensionnement du fil de Litz utilisé au secondaire : Q2] Calculer la valeur efficace de l'intensité du courant qui circule dans l'enroulement secondaire (notée I 2eff ). On utilise pour l'enroulement secondaire un fil de Litz ayant les caractéristiques suivantes : Nombre de brins : N b2 = 60 Diamètre de chaque brin : Φ brin = 0,1 mm Q3] Déterminer la densité de courant qui circule dans l'enroulement secondaire (notée j 2eff ). La valeur trouvée vous semble-telle acceptable? Etude du dimensionnement du fil de Litz utilisé au primaire : Q4] Calculer la valeur efficace de l'intensité du courant qui circule dans l'enroulement primaire (notée I 1eff ). Q5] Peut-on utiliser le même fil de Litz pour bobiner les enroulements primaire et secondaire? Si oui, quelle serait la densité de courant obtenue au primaire (notée j 1eff )? Détermination du nombre de spires : Nous allons choisir les nombres de spires n 1, n 2 et n 3 de manière à satisfaire deux critères. D'une part on se fixe une valeur maximale pour le champ B présent dans le circuit magnétique. D'autre part, on s'impose une limite maximale pour le courant magnétisant absorbé par le circuit primaire du transformateur. Détaillons à présent les deux critères : Critère n 1 : B max 0,1 T Q6] Déterminer la valeur maximale du flux magnétique qui circule dans le pot ferrite (notée φ max ). TP_conv_puissance_V4.odt p.3/9 14 Jan. 2013

4 Q7] Rappeler la relation qui existe entre le flux maximum φ max, la tension d'alimentation E le rapport cyclique α, le nombre de spires n 1 et la fréquence de découpage f dec. On se place dans le cas le plus critique, lorsque le rapport cyclique est égal à 1/2. Déduire de cette relation une première inégalité sur le nombre de spires n 1. Critère n 2 : I mmax 1 10 k I 2max Le courant magnétisant est le courant absorbé par le primaire du transformateur lorsque tous les autres enroulements sont déconnectés. On peut le définir mathématiquement à partir de la relation d'hopkinson : n 1 I 1 t n 2 I 2 t n 3 I 3 t = R t = n 1 I m t Durant la phase 1 (pour 0 t T dec ), I 3 (t) = 0, donc la relation d'hopkinson devient : I 1 t = R n 1 t n 2 n 1 I 2 t On peut également la réécrire : I 1 t = I m t k I 2 t Ainsi, le critère n 2 nous impose que le courant magnétisant ne dépasse pas un dixième du terme k I 2 t Q8] A l'aide des valeurs fournies dans la documentation technique de l'etd39, calculer la valeur numérique de la réluctance du circuit magnétique. Q9] On se place dans le cas le plus critique, lorsque le rapport cyclique est égal à 1/2. Exprimer la relation qui relie I mmax, la réluctance R, la tension d'alimentation E, le nombre de spires n 1 et la fréquence de découpage f dec. Déduire de cette relation une deuxième inégalité sur le nombre de spires n 1. Q10] Choisir le nombre de spires n 1 de manière à satisfaire les deux inégalités issues des critères n 1 et 2. Q11] Déterminer la valeur théorique de l'inductance magnétisante du transformateur. Q12] Bobiner le transformateur. TP_conv_puissance_V4.odt p.4/9 14 Jan. 2013

5 3.3] Dimensionnement et bobinage de l'inductance : 3.3.1) Petit cours préalable : Avant de commencer le dimensionnement de l'inductance, il est nécessaire d'introduire quelques notions théoriques indispensables. Le circuit magnétique utilisé est un pot ferrite de type ETD. Il est représenté sur la figure 2.a. Dans le but de simplifier les calculs, nous allons raisonner sur un circuit magnétique torique équivalent (figure 2.b). Ce deuxième circuit est caractérisé par les paramètres suivants : A e : section équivalente (effective area), l e : longueur équivalente (effective length), µ e : perméabilité magnétique relative équivalente. l A = l e A e : facteur de noyau (core factor). Tous ces paramètres sont en général donnés dans chaque documentation technique relative à tout noyau ferrite. A e : section équivalente B V L I L n spires B e/2 V L I L n spires e : entrefer + + l e : longueur équivalente A) Pot ferrite de type ETD. B) Circuit magnétique équivalent. Figure 2 : équivalence entre le pot ferrite réel et un cicrcuit torique équivalent. A partir du théorème d'ampère, on peut démontrer qu'il existe une analogie entre les équations magnétiques (relation d'hopkinson) et les équations électriques (loi des noeuds). Cette analogie est illustrée sur la figure 3. TP_conv_puissance_V4.odt p.5/9 14 Jan. 2013

6 φ φ I L V L n spires e R fer n.i L R air A) Circuit magnétique équivalent. B) Modèle issu du cicruit magnétique. Figure 3 : analogie entre la loi d'ohm et la relation d'hopkinson. On note φ le flux magnétique qui circule dans le pot ferrite. La relation d'hopkinson s'écrit de la manière suivante : n I L = R tot = R fer R air (1) Avec : R fer désigne la réluctance du pot ferrite seul (sans entrefer). Cette réluctance est donnée par la formule suivante : R fer = 1 l e = 1 l 0 e A e 0 e A R air désigne la réluctance de l'entrefer. Celle-ci est donnée par la formule suivante : R air = 1 e 0 A e R tot désigne la réluctance totale du circuit magnétique (pot ferrite + entrefer). La réluctance totale est donnée par : R tot = R fer R air L'analogie entre la loi d'ohm et la relation d'hopkinson est la suivante : Dans un circuit électrique, les résistances s'ajoutent lorsqu'elles sont connectées en série. Dans un circuit magnétique, ce sont les réluctances qui s'ajoutent. Etudions à présent la relation qui existe entre la valeur de l'inductance L et la reluctance totale du circuit magnétique. Pour cela, nous disposons de trois égalités : D'une part, la relation des ampères-tours : n I L = R tot = R fer R air (1) D'autre part, l'expression de l'énergie magnétique stockée à un instant t dans l'inductance : W t = 1 2 L I L t 2 (2) Enfin, une deuxième manière d'exprimer l'énergie stockée, en fonction de la réluctance du circuit magnétique et du flux qui y circule : W t = 1 2 R tot t 2 (3) A l'aide de l'équation (1), on exprime φ(t) en fonction de I L (t). Puis on remplace dans l'expession (3). On obtient alors : TP_conv_puissance_V4.odt p.6/9 14 Jan. 2013

7 Par identification, on obtient : W t = 1 2 L I L t 2 = 1 2 R tot n I L t R tot 2 (4) L = n2 R tot (5) C'est à partir de cette dernière formule que l'on déterminera le nombre de spires nécessaire pour l'inductance. Remarque concernant l'entrefer : Dans le cas d'une inductance, on cherche à stocker de l'énergie magnétique, c'est pourquoi il est judicieux d'introduire un entrefer. Dans le cas d'un transformateur, en revanche, l'objectif n'est pas de stocker de l'énergie, mais au contraire de la transférer du primaire vers le secondaire. C'est pourquoi les transformateurs ne possèdent pas en général d'entrefer ) Dimensionnement de l'inductance : On désire dimensionner l'inductance de manière à ce que l'ondulation du courant (notée ΔI L ) soit égale à 1/10 de sa valeur moyenne nominale : I L = 1 10 I L Q13] Représenter l'allure temporelle du courant dans l'inductance. Combien vaut sa valeur moyenne? Q14] Rappeler la relation qui existe entre l'ondulation ΔI L, la fréquence de découpage f dec et la valeur de l'inductance L. Déduire de cette relation la valeur de L. Q15] Déterminer la valeur moyenne de l'énergie stockée dans l'inductance. Q16] On choisit un noyau ferrite de type ETD39/20/13 (matériau 3C90). A l'aide de la documentation technique, déterminer la valeur de la réluctance du circuit magnétique seul (R fer ). Q17] On s'impose un champ magnétique moyen dans le pot ferrite <B> = 0,25 T. Déterminer la valeur moyenne du flux correspondant. Q18] Déduire de la question précédente la valeur de la réluctance totale du circuit magnétique (R tot ). Q19] Déterminer la valeur de la réluctance introduite par l'entrefer. En déduire la valeur de l'entrefer e. Q20] A partir des valeurs de R tot et de L précédemment déterminées, choisir le nombre de spires adéquat pour l'inductance. Q21] Bobiner l'inductance. Choisir la bonne valeur de l'entrefer en insérant des feuilles de papier dont on aura au préalable mesuré l'épaisseur à l'aide d'un pied à coulisse. TP_conv_puissance_V4.odt p.7/9 14 Jan. 2013

8 NB : attention lors de cette phase : ne pas oublier que dans le cas du noyau ETD39, l'entrefer est divisé en deux fois e/2. 3.4] Mise en oeuvre de l'alimentation à découpage : Q22] Mettre en fonctionnement l'alimentation à découpage. Utiliser un GBF pour commander le driver du transistor MOS (signal créneau 0-5V, de fréquence f dec =100kHz). Vérifier que les formes d'onde obtenues correspondent bien aux résultats théoriques trouvés en TD. Attention : Au cours de cette manipulation, veillez à ne pas faire de conflit de masse! La masse de l'oscilloscope doit impérativement être reliée à la masse du circuit ) Etude des caractéristiques de sortie de l'alimentation à découpage : Q23] On désire mesurer la tension obtenue en sortie de l'alimentation forward, ainsi que le courant qui circule dans la résistance de charge. On utilisera pour cela un voltmètre et un ampèremètre en mode continu. Doit-on choisir un montage courte dérivation ou longue dérivation? Q24] Câbler le montage destiné à mesurer U s et I s. On se place tout d'abord au régime de fonctionnement nominal tel qu'il a été défini en début du sujet. Régler le rapport cyclique et la résistance de charge de manière à obtenir U s = 12 V et P s = U s *I s = 30 W. Conserver la valeur de R ch ainsi choisie, et mesurer les variations de U s en fonction du rapport cyclique. Représenter la caractéristique obtenue expérimentalement U s = f(α). Cette caractéristique est-elle linéaire? Le résultat est-il conforme à la théorie? Q25] Nous allons à présent étudier les variations de la tension de sortie en fonction de la résistance de charge (R ch ). Pour une valeur de rapport cyclique α = 0,4, faire varier la résistance de charge. Tracer la caractéristique obtenue U s = f(i s ). Réitérer les mesures pour α = 0,3, puis α = 0,2 et enfin α = 0,1. Vous devriez normalement obtenir un réseau de courbes paramétrées ressemblant à la figure ci-dessous : U s α=0,4 α=0,3 α=0,2 0 α=0,1 I s Figure 4 : caractéristiques de sortie de l'alimentation à découpage. Q26] Vue de la sortie, on considère que l'alimentation à découpage se comporte comme un générateur équivalent de Thévenin. Exploiter les courbes obtenues dans la question précédente pour TP_conv_puissance_V4.odt p.8/9 14 Jan. 2013

9 déterminer les éléments de ce générateur : Tension à vide : E th, : exprimer E th en fonction du rapport cyclique α, Résistance interne du générateur : R th ) Bilan de puissance de l'alimentation à découpage : Q27] Se placer au point de fonctionnement nominal (U s = 12 V et P s = U s *I s = 30 W). Mesurer la puissance absorbée en entrée de l'alimentation forward. En déduire le rendement nominal de cette dernière. Q28] Quelle est la puissance totale dissipée par le dispositif? Dans quels éléments se situent les pertes? A quoi sont dues les différentes pertes? Q29] Observer l'allure de la tension aux bornes du transitor MOS, et du courant qui le traverse. Estimer les pertes par commutation du MOS. Q30] Observer l'allure de la tension aux bornes de la diode D 3. Combien vaut sa tension de seuil lorsque celle-ci est passante? Observer également l'allure du courant qui traverse D 3. Estimer les pertes par conduction de D 3. Q31] A l'aide d'une sonde différentielle, observer l'allure des tensions aux bornes de D 2 et D RL. Combien valent les tensions de seuil lorsque celles-ci sont passantes? A partir des résultats du TD, estimer l'allure des courants qui traversent D 2 et D RL. Estimer les pertes par conduction de ces deux diodes. Q32] En effectuant un bilan de puissance, estimer les pertes dues au transformateur ) Commande en courant de l'alimentation à découpage : La régulation de l'alimentation à découpage s'effectue grâce à deux boucles. Une boucle de courant interne qui régule l'intensité du courant dans l'inductance de lissage, une boucle de tension externe qui régule la valeur de la tension de sortie U s. Ces deux boucles de régulation permettent de transformer la forward en une source de tension de valeur constante, quelle que soit la valeur de l'intensité absorbée en sortie. Evidemment, ceci n'est valable que dans une certaine plage de valeurs de I s. Si on demande une intensité trop élevée en sortie, l'alimentation forward ne sera pas capable de fournir une telle puissance, et la tension de sortie s'effondrera. TP_conv_puissance_V4.odt p.9/9 14 Jan. 2013