APPLICATION NOTE p09ab06

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1 APPLICATION NOTE p09ab06 Dimensionnement d un hacheur survolteur Année Client : Christophe PASQUIER Tuteur technique : Christophe PASQUIER Tuteur industriel : Xavier CLAVAUD Auteur : Kamel EL MELOUANI

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3 SOMMAIRE INTRODUCTION LE HACHEUR SURVOLTEUR DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTS DIMENSIONNEMENT DE L INDUCTANCE CALCUL DE L INDUCTANCE CHOIX DU TORE CALCUL DU NOMBRE DE TOURS DIMENSIONNEMENT DU CONDENSATEUR DE SORTIE CALCUL DE LA CAPACITE CHOIX DU CONDENSATEUR CHOIX DES SEMI-CONDUCTEURS CHOIX DE LA DIODE CHOIX DU MOSFET DRIVER OPTOCOUPLEUR TESTS DE LA CARTE HACHEUR SURVOLTEUR TEST DES TENSIONS D ENTREE ET DE SORTIE TEST DES SIGNAUX TEST DE LA COMMANDE TEST DE LA TENSION DRAIN-SOURCE TEST DE LA TENSION DIODE TEST DU COURANT DANS L INDUCTANCE CONCLUSION ANNEXES... Erreur! Signet non défini. Page 3

4 TABLE DES MATIERES Figure 1 : Schéma du hacheur survolteur... 6 Figure 2 : Phases de fonctionnement du hacheur survolteur... 7 Figure 3 : Prototype réalisé Figure 4 : Copie écran visualisation des tensions à l oscilloscope Figure 5 : Copie écran visualisation des tensions à l oscilloscope Figure 6 : Extrait de la norme UTE C (1)... Erreur! Signet non défini. Figure 7 : Extrait de la norme UTE C (2)... Erreur! Signet non défini. Figure 8 : Schéma de routage... Erreur! Signet non défini. Page 4

5 INTRODUCTION Dans le cadre de notre formation d ingénieur au département Génie Electrique de Polytech Clermont-Ferrand (anciennement C.U.S.T), nous devons réaliser un projet de type industriel, qui s intitule «Générateur de commande PWM pseudo-aléatoire d un hacheur survolteur». Ce projet s étale sur nos deux dernières années de formation. Pour cela nous devons réaliser une étude de faisabilité en quatrième année (48 heures), en proposant une solution au client lors d'une revue d'appel d'offre, et la conception du produit en cinquième année (250 heures). Ce projet est proposé par le LASMEA, LAboratoire des Sciences et Matériaux pour l Electronique et l Automatique. Notre client est M. Pasquier, maître de conférence en compatibilité électromagnétique (C.E.M.) au département GE de Polytech Clermont-Ferrand qui est rattaché au LASMEA. Nous avons pour nous aider et nous encadrer Mr. James, Mr. Laffont et Mr. Pasquier, enseignants au département GE de Polytech Clermont-Ferrand et un tuteur industriel Mr Clavaud, ingénieur chargé de projet. L objectif de ce projet est de mettre en place une commande particulière (signal MLI à fréquence variable et rapport cyclique constant) sur microcontrôleur, afin de piloter des interrupteurs de puissance et de valider les recherches menées par le LASMEA. Afin de bien nous rendre compte des résultats et pour une raison démonstrative, les études seront réalisées avec une carte de puissance utilisant un hacheur survolteur. Il est donc nécessaire pour concevoir cette carte de puissance de la dimensionner. Cette «application note» décrite dans ce rapport, sera à appliquer et à suivre pour réaliser ce genre de carte. Elle décrit la méthode à suivre pour dimensionner et mettre en œuvre un hacheur survolteur. Page 5

6 1. LE HACHEUR SURVOLTEUR 1.1. GENERALITES Lorsque l on désire augmenter la tension d une source continue, hacheur parallèle de type BOOST, appelé également hacheur survolteur. on peut utiliser le Ce dispositif de l électronique de puissance est un convertisseur continu - continu mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et qui permet de modifier la valeur de la tension d'une source de tension continue avec un rendement élevé. Le découpage se fait à une fréquence très élevée ce qui a pour conséquence de créer une tension moyenne. Les hacheurs de puissance sont utilisés pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu. De même, les véhicules hybrides ainsi que les systèmes d'éclairage sont deux exemples typiques d'utilisation de ces hacheurs SYNOPTIQUE DU HACHEUR SURVOLTEUR Figure 1 : Schéma du hacheur survolteur Dans notre cas, la partie puissance aura pour rôle d'élever la tension d'entrée, qui sera du 12V, et de transmettre fidèlement le signal de commande jusqu à la gâchette de l interrupteur. Le hacheur survolteur est composé d une inductance, d une diode, d un condensateur de sortie, et bien sûr, d un interrupteur de puissance. De plus, une isolation galvanique sera réalisée à l aide d un optocoupleur afin d isoler galvaniquement la partie commande de la partie puissance. Pour aider à la commutation, on ajoute un driver en amont de l interrupteur de puissance. On peut également prévoir un circuit d aide à la commutation (CALC). Le schéma utilisé pour réaliser notre carte est en annexe. Kamel EL MELOUANI Page

7 1.3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Nous allons diviser en deux phases distinctes le fonctionnement du hacheur survolteur selon l'état de l'interrupteur Tp : De 0 à αt : phase d'accumulation d'énergie L interrupteur Tp est fermé (état passant), cela entraîne l'augmentation du courant dans l'inductance donc le stockage d'une quantité d'énergie sous forme d'énergie magnétique. La diode D est alors bloquée et la charge est alors déconnectée de l'alimentation. De αt à T : phase de roue libre L'interrupteur est ouvert, l'inductance se trouve alors en série avec le générateur. Sa f.e.m. s'additionne à celle du générateur (effet survolteur). Le courant traversant l'inductance traverse ensuite la diode D, le condensateur C et la charge R. Il en résulte un transfert de l'énergie accumulée dans l'inductance vers la capacité, qui va fixer la tension de sortie. Figure 2 : Phases de fonctionnement du hacheur survolteur Page 7

8 Etude réalisée avec les hypothèses suivantes :(circuit idéal) Le condensateur de sortie a une capacité suffisante pour fournir une tension constante, au cours d'un cycle de fonctionnement, à la charge (Résistance) La chute de tension aux bornes de la diode est nulle Pas de pertes dans les composants d'une manière générale Dans la réalité, les imperfections des composants réels peuvent avoir des effets importants sur le fonctionnement du convertisseur. Mode conduction continue : le courant I L traversant l'inductance ne s'annule jamais De 0 à αt : L interrupteur Tp est manière suivante : fermé pendant l état passant : le courant il augment de la e L À la fin de l'état passant, le courant I L a augmenté de : α étant le rapport cyclique. Il représente la durée de la période T pendant laquelle l'interrupteur S conduit. α est compris entre 0 (S ne conduit jamais) et 1 (S conduit tout le temps). De αt à T : L'interrupteur Tp est ouvert pendant l'état bloqué, le courant traversant l'inductance circule à travers la charge. Si on considère une chute de tension nulle aux bornes de la diode et un condensateur suffisamment grand pour garder sa tension constante, l'évolution de I L est : Par conséquent, la variation de I L durant l'état bloqué est : Kamel EL MELOUANI Page

9 En considérant que le régime permanent est atteint, l'énergie stockée dans l'inductance est donnée par : En conséquence, le courant traversant l'inductance est le même au début et à la fin de chaque cycle de commutation. Il advient donc : Soit : Après simplifications, nous pouvons réécrire cette équation de la façon suivante : Grâce à cette dernièree expression, on peut voir que la tension de sortie est toujours supérieure à celle d' 'entrée (le rapport cyclique variant entree 0 et 1), qu'elle augmente avec α, et que théoriquement elle peut être infinie lorsque α se rapproche de 1. C'est pour cela que l'on parle de survolteur. Par exemple, si on a un rapport cyclique α = 0.5 et une tension d entrée de 12V, on obtiendra en sortie une tension de 24V. Kamel EL MELOUANI Page

10 2. DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTS Dans cette partie, nous allons voir comment choisir les éléments qui permettent de constituer et d assurer le fonctionnement du système. Pour dimensionner les composants d un convertisseur, il faut connaître la puissance d entrée et la puissance de sortie souhaitée, le courant d entrée et le courant de sortie, ainsi que la tension d entrée. Pe = Puissance d entrée = 100W Ps = Puissance de sortie = 100W Ve = Tension d entrée = 12V Vs = entre 13.3V et 120V Ie = Courant d entrée = 10A Is = Courant de sortie = 1A Ie cosρ 8.3 A soit Iemax 2 Ie = 11.7 A. di = 15% afin de diminuer les pertes par hystérésis, di 0.15 Iemax 1.7 A. dvs = Vs Ve = = V DIMENSIONNEMENT DE L INDUCTANCE Le calcul de l inductance débute par le calcul du courant d entrée maximal. On impose la fréquence de découpage en haute fréquence et on vérifie si l ondulation de courant est correcte en basse fréquence. Après calculs, l inductance peut se trouver dans le marché ou bien être fabriquée. Pour notre cas, nous l avons conçu et nous vous présenterons comment nous y sommes parvenus CALCUL DE L INDUCTANCE On dimensionne L ainsi : die max L. α T..αmax Page 10

11 Après calcul, la self utilisée doit faire au minimum 877 µh dans notre cas. Une valeur plus importante permettrait de diminuer l ondulation. Sa valeur peut être testée à laide d un analyseur de spectre, qui permet entre autre de bien vérifier si elle tient en fréquence (abaque de Smith) CHOIX DU TORE Le tore choisi est un tore de chez Ferroxcube. Le matériau est le 3E25. Il permet de réduire les pertes à température élevée et sa fréquence d utilisation est comprise entre 10kHz et 100kHz ce qui correspond à notre application. Son AL = La référence de ce tore est Il faut également prévoir un tore avec un diamètre suffisamment grand pour faire passer le nombre souhaité de tours de fil (sachant que ce dernier est un fil de cuivre de diamètre 1 dans notre cas) CALCUL DU NOMBRE DE TOURS On a : L N² AL Avec L = inductance en mh N = nombre de tours AL = inductance du tore par tours carrés en nh/tr² On a alors : N (L AL) = ( / ) = 15 tours La self comptera donc 15 tours par enroulement. Page 11

12 2.2. DIMENSIONNEMENT DU CONDENSATEUR DE SORTIE On impose la fréquence de découpage en haute fréquence et on vérifie si l ondulation de courant est correcte CALCUL DE LA CAPACITE On dimensionne C : La charge fournie est donnée par : dq Is.α.T On admet une ondulation de tension dvs : dvs C Is.α..α CHOIX DU CONDENSATEUR Un condensateur de sortie de 47µF 400V suffit pour obtenir une tension de sortie continue acceptable CHOIX DES SEMI-CONDUCTEURS Comme nous l avons étudié précédemment, nous avons du choisir un MOSFET et une diode rapide CHOIX DE LA DIODE La diode utilisée doit être extrêmement rapide. Les pertes par recouvrements inverses sont générées par ses diodes, en conséquence, plus elles seront bonne, moins il y aura de pertes. Notre choix s est porté sur des diodes de chez IXYS. Ce sont des diodes peu coûteuses, très rapides (quelques ns). Page 12

13 CHOIX DU MOSFET Tension drain source = 120V, on choisira donc un modèle qui supportera une tension supérieure. Le transistor choisi doit pouvoir supporter à ses bornes la tension qui va lui être imposée, et doit également fonctionner à la fréquence désirée. Une des raisons d avoir choisi un MOSFET est sa fréquence de fonctionnement qui dépasse les 100kHz. Le MOSFET choisi est le STW40NF20 de chez ST Microelectronics. Le courant de drain maximal est de 40A, sa tension maximale est de 200V et enfin sa résistance à l état passant (Rdson) est de Ohms typique DRIVER Un driver a été rajouté, il s agit du TC1314N de chez MicroChip. Il s agit d un composant d aide à la commutation. Pour aider à la commutation du transistor étant donnée de l énergie importante à transférer, des circuits intégrés existent. Il s agit de drivers. Ils se connectent aux bases des transistors et envoie un courant suffisamment important pour assurer la commutation d un état ouvert/fermé à un état fermé/ouvert OPTOCOUPLEUR Afin d assurer l isolation galvanique entre la commande et la puissance, nous avons ajouté un optocoupleur en amont du transistor. Il s agit du HCPL2212 de chez Hewlett Packard. L alimentation des circuits intégrés : Le driver et l optocoupleur sont alimentés par une tension continue. En effet, il est nécessaire d alimenter l électronique qui compose le hacheur. Il faut penser à dimensionner ses alimentations, généralement en +15 V pour qu elles délivrent le courant souhaité (voir les documentations respectives). Dans notre cas, nous pouvons choisir de les alimenter en 12V, tension d entrée du hacheur. Page 13

14 Radiateur de dissipation : Afin de dissiper et d évacuer la chaleur émises par les semiconducteurs, il est souvent nécessaire de placer un radiateur de dissipation au dos de ceux-ci en y interposant de la pâte thermique. Circuit d aide à la commutation : Afin d aider le transistor à la commutation et de protéger contre les surtensions à l ouverture, il est possible d ajouter un circuit d aide à la commutation, composé d une diode en série avec une capacité et d une résistance en parallèle. Protection par fusible : Afin de protéger les composants et la carte, nous avons placé un fusible, dimensionné selon le courant circulant à l entrée et le courant à ne pas dépasser dans les composants. Pour notre carte, il s agit d un fusible 20A. Points de tests : Dans le but de faciliter la mise en œuvre et les tests sur la carte, il est intéressant, voir primordial, de prévoir des points de tests, placés judicieusement. Par exemple, pour tester le signal de commande, nous avons créé un point de test à l entrée de la commande, en sortie de l optocoupleur, puis à la sortie du driver. Routage : Le routage est une partie très importante. Voici quelques règles à respecter : Prendre en compte les contraintes CEM (éviter les boucles, les angles à 90, le placement des composants est important) Prendre en compte le courant qui traverse les pistes pour en déterminer la largeur de pistes (voir extrait de la norme UTE C en annexe) Aligner les semi-conducteurs sur le bord de carte pour placer le radiateur de dissipation, placer les connecteurs en bord de carte également. Les schémas de routage sont en annexe de ce rapport. Page 14

15 3. TESTS DE LA CARTE HACHEUR SURVOLTEUR Tension de sortie Tension d entrée Signal de commande MOSFET Figure 3 : Prototype réalisé 3.1. TEST DES TENSIONS D ENTREE ET DE SORTIE A l aide d un oscilloscope, on vérifie si la tension d entrée est correcte, et bien sûr, si la tension de sortie est celle attendue. Page 15

16 Figure 4 : Copie écran visualisation des tensions à l oscilloscope 3.2. TEST DES SIGNAUX On visualise les différents signaux suivants afin de vérifier le bon fonctionnement du système : - Commande (1) - Courant inductance (4) - Tension V DS (3) - Tension diode (2) Figure 5 : Copie écran visualisation des signaux à l oscilloscope TEST DE LA COMMANDE Nous avons bien le signal de commande désirée, il s agit d un signal carré, ici à fréquence constante et rapport cyclique fixe TEST DE LA TENSION DRAIN-SOURCE La tension drain source est complémentaire au signal de commande. Elle est nulle quand la diode conduit et négative quand la diode est bloquée. Page 16

17 TEST DE LA TENSION DIODE Nous pouvons remarquer que la tension diode est correcte, elle est complémentaire au signal de commande également : lorsque le transistor est commandé, la tension aux bornes de la diode est nulle, elle est bloquée ; lorsque le transistor n est pas commandé, la diode est passante, on a une tension à ses bornes TEST DU COURANT DANS L INDUCTANCE Lorsque le transistor est commandé, nous sommes dans une phase d accumulation d énergie, c est-à-dire que le courant dans l inductance augmente. C est ce que nous pouvons voir sur la figure ci-dessus, malgré le retard engendré. Lorsque c est la diode qui conduit, l inductance se décharge, et l énergie est transférée au condensateur de sortie. Nous voyons dans cette phase que le courant chute. Page 17

18 CONCLUSION Ce document a présenté la méthode à suivre pour dimensionner un hacheur survolteur ainsi que le protocole de test que nous avons appliqué en le commentant de ce qui est positif, négatif, de ce qui aurait pu être amélioré et de résultats. Ce protocole se veut un exemple pour les étudiants qui seront susceptibles de reprendre le projet ou une personne souhaitant travailler sur ce genre de carte de puissance. Page 18