Chapitre 3. Réalisation Pratique de l Onduleur Monophasé en Pont Complet

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1 Chapitre 3 Réalisation Pratique de l Onduleur Monophasé en Pont Complet 3. Introduction L essor de notre réalisation pratique est basé sur une connaissance théorique préalable qui permet de composer les différents circuits à partir d une expérimentation de test. D après les deux chapitres précédents on a pu avoir une idée sur le principe de fonctionnement de l onduleur monophasé en pont complet. Dans ce dernier chapitre, on va observer les différentes étapes de différentes parties de l onduleur avec du multiple essais.

2 3.2 Transistor à Effet de Champ de Puissance «MOSFET» 3.2. Introduction Le transistor MOSFET (Metal -Oxyde Semi-conducteur Field Affect Transistor) est un élément transconducteur, c est à dire un composant actif destiné à fournir une variation de courant circulant entre deux bornes Source (S) et Drain (D), à partir d une faible variation de tension appliquée sur un électrode de commande Grille(G) figure 3. ( a ). MOS D MOS D G D' G D' D UDS UDS UGS UGS D2 ( a ) S S ( b ) figure 3.. ( a ) schéma électrique du MOSFET ; ( b ) schéma de l élimination du diode interne. Ce transistors à effet de champ possède par construction une diode «D» en parallèle inverse mais cette dernier, elle a un temps de recouvrement lent. Notre utilisation de ce semi-conducteur nécessite un temps de recouvrement rapide, pour cela on branche une diode rapide «D» en antiparallèle avec le transistor «MOS» (voir figure 3. (b) ) et pour empêche la conduction de la diode lent intégrée «D» en branchant une diode rapide «D2» directe en série avec le transistor «MOS».

3 3.2.2 Critère de choix de l élément Semi-conducteur La figure 3.2 illustre la gamme des semi-conducteurs en fonction de la puissance et de la fréquence d utilisation elle, nous aide selon la puissance de notre convertisseur, et d autres paramètres à prendre en compte, à choisir le transistor MOSFET de puissance adéquat pour notre onduleur. P(w) 0e+7 0e+6 GT O MOS BJT IGB T 0e+4 o 0e+3 0e+4 0e+5 f (Hz) figure 3.2 L échelle des semi-conducteurs (interrupteurs) Commande d un transistor MOSFET L application d une tension U GS nulle ou négligeable entre la grille et la source provoque le blocage du transistor MOSFET, par contre une tension U GS positive permet le passage au l état de saturation du transistor MOS voir figure 3.3. I D état de conduction 0 v ID UGS U GS = O O (a) U DS O (b) 0 v U GS figure 3.3 caractéristiques d un transistor MOSFET. ( a ) caractéristique de sortie ; ( b ) caractéristique de commande.

4 3.2.4 Aire de sécurité d un transistor MOSFET L aire de sécurité fixe les limites de la tenue courant tension pour le drain d un transistor MOSFET qui sont définies par la figure 3.4. ID (log) IDmax ID 2 O 3 Vs UDS (log) figure 3.4 Aire de sécurité d un transistor MOSFET. : La limite du courant maximal I D. 2 : La limite de la puissance de dissipation maximale P MAX. 3 : La limite de la tension U DS maximale V S. Le courant en trait intérrempue limite l aire de sécurité pour un fonctionnement en régime impulsionnel d une durée de µs Phénomènes de commutation d un transistor MOSFET Les temps d enclenchement et de déclenchement du transistor MOS sont extrêmement courts (quelque dizaines de ns). La figure 3.5 (a) représente le montage d un transistor MOS sur une charge résistive pour la définition des temps de commutation, figure 3.5 (b) donnés par le constructeur.

5 U RG G RD D U DS Vaa 90% U DS U GS V dd U GS S 0% o Td(on) Tr Td(off) Tf t T on Toff r figure 3.5 Commutation d un transistor MOSFET. ( a ) Circuit de test ; ( b ) Allures des tension UGS et UDS. T d(on) : retard à l enclenchement ou temps de réponse. T r : temps de croissance d une impulsion. T on= T d(on) +T r. : temps total d établissement. T d(off) :retard au déclenchement. T f :temps de décroissance d une impulsion. T off =T d(off) +T f. : temps total de coupure. 3.3 Circuits d Alimentations 3.3. Alimentation des circuits d attaques Le montage d un circuit d attaque doit être alimenté par une tension stable de +5 v, pour ceci, on a choisi le circuit de la figure 3.6. ac V T.R P.D C Reg C +5V Vdd n figure 3.6 L alimentation du circuit d attaque.

6 3.3.2 L alimentation de circuit de commande L utilisation des circuits intégré nécessitent une alimentation régulée et stabilisé (la famille TTL exige une tension comprise entre 4.5 et 8v). la figure 3.7 montre le circuit qu on va utiliser pour avoir une tension de +5 v stabilisée. ac V T.R P.D C Reg C +5V Vcc n figure 3.7 L alimentation du circuit de commande. Pour les deux circuits : T.R : transformateur abaisseur. P.D : pont de Graetz. Reg : régulateur de tension. C : condensateur de filtrage. Pour le choix des éléments d alimentation voir annexe A. 3.4 Circuit d Attaque +Vdd +Vaa c Uc R O.P R' T T2 G CDG C GS D MO S S CDS figure 3.8 Schéma de principe du circuit d attaque d un transistor MOSFET.

7 La figure 3.8 représente le montage d un circuit de commande pur un transistor MOS avec isolation galvanique. L optocoupleur OP assure cette isolation entre la partie puissance et la partie commande, en cas de défaillance au niveau du circuit puissance (court-circuit, surtension ), le circuit de commande ne risque pas d être endommagé. Les deux transistors T (du type NPN) et son complémentaire T 2 (du type PNP) sont utilisés comme des interrupteurs de commande par l optocoupleur pour la charge et la décharge de la capacité d entrée C GS du transistor MOS formant ainsi un pont de push-pull. Le fonctionnement du circuit est le suivant : Quand le signale logique C est égale à O, l optocoupleur OP se bloque et le transistor T conduit ainsi que la capacité C GS se charge jusqu'à la tension +V dd, puit le transistor MOS devient conducteur. Lorsque le signale logique C sera égale à, l optocoupleur s amorce le transistor T 2 conduit, au moment du blocage du transistor T, la capacité d entrée C GS se décharge rapidement ainsi le transistor MOS se bloque. D après son principe de fonctionnement, on constate que l optocoupleur inverse les signaux au moment de leur transmission au pont de push-pull. On peut citer quelques avantages de ce montage : Circuit nettement plus simple. Consommation pratiquement négligeable. Organe d alimentation avec une seul tension auxiliaire positive. Pour le choix des éléments et les calcules voir annexe B.

8 3.5 Circuit de Puissance + Vs MOS D' MOS3 D' D D A B MOS2 D' MOS4 D' D D S S2 S2 S22 MODULATEUR EN LARGEUR D'IMPULSION ET LES CIRCUITS D'ATTAQUES figure 3.9 Schéma de principe du circuit de puissance du pont complet. Il se compose d une alimentation continue et de deux bras, chacun contient deux transistors MOSFET et des diodes «D» pour bloquer les diodes interne des MOSFET ainsi que les diodes «D» remplaçant celle qui sont propre au MOSFET Pour le bon fonctionnement de ce montage, il faut assurer deux fonctions essentielles : Eviter que les paires des transistors MOS dans le même bras qui fonctionnent en opposition, conduisent en même temps, ce qui provoquerait un court-circuit de l alimentation (Vs) et leurs propres destructions. Séparer galvanique ment le circuit de commande de celui de puissance. Pour le choix des éléments voir annexe C.

9 3.6 Circuit de Commande La commande des bras de notre onduleur va être base sur la programmation d une EPROM pour avoir des résultats remarquables L EPROM L EPROM est une composante active qui est base sur sa mémoire RAM, elle est destine à emmagasine des informations prêts a servire un système.la taille d une EPROM et ces adresse ainsi que ces sortie, caractérise les EPROM. On va utilise une EPROM «M27C64», qui contient 64Kbit l équivalent de 8Koct*8bit, pour notre programme de M.L.I on va injecte dans Koct pour avoir à la sortie les deux signe aux comme indique la figure 3.0. S S0 sortie de l'eprom 0 0 S 0 0 S0 0 0 Koct ( 024bits ) les adresses de l'eprom figure 3.0 Signal de M.L.I pendant une période. Pour le programme quand va utilise pour l injecte le résultat dans l EPROM, il est base sur la génération des trois signaux, la triangulaire et les deux sinusoïdales ainsi la comparaison entre eux, après cela il suffit de lire cette dernière à une fréquence adéquate

10 L organigramme suivant de la figure 3. éclair, cette programmation. Début Ftri = 50, Vtri = Fsin p = 50Hz, Vsin p = 0.8 Fsin n = 50Hz, Vsin n = -0.8 N = Koctet t = 0 Générer les signaux de la triangulaire et les deux rférences sinusoidales Appliquer la comparaison entre les réferences sinusoidales et la triangulaire Faire une concaténation des états des interrupteurs S et S2 dans un fichier t = 0.02 s Enregistrer le fichier résultat de S et S2 Transformer le fichier résultat en format binaire Tansferer le fichier dans une EPROM Fin

11 HORLOGE COMPTEUR EPROM vers MOS REMISE A ZERO INVERSSEUR vers MOS2 vers MOS 3 INVERSSEUR vers MOS 4 figure 3.2 Schéma synoptique du générateur de la M.L.I. Le schéma synoptique de générateur de la MLI est donné par la figure 3.2. Le fonctionnement de ce circuit est comme suit : L horloge donne une impulsion au compteur, il a transforme à l EPROM est commence à compter, elle fait sortir deux information et à l aide de l inverseur, chacune information, elle a son complémentaire pour attaquer un bras. Chaque fois que le compteur termine sa tournée et attaque tout les adresses, le bloc de remise à zéro initialise ce dernier. La fréquence de l horloge est calculée de façon à avoir la fréquence désirée à la sortie et lire la taille du programme dans l EPROM. Pour le choix des différents éléments et le calcules des paramètre voir l annexe D.

12 3.7 Circuit de Retard Le temps totale d établissement (T ON ) d un transistor MOSFET est toujours inférieure au temps totale de coupure (T OFF ). Si on veut amorcer un transistor et bloqué son complémentaire (de même bras) avec des impulsions opposé, le premier va s amorce pendant que le deuxième ne s est pas encore bloqué, pendant ce temps l alimentation (Vs) sera court-circuité. Il faut prés avoir un circuit qui retarde l amorçage d un transistor, ce qui donne le temps à son complémentaire d être bloqué. Pour cela, le temps de retard doit être supérieure à T OFF du transistor MOSFET plus le temps de la diode avec ce dernier en série (voir figure 3.3). MOS ( a ) MOS2 MOS ( b ) MOS2 figure 3.3 Chronogramme des signaux de commande. ( a ) Sans circuit de retard ; (b ) Avec circuit de retard.

13 On utilise un mono-stable (SN 7423 N) avec un circuit RC pour calculer (voir figure 3.4). Vcc Rt D Ct entre 2 SN 7423 N 4 sortie 3 8 figure 3.4 Schéma du mono stable plus le circuit RC. A chaque front montant à l entré du mono stable, celui ci délivre une impulsion de niveau bas de durée. Pour avoir le retard désiré, il suffit d ajouté des portes NAND par considération de l inversion des optocoupleurs, voir figure 3.5. Imp (EPROM) S' S S' SN 7423 N Q S' S' S2 SN 7423 N Q2 figure 3.5 Circuit de retard. La figure 3.6, éclairé le fonctionnement de ce dernier.

14 S' S' Q Q2 S' S'2 MOS MOS 2 figure 3.6 chronogramme des signaux de retard. Pour le choix des éléments et les calculs des paramètres voir annexe D. Pour le bronchement complet du circuit de commande avec le circuit de retard voir annexe F.

15 3.8 résultat expire mental Pour les paramètres choisie de la réalisation on a : Résistance de la charge Rch=26,9. Inductance de la charge L=0,673mH. La tension d alimentation Vs=42,4264V. figure 3.7. Forme d onde de la tension pour ftri=50hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique. figure 3.8. Forme d onde du courant pour ftri=50hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique.

16 figure 3.9. Forme d onde de la tension pour ftri=00hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique. figure 3.0. Forme d onde du courant pour ftri=00hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique.

17 figure 3.. Forme d onde de la tension pour ftri=250hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique. figure 3.2. Forme d onde du courant pour ftri=250hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique.

18 figure 3.3. Forme d onde de la tension pour ftri=500hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique. figure 3.4. Forme d onde du courant pour ftri=500hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique.

19 figure 3.5. Forme d onde de la tension pour ftri=000hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique. figure 3.6. Forme d onde du courant pour ftri=000hz. ( a ) resultat de simulation ; ( b ) resultat de la pratique. Remarque : On constate d après les formes des ondes de la tension et du courant de la charge pour des différents fréquences de la triangulaire, que notre prototype nous a donnée des résultats remarquable.

20 3.9 conclusion Les résultats pratiques sont les fruits de notre connaissance théorique dans l électronique de puissance qui affirme la fiabilité de notre onduleur en pont complet.