TRAVAUX D APPLICATIONS EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

Transcription

1 TRAVAUX D APPLICATIONS EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Commande des transistors de puissance en commutation Réalisation d'un hacheur série DUT GEii 2 ème année Module AT13

2 Sommaire 1 Présentation But Principe Principes généraux à respecter pour le câblage : Règles essentielles pour le câblage Etude du générateur MLI Etude de la commande de grille du transistor MOSFET Etage push-pull Circuits d aide à la commutation (CALC) Etude de la commande de grille du transistor IGBT Réalisation de l'inductance de lissage Commande d un moteur à courant continu DOCUMENTS CONSTRUCTEURS

3 1 Présentation 1.1 But Mettre en œuvre des transistors de puissance Mosfet et IGBT dans une structure de hacheur série afin d étudier leur comportement en commutation. Etudier un circuit de commande éloignée (Générateur à Modulation de Largeur d Impulsions) et un circuit de commande rapprochée, adapté à la technologie de semi-conducteur utilisée. Dimensionner et réaliser l'inductance de lissage utilisée pour le hacheur série. Mettre en oeuvre la structure "hacheur série" ainsi réalisée dans un cas concret de commande de moteur. 1.2 Principe 60 V Isolation galvanique L Diode rapide BYT D Rch α Générateur à modulation de largeur d impulsions à fréquence fixe Circuit de commande rapprochée IRF 740 Détection de courant maximum atteint Mesure de I Non inductif 0v 1.3 Principes généraux à respecter pour le câblage : Par principe, le découpage est à l origine de variations rapides des courants et des tensions, et ceci de manière pas toujours contrôlée. Les dv/dt entraînent des perturbations via les condensateurs parasites (composants, radiateurs, ), alors que les di/dt peuvent conduire à la destruction par les surtensions créées par les inductances de câblage. Par exemple, un hacheur sous 300V commutant 10 A en 100 ns à travers 1 µh, devra supporter une surtension de 100 V, soit 400 V. Ces mêmes gradients sont à l origine de perturbations entre la carte de commande éloignée (génération du signal bas niveau), la carte de commande rapprochée (adaptation de ces signaux à la technologie) et le circuit de puissance

4 1.4 Règles essentielles pour le câblage 1 Câbler les alimentations en étoile : - ne pas mettre en commun des liaisons d alimentation entre les cartes de commande, - filtrer ces alimentations le plus près possible de «l appel de puissance». 2 Réduire au maximum les inductances des mailles soumises à de forts di/dt : - torsader les fils de la commande rapprochée, - réduire la surface de la maille «transistor-diode-condensateur de filtrage» pour le circuit de puissance du hacheur série

5 2 Etude du générateur MLI A l aide d un circuit spécialisé TL 494 (documentation ci-jointe), on désire réaliser un générateur à fréquence fixe dont la largeur des impulsions de sortie est modulable. (Rapport cyclique α variable à l aide d un potentiomètre de 4,7 kω) Cahier des charges : α min = 0,1 α max = 0,9 Fréquence = 20 khz Vcc = 15 V circuit spécialisé TL 494 (documentation en annexe) Travail demandé : Déterminer tous les éléments pour réaliser le générateur. Câbler les éléments sur une plaquette d essais. Mettre au point selon les spécifications. Remarque : prévoir l emplacement sur la plaquette d essai des différents modules 3 Etude de la commande de grille du transistor MOSFET 3.1 Etage push-pull La commande de grille doit réaliser l interface entre le modulateur TL 494 et la grille du Mosfet. Ceci revient à charger et décharger le condensateur d entrée du transistor à effet de champ. Remarque : Vérifier par le calcul (loi des mailles) que la mise en conduction et le blocage de notre interrupteur sont possibles. (V GSth, V GSmax,...) Pour cela on réalisera le montage suiveur représenté ci-dessous : 15 V 1 kω K Ω BC µ F TL 494 BC Ω MOS FET IRF

6 Mesures : Pour I Lmoyen = 4 A et α = 0,2 Relever les signaux Id(t), Vds(t) et Vgs(t) à l ouverture et à la fermeture. (les relevés de ces trois grandeurs devront être synchrones...) Mesurer la tension Drain-Source à l état passant V dson. Mesurer les temps de montée et de descente du courant. Faire varier la valeur de la résistance de grille et visualiser l'effet produit sur l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur de puissance. Interprétation : Commenter les allures des signaux, des différents temps, et préciser la tension de grille pour laquelle le Mosfet se met à conduire. Comment peut-on avoir une idée des pertes dans le Mosfet en fonction de la fréquence de commutation? A quoi sert le graphe «aire de sécurité» donné sur la documentation constructeur? (SOA Safe Operating Area)? 3.2 Circuits d aide à la commutation (CALC) Montage 1 : C IRF 740 D R C Faire les essais avec le circuit proposé en visualisant l allure de Id(t) et de Vds(t) pour I Lmoyen = 4 A et α = 0,2. Que peut-on déduire sur l effet et l utilité d un tel montage? Est-ce un CALC à l ouverture ou à la fermeture? Les valeurs de C et Rc sont-elles correctes? Si non, dimensionner les éléments de ce CALC. Montage 2 : Diode rapide BYT L D RL IRF

7 Faire les essais avec le circuit proposé en regardant l allure de Id(t) et de Vds(t) pour I Lmoyen = 4 A et α = 0,2. Que peut-on déduire sur l effet et l utilité d un tel montage? Est-ce un CALC à l ouverture ou à la fermeture? Les valeurs de L et R L sont-elles correctes? Si non, dimensionner les éléments de ce CALC (limiter di/dt à 1A/µs). 4 Etude de la commande de grille du transistor IGBT La commande du transistor IGBT est comparable à celle du MOSFET : on utilisera donc le montage précédemment étudié. L'objectif est de donner une idée des pertes par commutation et conduction dans le semiconducteur, et d'identifier l'importance du choix du type de diode. Mesures: Pour I Lmoyen = 4 A et α = 0,2 à l ouverture : relever les signaux Ic(t) et Vce(t) à l ouverture. En déduire à l'aide d'un calcul de surfaces une valeur approchée des pertes pour cette commutation. à la fermeture : Relever courant et tension dans la diode de roue libre dans les deux cas suivants : diode rapide et diode lente, avec et sans CALC à la fermeture, En déduire à l'aide d'un calcul de surfaces une valeur approchée des pertes pour cette commutation. en conduction : Observer la variation de V dson lorsque I Lmoyen varie de 1 à 4 A et la mesurer pour I Lmoyen = 4 A et α=0,2. Interprétation: Quelles sont les conséquences du recouvrement de la diode sur L IGBT? Conclure en donnant une idée des pertes dans l'igbt pour le point de fonctionnement demandé. Comparer les deux types d'interrupteurs rencontrés et préciser leurs domaines d'application. 5 Réalisation de l'inductance de lissage Cahier des charges : Ondulation maximale du courant dans l'inductance : I s = 15 % Courant moyen de sortie maximal I s = 4 A Fréquence de commande de l'interrupteur F = 20 khz Dimensionnement de l inductance : A partir de la documentation jointe (noyaux ETD) : - choisir le noyau nécessaire (on prendra B M = 0,3 T et J = 5 A/mm²), - calculer le nombre de spires, la section du fil de cuivre et l entrefer. On dispose du noyau ETD 49 ainsi que du fil de 0,75 mm² de section de cuivre ayant un diamètre extérieur de 1,5 mm : vérifier que le noyau convient et prévoir la longueur de fil nécessaire. L entrefer sera réparti sur les 3 jambes du noyau à l aide de 3 cales en plastique. Réaliser l inductance

8 Mesures : mesurer la valeur de l'inductance ainsi réalisée au pont de mesure d'impédance. mesurer l'ondulation du courant dans le cas le plus défavorable et dans les conditions précisées par le cahier des charges. 6 Commande d un moteur à courant continu On désire piloter à vitesse variable un moteur à courant continu à aimants permanents. 60 V Diode rapide BYT M IRF 740 O V Mesures sans inductance de lissage : Mesurer la plage de variation de la vitesse à vide en fonction de α. Tracer N=f(α) à vide. Relever U M (t), I M (t) et l ondulation de I M pour α = 0,5 et I M moyen= 2 A Mesures avec inductance de lissage : Relever U M (t), I M (t) et l ondulation de I M pour α = 0,5 et I M moyen= 2 A Faire un essai rotor bloqué pour voir l effet de la limitation de courant. Interprétation: Quelles sont les limites d un hacheur appelé «à 1 quadrant»? Quelles remarques peut-on faire sur l inductance de lissage, la fréquence de découpage - 8 -

9 7 DOCUMENTS CONSTRUCTEURS CIRCUITS DE COMMANDE TRANSISTORS DIODES TL 494 (MOTOROLA) IRF 740 (MOSFET INTERNATIONAL RECTIFIER) IXGP 10N50A (IGBT IXYS) BYT 08 PI 400 (SGS THOMSON) ESM (SGS THOMSON) TRANSISTORS DE COMMANDE BC 546 BC 556 (MOTOROLA) BD 792 (MOTOROLA) NOYAUX FERRITE Tableau d'aide au choix du noyau : Type Noyau S F (mm²) Bobinage Sb (mm²) Hauteur Fenêtre (mm) Largeur Fenêtre (mm) Longueur Spire (mm) A L sans entrefer nh/sp² A L 0,5 mm nh/sp² A L 1 mm nh/sp² ETD ,4 4, ETD 34 97, ,9 5, ETD ,7 6, ETD ,5 7, ETD ,7 8, ETD ,8 8, ETD ,2 8,

10 TL

11 - 11 -

12 - 12 -

13 - 13 -

14 - 14 -

15 - 15 -

16 - 16 -

17 - 17 -

18 - 18 -

19 - 19 -

20 - 20 -