2012PFE Cassagne Cocaud DEE

Sujet : Conception dun hacheur Buck 200W 24V-12V

tudiants : CASSAGNE Antoine

COCAUD Jrmy

PolytechTours Dpartement lectronique et Systmes de lnergie lectrique

Du 12 Octobre 2011 au 24 Fvrier 2012

Enseignant encadrant : Mr Ambroise SCHELLMANNS

Projet de Fin dEtude 2012

CASSAGNE Antoine / COCAUD Jrmy - Ralisation dun hacheur Buck - Rapport de PFE 5ADEE

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Remerciements

Tout dabord, nous souhaitons remercier Mr Ambroise SCHELLMANNS, enseignant-encadrant de

notre projet de fin dtude, qui a permis quatre tudiants de travailler sur deux projets de fin dtude

dans le cadre du club Polytech Eco-Marathon suite la demande de plusieurs tudiants du club.

Nous tenons remercier aussi Mr Mathieu LESCIEUX, enseignant PolytechTours, et Mr Thierry

VIELLA, assistant ingnieur en lectronique PolytechTours, de stre intresss notre projet et de

nous avoir apport leur aide.

Nous remercions galement Marius ATTIVI, prsident du club Polytech Eco-Marathon et tudiant

en 4me

anne PolytechTours, Thomas QUINTON, ancien prsident du club Polytech Eco-

Marathon et tudiant en 5me

anne PolytechTours, pour leur aide, ainsi que lensemble des

membres du club.

Notre reconnaissance va galement Teddy BONNIN, tudiant en 5me

anne PolytechTours

galement, pour sa prcieuse aide pour le dimensionnement de notre inductance.

Enfin, nous remercions toutes les personnes travaillant au sein du Greman, anciennement Laboratoire

de Microlectronique de Puissance (LMP), pour leur disponibilit et tout particulirement Adelphe

CALDEIRA pour avoir pris de son temps pour nous avoir donn un coup de pouce pendant la finalit

de notre projet.


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Sommaire Remerciements ............................................................................................................................................................................................................... 3

Glossaire ......................................................................................................................................................................................................................... 5

Introduction .................................................................................................................................................................................................................... 6

I. Prsentation de lco-Marathon Shell ...................................................................................................................................................................... 7

I.1 Principe ............................................................................................................................................................................................................... 7

I.2 Catgories ........................................................................................................................................................................................................... 7

I.3 nergies .............................................................................................................................................................................................................. 7

I.4 Circuit 2012 ........................................................................................................................................................................................................ 8

II. Prsentation du club Polytech Eco Marathon ........................................................................................................................................................ 9

II.1 Description du club ........................................................................................................................................................................................... 9

II.2 Prototype ......................................................................................................................................................................................................... 10

III. Projet ...................................................................................................................................................................................................................... 11

III.1 Objectifs et contexte ...................................................................................................................................................................................... 11

III.2 Choix de la solution technologique .............................................................................................................................................................. 13

III.2.1 Choix de lautomate ............................................................................................................................................................................. 13

III.2.2 Schma thorique ................................................................................................................................................................................. 13

III.3 Fonctionnement du schma lectrique ......................................................................................................................................................... 15

III.3.1 Capacits dentre ................................................................................................................................................................................ 15

III.3.2 Alimentations ....................................................................................................................................................................................... 16

III.3.3 Driver de Mosfet .................................................................................................................................................................................. 16

III.3.4 Optocoupleurs ...................................................................................................................................................................................... 17

III.3.5 Relais .................................................................................................................................................................................................... 17

III.3.6 Capteur de courant .............................................................................................................................................................................. 18

III.4 Dimensionnement des composants .............................................................................................................................................................. 19

III.4.1 Mosfet ................................................................................................................................................................................................... 19

III.4.2 Diode..................................................................................................................................................................................................... 20

III.4.3 Optocoupleur ........................................................................................................................................................................................ 21

III.4.4 Capteur de courant ............................................................................................................................................................................... 21

III.4.5 Driver de Mosfet .................................................................................................................................................................................. 22

III.4.6 Alimentations rgules ........................................................................................................................................................................ 22

III.4.7 Rsistances de grille des Mosfets ....................................................................................................................................................... 22

III.4.6 Capacit de charge du driver ............................................................................................................................................................... 23

III.4.7 Inductance ............................................................................................................................................................................................ 24

III.5 Simulation ...................................................................................................................................................................................................... 25

III.6 Ralisation de la carte lectronique.............................................................................................................................................................. 27

III.8 Tests ............................................................................................................................................................................................................... 27

III.7 Tests ............................................................................................................................................................................................................... 28

III.9 Commande effectue..................................................................................................................................................................................... 30

III.10 Planning ....................................................................................................................................................................................................... 31

Conclusion .................................................................................................................................................................................................................... 32

Bibliographie ................................................................................................................................................................................................................ 33

Index des illustrations .................................................................................................................................................................................................. 34

Annexes ........................................................................................................................................................................................................................ 35


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Glossaire

Catia : Logiciel de conception assiste par ordinateur (CAO).

CPS : Conception de Produits et Systmes.

Greman : Groupe de Recherche en Matriaux, microlectronique, Acoustique, Nanotechnologiques.

(anciennement LMP).

Hydrogne : lment chimique de symbole H et de numro atomique 1.

Kicad : Logiciel libre de conception pour l'lectronique permettant le dessin de schmas lectriques et

la conception de circuits imprims.

Labview : Logiciel de dveloppement dapplications de la socit National Instruments

bas sur un langage de programmation graphique.

LMP : Laboratoire de Microlectronique de Puissance.

LT-Spice : Logiciel libre de conception pour l'lectronique permettant le dessin et la

simulation de schmas lectriques.

PFE : Projet de Fin dtude.

PIC : Peripheral Interface Controller. Microcontrleur qui intgre une mmoire de programme, une

mmoire de donnes, des ports dentre-sortie (numriques, analogiques, MLI, etc ) et une

horloge interne.

Pile combustible (PAC) : Pile servant la fabrication de l'lectricit se faisant grce l'oxydation

sur une lectrode d'un combustible rducteur (par exemple l'hydrogne)

couple la rduction sur l'autre lectrode d'un oxydant, tel que l'oxygne

de l'air.

Shell : Compagnie ptrolire anglo-hollandaise lorigine de la cration de la comptition

Eco-Marathon Shell.

Typon : Masque transparent sur lequel sont imprimes les pistes, dans une encre opaque aux

ultraviolets, afin de permettre la gravure d'un circuit imprim.


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Introduction

Dans le cadre du respect de la plante et de lenvironnement, lcole PolytechTours sinvestit dans

ltude dun prototype hydrogne participant la comptition Eco-Marathon Shell. Lcole a

propos deux sujets de projet de fin dtude sur ce prototype et, pour rester en phase avec loption

Energie & Environnement que nous tudions en 5me

et dernire anne dcole dingnieur, nous avons

choisi de faire notre projet de fin dtude sur lun des deux sujets proposs.

Notre principal objectif, pour ce projet de fin dtude, est de raliser un convertisseur DC/DC type

hacheur srie. Ce convertisseur doit avoir le meilleur rendement que lancien dj prsent dans le

prototype et tre le plus optimis possible (rendement, encombrement, poids, etc). Nous devons

tudier, simuler et enfin concevoir la carte lectronique ralisant la fonction demande.

Nous avons donc effectu notre projet de fin dtude au sein de lcole PolytechTours du 12 Octobre

2011 au 24 Fvrier 2012. Le laboratoire du CERER fut notre principal lieu de travail, le reste du temps

fut pass en salle de TP dlectronique de lcole. Deux autres tudiants de PolytechTours, Loc

GHIBAUDO et Pierre-Yves LE NAOUR en 5me

anne galement, ont ralis en parallle un autre

projet de fin dtude sur la pile combustible du prototype hydrogne de lcole. Nous avons ralis

156 heures de travail sur notre projet ainsi quune partie de notre temps libre. Afin doptimiser notre

temps de travail, nous nous sommes rpartis les tches de travail.

Dans une premire partie, nous allons parler de la comptition Eco-Marathon Shell 2012 Rotterdam,

aux Pays-Bas. Dans une deuxime partie, nous allons parler de lenvironnement de notre projet,

savoir le club Polytech Eco-Marathon de lcole PolytechTours. Et dans une troisime partie, nous

allons traiter de notre projet tape par tape, de ltude la conception.


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I. Prsentation de lco-Marathon Shell

I.1 Principe

L'co-marathon Shell est une comptition automobile annuelle organise par la compagnie

ptrolire Shell dont le but est de parcourir la plus longue distance avec un litre de carburant.

Cette comptition est rserve aux tudiants de tous les niveaux (du collge jusqu'aux grandes

coles) et de tous pays.

Le principe du Shell Eco-marathon est donc simple: concevoir et construire un vhicule

capable de parcourir la plus grande distance possible avec une quantit minimum de carburant,

tout en minimisant ses missions de CO2. Le but de ce projet nest pas dtablir de nouveaux records

de vitesse, ni de terminer la course en tte, mais de consommer le moins de carburant possible sur une

distance prdfinie.

Les vhicules utiliss sont des prototypes tudis et construits dans des structures scolaires ou

universitaires.

I.2 Catgories

Les vhicules se distinguent en plusieurs classes : les prototypes et les urban concepts.

La catgorie prototypes est gnralement reprsente par des vhicules trois ou

quatre roues dont les dimensions sont limites par un rglement : la

hauteur du prototype doit tre infrieure 1m. La conception de ces

vhicules est relativement libre.

La catgorie urban concepts se rapprochent d'une voiture et pouvant circuler en

agglomration. Le rglement leur impose des dimensions strictes,

quatre roues, un volant, un systme de freinage hydraulique et des

phares.

I.3 nergies

Les concurrents peuvent utiliser diffrentes nergies :

lectrique

o Solaire

o Hydrogne

o Batteries lectriques

Prototype

Urban concept


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Thermique

La performance de consommation est calcule en quivalence nergtique entre les diffrents

carburants (mesure par un joulemtre pour les vhicules solaires) et reprsente donc le rendement

propulsif du systme coupl l'efficacit du vhicule sur la piste.

I.4 Circuit 2012

Le Shell Eco-Marathon Europe 2012 se droulera cette anne Rotterdam, aux Pays-Bas, du 17 au

19 Mai 2012.

Adresse du circuit : Ahoy Rotterdam Ahoy-weg 10

3084 BA ROTTERDAM

Image 1 - Circuit 2012


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II. Prsentation du club Polytech Eco Marathon

II.1 Description du club

Le club Polytech Eco Marathon a pour but de mettre au point une voiture cologique pour participer

une comptition europenne : Shell Eco-Marathon Europe. Le club est compos de membres

motivs prt contribuer un projet pluridisciplinaire runissant informaticiens, lectroniciens et

mcaniciens.

Le club appartient lassociation BDE PolytechTours, de lcole PolytechTours, au mme titre que

les clubs Arfit ou 4L Trophy par exemple.


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II.2 Prototype

Le prototype hydrogne 2011, ne rpondant plus aux normes du rglement de lEco-Marathon

Shell, ne participera pas lpreuve de cette anne. Le club Polytech Eco-Marathon a donc investi

dans un nouveau chssis, en fibre de verre, rpondant aux nouvelles

normes. Il permettra davoir un gain de place dans la partie arrire du

prototype ce qui permettra une meilleure maintenance. Lhabitacle du

pilote sera lui aussi nettement plus grand pour un meilleur confort et une

meilleure visibilit.

Pour un problme de cot, le nouveau chssis ne sera pas en fibre

de carbone mais en fibre de verre. La fibre de carbone possde une

meilleure masse volumique, une meilleure rsistance en traction et

une meilleure limite lastique que la fibre de verre mais son cot est

4 fois plus lev que la fibre de verre. Cest sur ce dernier critre

que le choix a t fait.

Image 2 - Prototype 2011

Image 3 - Prototype 2012 (Modlis sous Catia)


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III. Projet

III.1 Objectifs et contexte

Le but de ce PFE est de concevoir un convertisseur DC/DC type hacheur srie pour le nouveau

prototype hydrogne de lcole PolytechTours. Cette carte lectronique est situe entre la pile

combustible et le moteur. Elle devra avoir un meilleur rendement que lancien convertisseur prsent

sur lancien prototype de lcole et lencombrement devra tre rduit.

Le convertisseur DC/DC est un hacheur srie (Buck) de 200W. En entre, il doit recevoir 24VDC de

la pile combustible et, en sortie, doit fournir une tension continue de 0V 24V selon la consigne

demande. La carte lectronique doit aussi assurer lalimentation des lments extrieurs, cela

comprend les autres cartes lectroniques la voiture (carte de scurit, carte de gestion de la pile, etc).

Lancien prototype possdait un systme de commande moteur complexe et trs encombrant. Il tait

quip dun moteur roue (aucune roue libre) et tait command via un automate CompactRIO trs

encombrant et lourd qui rajoutait une difficult de plus pour la maintenance car lespace est trs limit.

De plus, lautomate tait programm avec le logiciel Labview. La chaine de conversion de lnergie de

lancien est reprsente sur lImage 2.

Image 4 - Chaine de conversion de l'nergie du prototype 2011

Le nouveau prototype possdera un moteur Maxon courant continu. Nous naurons plus le

controller de lancien prototype mais la place, nous connecterons directement le convertisseur

DC/DC au moteur. Nous diminuons donc les pertes en supprimant cet tage.

Un autre groupe dtudiants, constitu de Loc GHIBAUDO et de Pierre-Yves LE NAOUR en

5ADEE, travaillent sur la pile combustible. Le groupe de CPS en lectronique travaille, quant lui,

sur le PIC.


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Sur lImage 5, on peut voir o se situe notre projet dans la chaine de conversion de lnergie du

prototype 2012.

Avec tous les membres du Marathon Shell, nous avons dcid dun cahier des charges pour chaque

carte lectronique.

Cahier des charges rcapitulatif :

Tension dentre : 24VDC

Tension de sortie variable : 0 24VDC

Alimenter le composant grant la commande (automate, PIC, compactRIO, )

Fournir une tension de 12V la PAC

Charge : moteur courant continu de 200W

Rendement > 90%

Faible encombrement

La finalit de ce projet est de pouvoir participer la comptition Eco-Marathon Shell 2012

Rotterdam, Pays-Bas, se droulant du 17 au 19 Mai 2012.

Image 5 - Chaine de conversion de l'nergie du prototype 2012


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III.2 Choix de la solution technologique

III.2.1 Choix de lautomate

Avec le groupe de CPS, nous avons choisi dutiliser un microcontrleur pour commander le Buck

pour son faible encombrement et sa faible consommation nergtique. Aprs avoir envisag de le

mettre sur la mme carte que le Buck, nous avons opt pour le placer sur une carte spare. Il sera

ainsi plus simple de tester, valider et amliorer le fonctionnement de chaque partie.

Nous pouvons donc ajouter au cahier des charges du Buck :

lalimentation du PIC en 5V

lisolation de la partie puissance et de la partie commande (optocoupleur) afin de protger la

partie commande en cas de dfaillance.

III.2.2 Schma thorique

La pile fournit une tension continue de 24V. En sortie, le moteur possde une tension nominale de

24V. Le convertisseur est donc un simple abaisseur de tension.

Image 6 - Fonctionnement d'un hacheur srie

Ce montage est relativement simple. Notre projet consiste donc dimensionner au mieux les

composants pour avoir un rendement optimal.


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Il existe diffrentes mthodes pour lamliorer. Nous pouvons remplacer la diode de roue libre D ,

par un autre transistor MOSFET canal N. En effet, les diodes ont une chute de tension leurs bornes

lorsque celles-ci sont passantes (0,3V pour une bonne Schottky). Lorsque les Mosfets sont passants,

leur principale perte se situe dans leur rsistance srie (Rdson), qui est de lordre de 10m. Le courant

nominal du moteur tant de 10 ampres, nous pouvons esprer une rduction des pertes de 3 watts.

Le schma thorique est le suivant :

Image 7 - Buck synchrone thorique

Le Mosfet Q2 doit tre command lorsque Q1 est bloqu. Si les deux sont commands en mme

temps, nous crons un court-circuit entre la masse et le 24V ce qui est trs destructeur. Nous devons

donc laisser un temps mort entre le passage de Q1 passant Q2 passant.

Nous navons pas mis de capacit en sortie de notre Buck. En effet, nous asservissons notre systme

en courant, la tension aux bornes du moteur na donc pas besoin dtre fixe. Un condensateur possde

une rsistance srie, il est donc intressant de ne pas en mettre.

Q1

Q2

Moteur

Vs

E


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III.3 Fonctionnement du schma lectrique

Le schma final est en Annexe (Image 22).

III.3.1 Capacits dentre

La premire partie du schma est le filtrage de la tension en sortie de pile. En effet, la PAC peut avoir

des chutes de tension lors dun gros appel de courant. Cest pourquoi, nous devons mettre des

capacits en entre de notre carte pour maintenir une tension constante. Si la tension de la pile

devient infrieure la tension de ces capacits, elles pourraient se dcharger dans la PAC. Cest

pourquoi nous mettons une diode avant ces dernires.

Image 8 - Capacits d'entre


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III.3.2 Alimentations

Comme dit prcdemment, notre carte lectronique doit fournir une alimentation 12V et une

alimentation 5V isole. Nous utiliserons des alimentations dcoupages que nous dimensionnerons

plus tard.

Image 9 - Alimentations rgules

III.3.3 Driver de Mosfet

Le driver de Mosfet permet de commander un Mosfet qui na pas sa source la masse du montage.

Nous appelons cela une alimentation flottante . De plus, la grille du Mosfet provoque un fort appel

de courant pour charger ces capacits parasites. La sortie dun microcontrleur ne suffit souvent pas.

Nous avons besoin dun driver double sortie pour commander les deux Mosfets.

Image 10 - Driver de Mosfet


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III.3.4 Optocoupleurs

Nous avons besoin disoler la partie commande de la partie puissance. Pour cela, nous utilisons des

optocoupleurs. Nous avons donc deux masses bien distinctes dans notre carte. La premire : la masse

AGND qui est la masse de puissance et la masse de la pile. Ainsi que la masse DGND qui est la masse

de commande et de lalimentation 5V.

III.3.5 Relais

Avant de mettre sous tension le convertisseur, nous devons vrifier que les conditions ncessaires

soient runies : pas dhydrogne dans lhabitacle, pas darrt durgence enclench, bon

fonctionnement du PIC etc. Une fois cela effectu, le PIC envoie lordre de fermer les relais. Ces

derniers sont aussi ncessaires pour couper lalimentation en de prsence dhydrogne ou darrt

durgence enclench.

Sortie PIC

Entre driver

Image 11 - Optocoupleur

Image 12 - Relais


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III.3.6 Capteur de courant

Notre asservissement tant en courant, nous devons le mesurer et renvoyer cette information au PIC.

Image 13 - Capteur de courant


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III.4 Dimensionnement des composants

III.4.1 Mosfet

Pour le choix des transistors, nous avons opt pour des transistors Mosfet.

On a choisi une frquence de 20kHz car cest inaudible et on a le moins de pertes par commutation.

Pour le choix de nos Mosfets, nous devons dterminer la tension inverse maximale quils devront

supporter, ainsi que le courant nominal les traversant.

Notre montage est un Buck avec une tension dentre de 24V. La tension maximale leurs bornes ne

dpassera donc pas 24V.

Le courant nominal du moteur est de 10A, mais peut tre largement dpass en cas de long

dmarrage. Par scurit, nous prendrons un courant maximum de 20A.

Le dernier critre qui intervient est la Rdson du Mosfet. En effet, elle influence directement la chute

de tension ses bornes et donc le rendement du montage. Nous choisirons donc un Mosfet ayant la

plus petite Rdson.

Avec un coefficient de scurit, nous choisirons un Mosfet denviron 30A pour 30V. De plus, nous

avons la possibilit de mettre en parallle deux Mosfets pour diviser leur Rdson par 2 et leur courant

nominal.

Voici les rfrences et les caractristiques des transistors retenus :

STD40NF03LT4 :

30V-40A

Rdson=9m

2SK4043LS :

30V-20A

Rdson=16m


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Calculs des pertes thoriques dans les Mosfets :

2SK4043LS :

Pertes en conduction : Pcond = Rdson.(I) avec Rdson = 16m

= 16.10-3

*(20)

= 6,4W

Pertes en commutation : Pcommut = (tr + tf).V.I.fd avec I = 20A ; fd = 20kHz ; tr = 190ns ; tf = 280ns

= (190.10-9

+ 280.10-9)*24*20*20.10

3

= 4,5W

Pertes totales : Ptot = Pcond + Pcommut

= 10,9W

STD40NF03LT4 :

Pertes en conduction : Pcond = Rdson.(I) avec Rdson = 9m

= 9.10-3

*(20)

= 3,6W

Pertes en commutation : Pcommut = (tr + tf).V.I.fd avec I = 20A ; fd = 20kHz ; tr = 165ns ; tf = 25ns

= (190.10-9

+ 280.10-9)*24*20*20.10

3

= 1,8W

Pertes totales : Ptot = Pcond + Pcommut

= 5,4W

III.4.2 Diode

Pour le dimensionnement de la diode en entre du Buck, nous devons nous servir du courant nominal

et trouver une diode ayant la chute de tension la plus faible. Nous prendrons donc une diode Schottky.

I=30A.

Rfrence : STPS60L30CW

Vfmax= 380mV

I=30A

Pd=4w


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III.4.3 Optocoupleur

Les optocoupleurs ont t emprunts au Greman, ce sont des TIL111.

III.4.4 Capteur de courant

Les 4A CPS ont tout dabord command un capteur LEM HTFS 200. Ce capteur est de type effet hall

et permet de passer un cble dans sa boucle.

Image 14 - Capteur LEM HTFS 200

Cependant, il a un courant nominal de 200A. Il faut donc faire 10 spires lintrieur de cette boucle.

En testant ce capteur, nous nous sommes aperu que sa plage de tension de sortie est de 1V pour un

courant de 0 20A et 10 spires. Ceci nest pas trs prcis.

Nous avons test le capteur de lancienne carte de puissance du marathon Shell. Le capteur LEM

HY15-P. Celui-ci est aliment en +15V -15V. Nous ne disposons pas de ces alimentations mais nous

testons de crer une masse virtuelle en mettant 2,5V sur le 0V du capteur, 5V sur le +15V et 0V

sur le -15V. Nous obtenons une tension de sortie de 1,3V. Ce qui est dj meilleur que lautre capteur

de courant. De plus, ce capteur ne consomme que 10mA contre 20mA pour le HTFS200. Nous

dcidons donc dutiliser ce capteur. Il faut crer une tension de 2,5V :

5V

2,5V

Dans ce montage, nous calculons la valeur de la diode

zener. Vz=Vbe+2,5V=3,2V

Puis nous dterminons la rsistance R12 en fonction

du courant nominale de la diode zener (nous

ngligeons le courant dans la base du bipolaire)


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III.4.5 Driver de Mosfet

Nous avons besoin dun driver double sorties pour commander les deux Mosfets. Nous avons choisi

le driver IR2011 qui a deux sorties et deux entres. Chaque entre commande un Mosfet, nous

pouvons ainsi optimiser les temps morts entre chaque phase. De plus, ce driver inclut une protection

qui empche que les deux Mosfets soient commands en mme temps.

III.4.6 Alimentations rgules

Nous devons fournir du 5V et du 12V.

Le 12V alimentera les lectrovannes, les Bucks de la carte de gestion de la pile, le driver IR2011 et

les optocoupleurs. Cette consommation reprsente environ 1,5A. Nous avons dcid de prendre le

Traco TEN 20-2412WI ayant un courant de sortie de 1,6A.

Le 5V isol alimentera tous les PICS, les divers lments extrieurs (volant, lectroniques daffichage

etc). Nous avons estim cette consommation 2,5A. Nous avons donc command le Traco THN 15

2411 WI. Ces composants ont un rendement de 85%.

III.4.7 Rsistances de grille des Mosfets

Nous avons dimensionn les rsistances de grille pour deux Mosfets diffrents. En effet, chaque

rsistance doit tre bien dimensionne pour optimiser lamorage des transistors. Une rsistance trop

leve ferait commuter le transistor trop lentement et une trop faible crerait un fort appel de courant

dans la grille.

STD40NF03LT4 :

Vgs(t) = (1 -

).Vcc avec : Vcc = 10V tension de commande de la grille

= Rg.Cissoff Cissoff = 1440pF pour VDS = 15V

(datasheet)

Rg =

avec : t = 45ns (avec f = 20kHZ max = 0,9)

Vgs(t) = 1V (datasheet)

Rg = 296,6 Rg = 300


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2SK4043LS :

Vgs(t) = (1 -

).Vcc avec : Vcc = 10V tension de commande de la grille

= Rg.Cissoff Cissoff = 3000pF pour VDS = 20V

(datasheet)

Rg =

avec : t = 45ns (avec f = 20kHZ max = 0,9)

Vgs(t) = 1,3V (datasheet)

Rg = 107,7 Rg = 110

III.4.6 Capacit de charge du driver

La capacit de charge du driver permet de stocker de lnergie pendant la phase de roue libre du

Buck pour la rutiliser pendant la phase de charge. Cette tape nest ncessaire que pour un

Mosfet nayant pas sa source la masse du montage. Dans notre cas, la capacit de charge sera

utile seulement pour le Mosfet Q1. Il est donc impossible davoir un rapport cyclique de 100% car

il ny aurait plus de charge de cette capacit.

Si cette capacit est trop petite, elle sera dcharge trop vite et le rapport cyclique sera limit.

La capacit de sortie du driver a t dimensionne pour deux types de Mosfets diffrents.

STD40NF03LT4 : Ciss = 1440 pF

Lnergie stocke dans le condensateur doit tre suprieure au Ciss du Mosfet. Selon la datasheet, le

Ciss du MOS est de 1440 pF. Par prcaution nous prendrons le double de cette valeur.

Au moment de la commutation, le potentiel VDS est UPAC soit environ 24V. Lnergie ncessaire pour

rendre le transistor passant slve :

WMOS =

WMOS =

WMOS = 829 nJ

Il nous faudra donc un condensateur capable dapporter cette nergie avec un potentiel ses bornes

de Vcc. Voici donc la valeur minimale du condensateur permettant la commutation du MOS.

C =

C =


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C = 12 nF

2SK4043LS : Ciss = 3000 pF

Lnergie stocke dans le condensateur doit tre suprieure au Ciss. Selon la datasheet, le Ciss du MOS

est de 3000 pF. Par prcaution nous prendrons le double de cette valeur.

Au moment de la commutation, le potentiel VDS est UPAC soit environ 24V. Lnergie ncessaire pour

rendre le transistor passant slve :

WMOS =

WMOS =

WMOS = 1,7 J

Il nous faudra donc un condensateur capable dapporter cette nergie avec un potentiel ses bornes

de Vcc. Voici donc la valeur minimale du condensateur permettant la commutation du MOS.

C =

C =

C = 24 nF

III.4.7 Inductance

Le dtail des calculs de dimensionnement de linductance se trouve en Annexe. (Annexes,

Dimensionnement de linductance).

On peut retrouver les caractristiques principales dans le Tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1 - Dimensionnement inductance ETD59


25

2011 / 2012

Nous avons test notre inductance avec un analyseur dimpdance. Limage est en annexe. Nous avons

une inductance mesure a 87uH et une resistance srie de 78m.

Rendement thorique :

Perte=Pmos+Pdiode+PL=2x5,4+4+3=18watts

Nous avons donc un rendement thorique de 91%

III.5 Simulation

Nous pouvons dsormais simuler notre montage afin de valider son fonctionnement et dterminer les

pertes envisageables. Nous avons utilis le logiciel LT-Spice, qui est gratuit. Nous avons intgr

chaque paramtre de nos composants dtermins prcdemment.

Lorsque nous ne rgulons pas le courant dans le hacheur, nous avons un fort appel de courant dans le

moteur. Car en effet, au dmarrage, le FEM du moteur tant nulle et la rsistance srie du moteur tant

trs faible, notre courant appel atteint la valeur de 110A. Il est impratif de rguler ce courant au

dmarrage. Avec le retour du capteur LEM, nous pourrons raliser cette fonction.

Image 15 - Simulation LT-Spice


26

2011 / 2012

Aprs rgulation, notre courant est croissant jusqu ce quil atteigne 20A.

Le rendement de notre montage est de 89%. Les principales pertes rsident dans la diode dentre, les

Mosfets et linductance.


27

2011 / 2012

III.6 Ralisation de la carte lectronique

Nous avons ralis la carte lectronique correspondant au schma final Annexe, Image 22. Nous

avons utilis le logiciel Kicad, qui est une application gratuite. Le routage doit respecter quelques

rgles de conceptions. Les pistes de puissance doivent supporter 20A. Nous avons donc utilis une

largeur de piste minimale de 7mm pour ces dernires. Les autres pistes nont pas rgles particulires,

mais ne doivent pas dpasser 1mm si ce nest pas possible de faire plus.

III.8 Tests

Nous avons ralis cette carte lIUT GEII de TOURS, que nous tenons remercier.

Partie puissance

Partie commande

Image 17 - Layout


28

2011 / 2012

III.7 Tests

Lorsque nous avons voulu tester notre carte, il nous manquait le rgulateur 12V. Nous avons donc

utilis une alimentation extrieure. Le driver IR2011, nous avons donc utilis un driver IR2122 qui ne

peut commander quun seul Mosfet. Nous avons donc utilis une diode Schottky comme roue libre.

Tout dabord nous utilisons une self de 1mH et un Mosfet IRLI 3705N ayant une Rdson de 10m

Ventre Ientre

20,2V 6,4A

Vs Is

16,5V 6,6A

Le rendement est donc de 84,2%

Image 18 - Vgs et la la commande MLI


29

2011 / 2012

Image 19 - Commande MLI et IL

Nous testons maintenant avec notre self de 87uH.

Ventre Ientre

20,21V 6,4A

Vout Iout

16,8V 6,64A

Le rendement est de 86,2%

Nous observons une amlioration due notre inductance qui est dimensionne spcialement pour

notre application.

Nous navons pas eu le temps de tester notre carte son rgime nominal de 10A.

Nous avons test le moteur vide : Les pertes vides sont de 4 watts. Le rendement du montage tait

de 74%.

Cependant, les tests sont concluants et nous pouvons encore esprer une amlioration du rendement

en rgime nominal. De plus, quand le driver de Mosfet sera arriv, les 4A pourront tester de faire

fonctionner le Buck en synchrone et donc utiliser un autre Mosfet la place de la diode Schottky. Il y

aura encore un gain de 3 4 watts.


30

2011 / 2012

III.9 Commande effectue

Le cot de la commande ncessaire pour raliser notre projet slve 128,76 . Nous avons utiliss

les rsistances et les condensateurs du Greman.

Image 20 - Commande totale du PFE


31

2011 / 2012

III.10 Planning

Dates cls du projet :

Runion le 17 Octobre 2011 13H30 avec M. SCHELLMANNS.

Runion le 18 Octobre 2011 avec CPS lec, M. SCHELLMANNS et Mme. BATUT.

Runion le 19 0ctobre 2011 avec Thomas QUINTON et CPS lec.

Runion le 15 Dcembre 2011 avec CPS lec.

Runion bilan davancement de projet le 18 Janvier 2012 avec M. SCHELLMANNS,

Adelphe CALDEIRA et Sbastien JACQUES.

Rception le 25 Janvier 2012 dune partie de la commande effectue.

Validation de fonctionnement de la carte lectronique le 23 Fvrier 2012.

Remise du rapport de projet de fin dtude le 24 Fvrier 2012.

Soutenance du projet de fin dtude le 07 Mars 2012.

Les objectifs du projet ont t atteints dans les derniers jours mais le cahier des charges a t

respect.

Image 21 - Planning PFE


32

2011 / 2012

Conclusion

Le projet a t men bien dans les tout derniers jours mais cela ntait pas une certitude il y a encore

quelques semaines. Nous avons su nous rpartir habilement les tches pour russir terminer le projet

dans les temps. Lautogestion, le travail dquipe et lautonomie qui nous tait laisse seront

bnfiques pour notre avenir. Nous avons pu dcouvrir de nouveaux outils informatiques, comme

Kicad, et nous perfectionner dans dautres, comme Orcad. De plus, le suivi des projets via le club

Polytech Eco-Marathon de lcole nous a permis de laisser une trace de notre travail afin que les

tudiants des annes suivantes puissent reprendre et perfectionner le projet facilement. Nous avons pu

remettre nos travaux du club, Marius ATTIVI, toutes les datasheets utiles, nos divers comptes-rendus,

les schmas lectriques et notre rapport de pfe. Toutefois, on peut regretter le temps dattente dans la

commande des composants et un rseau internet dfaillant qui nous ont freins dans lavancement du

projet.

Durant cette priode de projet, nous avons aussi travaill en collaboration avec diffrents groupes

dtudiants sur un mme projet. Cela nous a permis de voir toutes les difficults que cela peut

engendrer et cela nous a oblig nous adapter pour travailler en quipe. Il est noter que le groupe de

pfe qui travaillait en parallle sur la pile combustible a galement russi remplir les conditions du

cahier des charges de leur projet dans les temps.

Le thme des prototypes hydrogne est dans la continuit de loption nergie et Environnement que

nous avions choisi pour notre 5me

et dernire anne lcole PolytechTours. De plus, nous avons pu

mettre en pratique une partie des cours que nous avons suivis lcole, ce qui nous a grandement aid.

La comptition Eco-Marathon Shell est une belle aventure laquelle nous avons la chance de

participer pendant deux annes, en 3me

et 4me

anne dcole dingnieur. Cet vnement nous a

permis de dcouvrir diffrentes cultures de toute lEurope et dchanger avec de nombreux tudiants.

Apprendre langlais reste un des objectifs pour qui souhaite devenir ingnieur et cet vnement a

contribu mieux matriser cette langue. Ainsi, nous souhaitons un maximum de russite la nouvelle

quipe qui participera ldition 2012 ainsi que toutes celles qui suivront.


33

2011 / 2012

Bibliographie

Site du club Polytech Eco-Marathon :

http://www.wix.com/polytechtours/ecomarathonshell#!

Ferrites ferroxcube : http://www.ferroxcube.com/appl/info/HB2009.pdf

Epcos, Ferrites and accessories ETD59/31/22 :

http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_07/etd_59_31_22.pdf

Site des manuels de formation Altium Designer : http://www.altium.com/training/fr/manuals-

and-downloads.cfm

Site de Thierry Lequeu : http://www.thierry-lequeu.fr

Site de lEco-Marathon Shell :

http://www.shell.com/home/content/ecomarathon/europe/2012_rotterdam/

Rglement de la comptition Shell Eco-Marathon 2012 :

http://www-

static.shell.com/static/ecomarathon/downloads/2012/SEM_global_Rules_2012_chapter_I.pdf

Tutoriel Kicad auteurs : Renie S. Marquet Mitch Bradley : www.kicadlib.org/Fichiers/Tutorial_Kicad_FR.pdf


34

2011 / 2012

Index des illustrations

Image 1 - Circuit 2012 ........................................................................................................................8

Image 2 - Prototype 2011 .................................................................................................................. 10

Image 3 - Prototype 2012 (Modlis sous Catia) ............................................................................... 10

Image 4 - Chaine de conversion de l'nergie du prototype 2011 ......................................................... 11

Image 5 - Chaine de conversion de l'nergie du prototype 2012 ......................................................... 12

Image 6 - Fonctionnement d'un hacheur srie .................................................................................... 13

Image 7 - Buck synchrone thorique ................................................................................................. 14

Image 8 - Capacits d'entre .............................................................................................................. 15

Image 9 - Alimentations rgules ...................................................................................................... 16

Image 10 - Driver de Mosfet ............................................................................................................. 16

Image 11 - Optocoupleur .................................................................................................................. 17

Image 12 - Relais .............................................................................................................................. 17

Image 13 - Capteur de courant .......................................................................................................... 18

Image 14 - Capteur LEM HTFS 200 ................................................................................................. 21

Image 15 - Simulation LT-Spice ....................................................................................................... 25

Image 16 - Appel de courant au dmarrage........................................................................................ 25

Image 17 - Layout ............................................................................................................................. 27

Image 18 - Vgs et la la commande MLI............................................................................................. 28

Image 19 - Commande MLI et IL ...................................................................................................... 29

Image 20 - Commande totale du PFE ................................................................................................ 30

Image 21 - Planning PFE .................................................................................................................. 31

Image 22 - Schma complet .............................................................................................................. 35

Image 23 - Choix de l'entrefer et du type de noyau (RM/1) ................................................................ 36

Image 24 - Choix du matriau en fonction de la frquence ................................................................ 37

Image 25 - Choix de l'entrefer et du type de noyau (ETD) ................................................................. 37

Image 26 - Coefficient dinductance et permabilit effective sans entrefer (ETD) ............................ 38

Image 27 - Longueur effective (ETD) ............................................................................................... 38

Image 28 - Champ de saturation (ETD) ............................................................................................. 39

Image 29 - Coefficient dinductance et permabilit effective avec entrefer (ETD) ............................ 39

Image 30 - Al et e en fonction de Air gap en mm (ETD).................................................................. 40

Image 31 - Inductance mesure l'analyseur d'impdance ................................................................. 42


35

2011 / 2012

Annexes

Schma lectrique

Image 22 - Schma complet


36

2011 / 2012

Dimensionnement de linductance

Courant dans la charge :

I =

avec : P = 200 W

U = 24V

I 10 A

Calcul de linductance :

i < 1,5 A (15% de I)

i =

avec : Ve = 24V

f = 20 kHz

= 0,5

L =

A.N : L =

L = 200 H

LTotal = L Lmoteur avec : Lmoteur = 100 H (daprs datasheet

moteur)

A.N : LTotal = 200.10-6

100.10-6

LTotal = 100 H

Calcul de LI2max :

L.I2max = 100.10

-6 * (20)

L.I2max = 0,04 J

partir de cette tape, nous avons le choix entre diffrents types de noyau pour notre inductance.

Notre choix va se limiter deux types de noyaux : la gamme des RM/1 et la gamme des ETD

Image 23 - Choix de l'entrefer et du type de noyau (RM/1)


37

2011 / 2012

Choix du type de noyau :

Daprs lImage 10, on peut voir que la

gamme des RM/l ne convient pas.

.

Calcul de lentrefer (Air gap) :

Daprs lAbaque 3, on peut dterminer lentrefer.

ETD59 2 mm

ETD54 3 mm

Nous choisirons comme type de noyau : ETD59 car il est prfrable

davoir le minimum dentrefer.

Daprs lAbaque 2, nous pouvons choisir le type de matriau.

Nous avons le choix de matriaux suivant :

3C96

3C94

3C90

Nous avons choisi de prendre le matriau 3C90 pour la simple et

bonne raison que nous avons pu rcuprer uniquement les

caractristiques de ce matriau. Lquivalent du 3C90 chez le

fabricant epcos est le N87.

Image 24 - Choix du matriau en fonction de la frquence

Image 25 - Choix de l'entrefer et du type de noyau (ETD)


38

2011 / 2012

Calcul du nombre de spires sans entrefer :

Daprs lAbaque 4, on retrouve la valeur du coefficient dinductance sans entrefer ainsi que la

permabilit effective : AL = 6000 nH ; e = 1800

Image 26 - Coefficient dinductance et permabilit effective sans entrefer (ETD)

LAbaque 5, quant lui, nous donne la longueur effective : le = 70 mm

En utilisant la relation N =

, on

obtient le nombre de spires pour notre

inductance.

A.N : N =

N 4,08

N = 4 spires

Image 27 - Longueur effective (ETD)


39

2011 / 2012

Calcul du champ magntique sans entrefer :

Bmax = BDC + BAC

Bmax =

+

avec : o = 4.10-7 H/m (constante magntique)

Bmax=

+

on peut ngliger BAC car 0 A

Bmax 488 mT

Daprs lAbaque 6, Bsat = 330 mT. On a Bmax > Bsat donc on va devoir ajouter un entrefer.

Image 28 - Champ de saturation (ETD)

Lentrefer calcul prcdemment est de 2 mm. On reprend donc les calculs en prenant en compte un

entrefer de 2 mm.

Daprs lAbaque 7, on peut en dduire la Courbe 1. Cette courbe nous permet de retrouver AL et e

pour un entrefer de 2mm.

Image 29 - Coefficient dinductance et permabilit effective avec entrefer (ETD)


40

2011 / 2012

Image 30 - Al et e en fonction de Air gap en mm (ETD)

On en dduit daprs la Courbe 1 : AL 300 nH

e 100

Calcul du nombre de spires avec entrefer :

N =

A.N : N =

N 18,25

N = 18 spires

Calcul du champ magntique avec entrefer :

Bmax = BDC + BAC

Bmax =

+ 0

Bmax=

Bmax = 67 mT

0

100

200

300

400

500

600

0,5 1 1,5 2

Al (nH)

e


41

2011 / 2012

Bmax < Bsat OK

On peut diminuer lentrefer pour diminuer les pertes lectromagntiques. On va donc augmenter

notre champ magntique max.

On part avec un entrefer de 1 mm. Et on retrouve comme valeurs :

AL = 500 nH ; e = 150 ; le = 139 mm ; Ae = 368 mm

N =

A.N : N =

N 14,14

N = 14 spires

Bmax = BDC + BAC

Bmax =

+ 0

Bmax=

Bmax = 91 mT

Bmax < Bsat OK

Conclusion choix de linductance :

Dimensionnement inductance ETD59


42

2011 / 2012

Image 31 - Inductance mesure l'analyseur d'impdance


43

2011 / 2012

Rsum

Nous sommes deux tudiants en 5me

et dernire anne PolytechTours, dpartement DEE : Antoine

CASSAGNE et Jrmy COCAUD. Dans le cadre de nos tudes, nous avons eu effectuer un projet de

fin dtude afin de valider notre dernire anne PolytechTours.

Ce projet sest droul du 12 Octobre 2011 au 24 Fvrier 2012, au sein de lcole PolytechTours.

Nous avons eu lopportunit de travailler un projet qui nous intresse en rapport avec le club

Polytech Eco Marathon tant danciens membres du club.

Notre principal objectif fut de concevoir un systme de conversion DC/DC pour le futur prototype

hydrogne du club Polytech Eco-Marathon afin de pouvoir participer la comptition co-Marathon

Shell 2012. Nous avions donc la tche de raliser les simulations du nouveau convertisseur et de

raliser la future carte lectronique. Notre enseignant encadrant a t Mr Ambroise SCHELLMANNS,

enseignant-chercheur PolytechTours.

travers ce rapport, nous allons prsenter en partie la comptition co-Marathon Shell, le club

Polytech Eco Marathon et vous dcrire notre travail effectu lors de notre projet de fin dtude.

Mots cls : Hacheur srie, Hydrogne, Pile combustible, Typon, Carte lectronique.

Abstract

We are two students in fifth and last year of PolytechTours, Electronic and Systems of Electric

Energy department : Antoine CASSAGNE and Jrmy COCAUD. In the context of our studies, we

have done a graduation project to validate our last years study in PolytechTours.

Our project lasted from October 12th

, 2011 to February 24th

, 2012 in PolytechTours. We have had

the opportunity to work on a project which we interest relevant to the Polytech Eco Marathon club,

where we were former members.

Our main project was to conceive a conversion system DC/DC for the future hydrogen prototype of

Polytech Eco Marathon club to be able to participate the Shell Eco-Marathon competition 2012.

Consequently, we had the job to realize the simulation of the new converter and to fabricate his

electronic card. Our project was carried out with Mr Ambroise SCHELLMANNS, professor

researcher from PolytechTours.

Through this report, we will present you partially the competition Shell Eco-Marathon, Polytech Eco

Marathon club and describe you our work carried out during our graduation project.

Key words : Buck converter, Hydrogen, Fuel cell, Print circuit board, Electronic card.

Antoine CASSAGNE et Jrmy COCAUD, 5ADEE.

2012PFE Cassagne Cocaud DEE

Documents

Transcript of 2012PFE Cassagne Cocaud DEE