29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 1 GPA667 CONCEPTION ET SIMULATION DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES...

29/09/2013ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE1

GPA667GPA667

CONCEPTION ET SIMULATION

DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES

ALIMENTATIONS C.C. COMMUTÉE OU À DÉCOUPAGEALIMENTATIONS C.C. COMMUTÉE OU À DÉCOUPAGE


ALIM. À DÉCOUPAGEALIM. À DÉCOUPAGE

Circuit abaisseur de tension (« Buck converter »)

Circuit élévateur de tension (« Boost converter »)

Circuit inverseur de tension (« Inverter »)



Théorie et calcul des composants pour le convertisseur abaisseur ou «Buck Converter» en mode continu et discontinu.

Principe de fonctionnement du convertisseur élévateur de tension ou «Boost Converter»

Théorie et calcul des composants pour le convertisseur inverseur ou «Inverter Converter»



Transistor en commutation dissipe moins de puissance.

La diode doit être plus rapide que celle utilisée dans un redresseur classique.

Nécessite une bonne compréhension des phénomènes magnétiques et le calcul d’une inductance.

Peut présenter des problèmes d’instabilité surtout pour le convertisseur élévateur.



Rendement plus élevé que les régulateurs linéaires.

Fréquence 25 kHz-50 kHz au lieu de 60 Hz donc réduction du poids.

Nécessite un circuit de commande et une inductance donc plus complexe.

Fonctionne mieux avec une charge minimale.


CIRCUIT ABAISSEUR CIRCUIT ABAISSEUR

Diminue la tension Stable et fonctionne bien dans les modes

continu ou discontinu. Bon compromis pour obtenir un rendement

élevé lorsque le courant de sortie est élevé de même que la différence de tension entre l’entrée et la sortie.


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR

CIRCUIT



FORMES D’ONDES



Rendement (excluant les pertes de commutation)



Influence de la fréquence (1/T)

Ton s’ajuste par rapport à T pour obtenir Vo. On serait tentés d’augmenter la fréquence ou réduire T pour avoir des pièces moins lourdes ou moins encombrantes.

On aura une limite sur la vitesse de commutation du transistor et de la diode. Les pertes auront tendance à augmenter rapidement lorsque l’on commute à haute vitesse. En pratique, les alimentations à découpages fonctionnent entre 25 kHz et 50 kHz


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCOMMUTATION

(CAS IDÉAL)


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURRendement incluant les pertes de

commutation (cas idéal)

P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) =

Rendement (cas idéal)


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCOMMUTATION

(PIRE CAS)


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURRendement incluant les pertes de

commutation (pire cas)

CAS PIRE

Rendement (pire cas)

P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) =



Inductance La pente de charge du courant est fixe parce qu’elle ne dépend que de (Vdc – Vo)

+I1


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURMode discontinu Lorsque Io diminue

jusqu’à (I2 – I1)/2, le courant dans l’inductance devient nul et on obtient le mode « discontinu »

Io nom = 5A et Iomin = 1 A


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURMode discontinu

Même si le mode discontinu n’est pas prohibé, nous assumerons un courant Io min = 0.1 x Ion (out nominal). Nous pourrons donc fixer une valeur pour L

Io nom = 5A et Iomin = 1 A


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCalcul de l’inductance L

dI est la variation de courant durant le temps de conduction Ton pour rester à la limite du mode discontinu avec une charge Io min.

Comme

alors


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCalcul de l’inductance L Le courant dans L varie de ± 10% autour de la valeur

centrale. En supposant que la valeur de L demeure constante avec un courant I2 = 1.1 Io nom., la rampe sera linéaire. On doit donc concevoir l’inductance pour ne pas qu’elle sature même lorsque le courant C.C. qui y circule vaut 1.1 Io nom.


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURChoix du condensateur Co : Le condensateur Co est en fait constitué de Co, Ro et Lo en série. On peut négliger Lo pour la plage de fréquence qui nous intéresse. On doit minimiser Ro, la résistance équivalente en série ou « ESR ».

Habituellement, pour les condensateurs couramment disponibles, le produit Ro x Co = 50 à 80 x 10-6


CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURLa tension de ronflement à la sortie Vor (« ripple ») aux bornes de la charge est due à Co (Vcr) et à Ro (Vrr). Vr = Vcr + Vrr. La contribution de Vrr est habituellement beaucoup plus significative que celle de Vcr

Exemple pratique nous permet de le constater. Concevoir une alimentation à découpage de type abaisseur avec les spécifications suivantes :

Vdc = 20 V, Vo = 5V, Ion = 5A, f=25Khz et Io min. = 0.1 x Io nom. = 0.5 A.



Calcul de la crête positive de Vcr

Calcul de Co = 1300 uF en assumant un valeur moyenne de RoCo = 65 x 10 -6

Supposons un ronflement Vor = 0.05V dû principalement à Ro, i,e

Vor ≈ Vrr. = Ro x (I2 – I1) où (I2 – I1) = 1A et Ro = 0.05 Ω. En assumant que RoCo = 50 x 10 -6 alors C0 = 1000 uF

Vcr (crête-crête) = 2x Vcr = 0.01 V

Comme on peut le constater Vcr est environ 4 fois plus petit que Vrr



Calcul du rendement η

Pour une telle alimentation, quel sera le rendement ?

Supposons Ts/T = 2% et le rendement sera 5/(5+1+2*20*0.02) ≈ 74 %

Avec un régulateur linéaire, on dissiperait environ (20-5)*5 = 75 W et on ne pourrait espérer un rendement excédant environ (5*5)/(5*5 + 75) = 25 %


CIRCUIT ÉLÉVATEUR CIRCUIT ÉLÉVATEUR

Augmente la tension Possibilité d’oscillation si fonctionnement en

mode continu Utile pour produire des tensions C.C.

élevées à partir de piles (tensions basses) En remplaçant l’inductance L par un

transformateur avec plusieurs enroulement secondaires, on produit un circuit « Flyback » utilisé dans la plupart des alimentations à haute tension.


CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEUR

E = 0.5 L1 Ip2


CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEUROn s’assure d’avoir un temps mort Tdt pour que l’énergie emmagasinée soit complètement transféré à la charge. Tdt = 0.2 T (empirique)

A chaque cycle, l’énergie moyenne dans l’inductance est nulle. Il n’y a pas de courant continu dans l’inductance.

On résout pour trouver Ton en fonction de Vo et de Vdc.


CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEURCONCEPTION

Si la charge dépasse la valeur maximale permise (< Ro) ou que Vdc diminue, Ton augmentera au détriment de Tdt qui sera réduit. Pour éviter cette situation, on peut empêcher Ton d’augmenter en verrouillant la tension d’erreur Vea.

On calcule ensuite Ip pour choisir le bon transistor.

À partir de Ton, Vdc, Ro (pour un courant de charge maximum ) et k=0.8, on trouve L1 avec


CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEUR

CIRCUIT



FORMES D’ONDES



Lorsque Q1 conduit, le courant augmente linéairement dans l’inductance Lo jusqu’à une valeur maximale Ip. Lorsque Q1 est bloqué, la polarité aux bornes de Lo s’inverse. Le courant dans D1 diminue linéairement en chargeant Co avec une polarité négative. Si le courant devient nul avant que le prochain cycle de conduction débute, la puissance transmise à la charge sera :



Sachant que

On obtient la relation


CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEURCONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR

On obtient la relation

Afin de s’assurer que toute l’énergie emmagasinée dans l’inductance Lo soit transmise à la charge, nous devons être dans le mode discontinu. Nous assumerons donc un temps mort « dead time, Tdt entre le temps de charge Ton et le temps de décharge Tr. Un temps Tdt = 0.2T est acceptable.



On obtient :

Quand toute l’énergie emmagasinée dans Lo est transférée à la charge Ro, on a :

Combiné avec l’équation



On calcule ensuite Lo avec

En spécifiant les valeurs suivantes :

On calcule Ton avec



Le choix de T, du condensateur Co et du rendement η s’effectuent comme pour le convertisseur abaisseur

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