Alimentations Électroniques - thierry-lequeu.frthierry-lequeu.fr/data/Alim-Cours.pdf · Principes...

1

T. LEQUEU Vendredi 27 janvier 2006 1

Alimentations ÉlectroniquesThierry LEQUEU - IUT GEII de Tours

[email protected]


Plan de l’étude des alimentations

1. Alimentations faible puissance non isolées2. Alimentations à isolation BF3. Régulation linéaire4. Régulation à découpage5. Alimentations à découpage6. Comparaison découpage / linéaire7. Bibliographie

2


Principes de conversion DC

DC

Secteur

(230V 50Hz)

AC

Redresseur+ filtrage

Tension

continue

AC

DC

Secteur

(230V 50Hz)

DC

DC

non isolé

AC

AC

Transformateur"BF"


Tension

nonrégulée

Tension

régulée

ACDC

Secteur

(230V 50Hz)

DC

DC

ACAC

Transformateur"HF"

Redresseur+ filtrage "BF"

Tension

régulée

Onduleur"HF"

AC

AC

Redresseur+ filtrage "HF"


Plan de l’étude des alimentations

1. Alimentations faible puissance non isolées2. Alimentations à isolation BF3. Régulation linéaire4. Régulation à découpage5. Alimentations à découpage6. Comparaison découpage / linéaire7. Bibliographie

3


1) Alimentations directes sur le secteur faible puissance non isolées

V = 230 V / 50 HzH. SCHREIBER, page 55.

V = 230V / 50 HzU = 12V DCP. MAYE, page 426.

Isurge2V

1R =

axIm2V

1C =


1) Applications des alimentation directes

Circuit de commande

(uP)Alim.

v

+5V

TRIAC

Charge

• Électroménager : réfrigérateur, lave vaisselle, four,…

• Électroportatif : perceuse, aspirateur,…

Secteur 230 V 50 Hzou 120 V / 60 Hz

Pilotage de TRIACen T.O.R (relais)ou gradateur

4


Plan de l’étude des alimentations1. Alimentations faible puissance non isolées

2. Alimentations à isolation BFØ Le transformateur BFØ Le redressement et filtrage capacitifØ La norme C.E.M. EN61000-3-2

3. Régulation linéaire4. Régulation à découpage5. Alimentations à découpage6. Comparaison découpage / linéaire7. Bibliographie


2) Alimentations à isolation BF

R. BAUSIERE, F. LABRIQUE, G. SEGUIER, Vol. 3, DC-DC, page ???

5


2.1) Le transformateur 50 HzCircuit magnétique avec enroulements couplés : le transformateur

i

φ

n

flux

n

i

uu

Récepteur Générateur

1

1

1 2

2

2

Primaire Secondaire

( ) ferspire

2211

spire222

spire111

StB

0inindt

dneu

dt

dneu

⋅=φ

≈⋅−⋅+

φ⋅+=−=

φ⋅+=−=

Attention aux conventions !


2.1) Le transformateur 50 HzSchéma équivalent complet

==

φ⋅+=

φ⋅+=

1

2

1

2

spire22

spire11

nn

'u'u

m

dt

dn'u

dt

dn'u ( )

⋅−⋅+=⋅

⋅=⋅

⋅µ⋅µ=

⋅=φ

∑∫2211ferfer

ferr0

ferspire

ininLH

IndLH

HB

StB

⋅µ⋅µ=ℜ

φ⋅ℜ=⋅

⋅−⋅+=⋅

ferr0

fer

101

2211101

SL

in

ininin

ri

u

1 11

1

l

10

2

F 1

im.i

R L

m nn=

u'1 u' = m.u'2

r i

u

22 2

2

l

1

6


2.1) Le transformateur 50 HzSchéma équivalent simplifié à flux forcé

⋅µ⋅µ=ℜ

φ⋅ℜ=⋅

⋅−⋅+=⋅

ferr0

fer

101

2211101

SL

in

ininin

i

u

1

1

10

2

F 1

im.i

R L

m

u' = m.u'2

r i

u

2eq2eq 2

2

l

1

⋅+=

⋅+=

12

2eq2

12

2eq2

rmrr

lmll

==

φ⋅+=

φ⋅+=

1

2

1

2

spire22

spire11

nn

'u'u

m

dt

dn'u

dt

dn'u

2eq22

eq22 irdt

dilU ⋅+⋅=δ


2.2) Le redressement double-alternance

R

Lv

Lvr

iR

r

v

i

vred

C R

Lv

L

iC

vr

iR

r

v

i

ired

vred

L

π=

2V2V eff

red

7


2.2) Le filtrage capacitif

C R

Lv

L

iC

vr

iR

r

v

i

ired

vred

=

=

==

=

A5I

V24V

ms 20F1

T

Hz 50F

R

eff

TV

CI

dtdv

Ci redC

∆∆

=⇒

⋅=

=≈∆≈

−=

⋅−=

⋅===

ms 102T

T et V 1 à 6,0V

2dV

VV

V22VV

V%5dV

IIsI

D

CmaxCCmoy

DeffmaxC

maxC

R

CdV2TIs

VTI

C⋅

⋅≈

∆∆⋅

=


2.3) Contraintes sur le redresseur

P. MAYE, page 66-69.

Redressement à point milieu – Cas particulier d’une faible ondulation

v

VREDn1

e1

e2

n2

n2

V 1 à 6,0VV , E

VUcosArc D0

M

00 ≈=

+=α

( ) ( ) ( )( )α⋅α−αρ⋅π

== cossinE

II M0DAVF

DrrRs avec ++=ρ

( )( ) ( ) ( )( ) ( )α⋅α−α

α⋅α+α⋅α⋅−α⋅

π=

cossincos2sincos3

2II

2

0DRMSF

8


2.3) Contraintes sur le redresseurValeur maximale du courant dans une diode : ( )( )α−⋅

ρ== cos1

EII M

crête DFRM

ρ−

== 0MmaxDFSM

V2'EIICourant dans une diode au démarrage :


2.3) Note sur le calcul du condensateur

En tenant compte de l’angle de conduction :

πα

−∆⋅

=21

UFI

Cmax0

max0min

Note sur la tension du réseau :La norme EN 50 160 précise :

Veff = 230 V à ± 10% soit Veffmin = 207 V et Veffmax = 253 V

Avec des creux de tension de –15% : Veffmin = 195 V

Cas d’une alimentation 240V : Veffmin = 216 V et Veffmax = 264 V

max0

max0min UF2

IVTI

C∆⋅⋅

≈∆∆⋅

=Approximation linéaire :

9


2.3) Cas du transformateur à un secondaire avec un pont de Graetz (ondulation faible)

P. MAYE, page 66-69.

Courant dans le secondaire du transformateur :

( ) ( ) ( )( ) ( )α⋅α−α

α⋅α+α⋅α⋅−α⋅

π=

cossincos2sincos3

4II

2

02

( )sérieen diodes 2 'E

V2UcosArc avec

M

00

+=α

CF4I

V2'V2U

V2'VU 00M0M0 ⋅⋅

−⋅−=∆

−⋅−=

Valeur moyenne de la tension :

Remarques :ØTension à vide du transformateur : +20% !ØTension du réseau EDF ±10% avec des creux à –15% !ØTenir une coupure de 4 périodes du réseau !


2.3) Exemple de simulateur : SIMCAD

SIMCAD Psim 5.0 version demo

10


2.4) La norme EN 61000-3-2

oui

non

Triphasé équilibré ?

Ieff ≤ 16 A

Outil portatif ?

Classe D

Équipement d’éclairage?

(*) Équipement

moteur ?

Onde spéciale et P ≤ 600 W

non

non

non

nonoui

oui

oui

oui Classe B

Classe C

Classe A(*) Commandé par angle de phase

00

0.35

1

2.t

ii

Enveloppe du courant d’entrée permettant de définir la « forme

d’onde spéciale » et de classer un appareil dans la classe D


2.4) Limites EN 61000-3-2

11


2.5) Exemple du redresseur capacitif

eff1

2n

2neff

I

ITDH

∑∞

==

effeff IVP

FP⋅

=

J.-P. FERRIEUX, F. FOREST, 3ième édition, page 82-84.


2.6) Convertisseurs à absorption sinusoïdalePrincipe : Solutions :

400 VDC

Formes d’ondes simplifiées

12


2.6) Exemple de l’alimentation FLYBACKPrincipe : Formes d’ondes simplifiées

( )

1

2

21L

M

nn

m

imii0et t

sinVve

=

⋅+=π≤θ≤⋅ω=θ

θ⋅=


Plan de l’étude des alimentations1. Alimentations faible puissance non isolées2. Alimentations à isolation BF

3. Régulation linéaireØ Régulation par zenerØ Transistor ballastØ Régulateurs intégrés

4. Régulation à découpage5. Alimentations à découpage6. Comparaison découpage / linéaire7. Bibliographie

13


3) Régulation linéaire

AC

DC

Secteur

(230V 50Hz)

DC

DC

non isolé

AC

AC

Transformateur"BF"


Tension

nonrégulée

Tension

régulée


3.1) Régulation par diode ZENER

Conditions de

fonctionnement

( )

−=

≤⋅=−

−≤

+−

=<

>

RVVe

P

PIVPIIs

VVeR

RRVVe

Iis

VVe

2Zmax

R

ZMmaxZZZ

minZmax

Zmin

Z

ZmaxmaxZ

Z

Ve zener

R

Vs

RTH

ETH Ve

R

Vs

ZR

ZV

is

iz

ie

Exemple :[ ]

( )

mW 400W 26,0470

122212P

W41

W 21,0470

1222P

470R ; 500210

1218R

mA 10Is

mA 2Iet V12VVsV 20 ; V18Ve

Z

2

R

ZminZ

⇒=−

=

⇒=−

=

Ω=Ω=+−

≤

≤===

∈

(0,15€)

14


3.2) Utilisation d’un transistor ballast

Ve

R

Vs

is

iz

ie T

ZV

VBEiib

Choix des composants :

( )

( )

( )( )

≤−=

≤⋅−=

−=

≤−

⋅=

+β=

+−

≤

−=+>

0CEBRmaxmaxCE

TMmaxmaxT

2Zmax

R

ZMZmax

ZZ

min

maxmaxB

maxBminZ

Zmin

BEZ

minCE

VVsVeV

PIsVsVePR

VVeP

PR

VVeVP

1Is

I avec II

VVeR

VVVsVsVVe

Attention : la puissance à dissiper par le transistor peut être grande

⇒ rendement faible ≤ 50 à 60%


3.2) Régulateur intégré fixe

Précautions :

ØCapacités de stabilisation

ØTension min = Vs +2V

ØTension max = 35 ou 40V

ØPuissance max (dissipateur)

Intégration de la zener + transistor ballast + protections

Avantages :

ØProtection en court-circuit

ØProtection thermique

ØSimplicité de mise en oeuvre

ØPrix < 1,00 € TTC

Ø+ dissipateur ≈ 2,50 € TTC

15


3.3) Régulateur intégré ajustable

==

µ=

=

⋅+

+=

A 5,1IsV 40Ve

typique A 50I

typiqueV 25,1V

RIRR

1VVs

max

max

ADJ

REF

2ADJ1

2REF

• C2 : filtrage du pont diviseur

• D1 : protection contre les court-circuits en entrée

• D2 : décharge de C2 en cas de court-circuit en sortie


3.3) Exemple de composants

16


3.4) Calcul d’un dissipateur

Ambiant (ambient) Ta

Ambiant (ambient) Ta

Radiateur (heat sink) Ts

Isolateur (isolation pad)

boitier (case) Tc

puce (chip) TjRjc

Rcs

Rsa

Rja

Puissance

Tj

Tc

Ts

Ta

P

Rth-cs en °C/W

DirectAvec

graisseAvec

isolantIsolant et graisse

TO-3 0,6 0,1 1 0,5TO-126 1 0,5 6 3TO-220 1,4 0,3 2,2 0,8


3.5) Alimentations +5V et ±15VVAC = 2 x 18 V +10% / -15%

Is(±15V) = ± 0,5 A

Is(+5V) = 1 A

η = 45%

Pertes = 23 W

Volume ≈ 0,5 l

Ps = 20 W

17


Plan de l’étude des alimentations1. Alimentations faible puissance non isolées2. Alimentations à isolation BF3. Régulation linéaire

4. Régulation à découpageØ Hacheur abaisseur de type BUCKØ Hacheur élévateur de type BOOSTØ Hacheur inverseur de type BUCK-BOOSTØ Hacheur à stockage capacitif de CUK

5. Alimentations à découpage6. Comparaison découpage / linéaire7. Bibliographie


4) Régulation à découpageSOURCES DE TENSION

SOURCES DE COURANT

Hacheur àaccumulation

inductive

Hacheur àaccumulation

capacitive

Hacheurparallèle

Hacheursérie

18


4) Régulation à découpage - PrincipeConversion DC-DC sans isolation

Interrupteur en Tout Ou Rien : peu de pertes

« haute fréquence » : filtre L-C de faible valeur

Découpage « haute fréquence » + filtrage

SourceV Charge

t0

Umoy

+VTon

Toff

Tension continue

U 1 Hacheurabaisseur

Tension continueU2 < U 1

Hacheurélévateur


4.1) Hacheur de type BUCKiT

iD

vL iL

C

iC

vT

K 1K2Ve vs

is

V

K 1

K2Ve

is

V R

L

L'inductance se décharge sous -Vs (-Vs < 0).L'inductance se charge sous Ve – Vs (Ve > Vs).

Pour t ∈ [αT ; T], T est ouvert Pour t ∈ [0 ; αT], le transistor T est fermé

vsve

vL iL

L

T

vs

vL iL

L

D

( ) ( )0tL

VsVeIti minLL −

−+= ( ) ( )Tt

LVs

Iti maxLL α−−=

19


4.1) BUCK – Grandeurs électriques+Vev(t)

t

t

t0 αΤ T

+Ve

ILmax

ILmin

Is

iD

iL

iT

vT

t

ILmax

ILmin

IsiL

v L

0 TαΤ

-Vs

Ve-Vs

Tension et courant de l’inductance :

Relation fondamentale de l'EDP :

La valeur moyenne de la tension aux bornes de l'inductance est nulle en

régime permanent.

( )[ ]

( ) ( ) ( )[ ] ( )α−−α+α=α−×−+α×−=⋅= ∫ 1VsVsVeTTVsTVsVeT1

dttvT1

vT

LL

VeVs α=Donc en régime permanent :


4.1) BUCK – Ondulations

( )α−α⋅=α⋅−

=−=∆ 1LFVe

TL

VsVeIII minLmaxLL

Ondulation du courant dans l’inductance :

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0 .05

0.1

0 .15

0.2

0 .25

0.3

21

=α

Ondulation de la tension de sortie :

Pour , on a LF4Ve

I maxL =∆

t0 TαΤ

+∆ IL2

−∆ IL2

δ i (t)L

t 1 t2

v (t)SδAire A

∆Vs

α

∆Ι

( ) ( ) ( ) ( )tiItistiti LLmoyCL ∂+=+=

( ) ( )∫∫ ⋅∂⋅=⋅∂

=∆2

1

2

1

t

tL

t

t

C dttiC1

dtdt

tvVs

( )CF8I

21

2T1

2I

21

2T

2I

C1Vs LLL ∆

=

⋅α−⋅∆

+⋅α⋅∆

=∆

( )α−α⋅=∆ 1LCF8

VeVs

2 2maxLCF32

VeVs =∆

20


4.1) BUCK – InterrupteursLe transistor :

La diode :

+Vev T

t0 αΤ T

i T

ILmin

ILmax

t0 αΤ T

iD

-Ve

vD

ILmax

ILmin

( )

( )

( ) ( )

VeVV

112I

IsII

Is1IILF2

Ve1Is

2I

iII

DRMmax inv D

2L2

RMSFDeff

)AV(FDmoy

LLFRMmaxD

+==

α−⋅

∆+==

⋅α−==

⋅α−⋅α+=

∆+==

( )

( )

( )

VeVV

12I

IsII

!IeIsIILF2

Ve1IsIII

TMmaxT

2L2

RMSTTeff

moyAVTTmoy

maxLTMmaxT

+==

α⋅

∆+==

=⋅α==

⋅α−⋅α+===


4.1) BUCK – Interrupteurs – ExemplesLes pertes statiques dans un transistor MOSFET valent :

Les pertes statiques dans un transistor bipolaire valent :

2)RMS(DSDSon0 IRP ⋅=

)AV(CCEsat2

)RMS(CD0 IVIRP ⋅+⋅=

Les pertes statiques dans la diode valent :

)AV(F0D2

)RMS(FD0 IVIRP ⋅+⋅=

iD

vD

Anode

Cathode

iD

rD

E0

Grille

Drain

Source

VDS

VGS

VDS

D

S

RDSON

vCE

Emetteur

Collecteur

Grille

vGE

i C

V0

iC

vCER

D

Les pertes dynamiques valent : ( )OFFOND ttIsVeF21

P ∆+∆⋅⋅⋅=

rrer QVFP ⋅⋅=

Pertes par recouvrement :

21


4.1) Facteur de dimensionnement

Pour le transistor :

Pour la diode :

PsIV

Fd maxTmaxT ⋅=

Ps

IVFd )AV(FRRM ⋅

=

Rapport entre

la puissance apparentecommutée par l'interrupteur

et la puissance transmise à la charge.

α≈

⋅∆

+α

=⋅

=1

Is2I1

PsIV

Fd LmaxTmaxT

Pour le hacheur BUCK :

( )α

α−=

⋅=

1Ps

IVFd AVFRRM

0.1 0 . 2 0.3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0.7 0 . 8 0.90

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

alpha

Transistor et diode


4.1) BUCK – Conduction discontinue

Limite ILmin = 0 :ILmax

0 αΤ T t

i (t)L

Is

tILmax

+Vev(t)

0 αΤ T

+Vs

tα'T

i (t)L

[ ]T ; 0t α∈ ( ) tL

VsVeti L ⋅

−=

[ ]T' ; Tt αα∈ ( ) ( ) maxLL ITtLVs

ti +α−⋅−=

TL

VsVeT'

LVs

I maxL α⋅−

=α⋅='Ve

Vs et

α+αα

=

( ) ( )VsVeVeVs

LF2'

2I

Is I2

maxLL −

α=α+α==><

Ve

IsLF21

1VeVs

2 ⋅α

⋅+

⋅=

22


0 0.05 0 .1 0.15 0.2 0.250

0.2

0.4

0.6

0.8

1 alpha =1

alpha =0.75

alpha =0.5

alpha =0.25

4.1) BUCK – Vs = f(Is)

α=y

2x2

1

1y

α

⋅+

=

VeVs

y =

IsVe

FLx ⋅

⋅=

( )

α=

α−α=

limite

limite

y2

1x

y

x


4.1) Filtrage du courant d’entrée

Ceve

ie(t) i (t)T

ic(t)

HacheurBUCK

[ ] ( ) ( ) ( )

[ ] ( ) ( )

α−α

+==α∈

−α−

−=+=α∈

TtCe

IsVct ve,0i ; TTt

0tCe1Is

Vct ve,Iei ; T0t

minT

maxT

t0

iT

Is

Vcmin

Vcmax

Ic+

Ic- t

T

s

( ) ( )α−α⋅

=αα−=−=∆ 1FCe

IsT1

CeIs

VcVcVc minmax

FCe4Is

Vc max ⋅⋅=∆

21

pour =α

Remarque : La valeur moyenne du courant dans le condensateur est nulle en régime permanent.

23


4.1) Filtrage du courant d’entréeSchéma équivalent d’un condensateur :

( )

ω+×=

2RC

11CCs

( )2RC

RRsESR et

ω+=

RpRfRpRf

R avec+⋅

=

LsC

RfRp

Rs LsCs ESR

( ) C2

2

C

CC

CC

IESRFCs2

1V alors

FCs21

ESR si

IESRV alors FCs2

1ESR si

FCs2I

V alors FCs2

1ESR si

∆⋅+

⋅π≈∆

⋅π≈

∆⋅≈∆⋅π

>>

⋅π∆

≈∆⋅π

<<


4.1) Exemple d’une alimentation +5VLe LM2574M-5.0 de National Semiconductor

D’après une idée de C. TAVERNIER dans la revue, Electronique Pratique N° 269

Remplacez vos régulateurs 3 pattes, octobre 2002, pp. 34-36.

F = 52 kHzIs = 0,5 AVe = 7 à 40 Vη = 77%≈ 0,75 W de perteshttp://www.national.com/

24


4.2) Hacheur de type BOOST


4.2) Hacheur de type BOOST

L'inductance se décharge sous Ve-Vs (Vs > Ve).L'inductance se charge sous +Ve > 0.


( ) ( )0tL

VeIti minLL −+= ( ) ( )Tt

LVeVs

Iti maxLL α−−

−=

iT

iDvL

iL

C

iC

vT

K1

K2Ve vs

is

vs

K 1

K2ve

ie

R

LvD

ve

vL iL

L

T vsve

vL iL

LD

25


4.2) BOOST – Grandeurs électriquesTension et courant de l’inductance :



régime permanent.

( )[ ]

( ) ( ) ( )[ ] ( )α−−+=α−×−+α×=⋅= ∫ 1VsVeTTVsVeTVeT1

dttvT1

vT

LL

α−=

11

VeVsDonc en régime permanent :

tILmax

ILmin

Isi L

+Vs

t0 T

iT

ti (t)D

v (t)T

t

ILmax

ILmin

IsiL

0 TαΤ

Ve-Vs

+Ve vL


0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0.5 0 .6 0 .7 0 .8 0.9 10

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

0 .7

0 .8

0 .9

1

4.2) BOOST – Ondulations

α⋅=α⋅=−=∆LFVe

TLVe

III minLmaxLL


1=α


Pour , on a

LFVe

I maxL =∆

α

∆Ι

CFIs

Vs max =∆

( ) ( ) ( ) ( )tiItistiti DDmoyCD ∂+=+=

t

-Is

0 TαΤ

+VsiC

VCmax

∆ IL

vs

VCmin

( ) ( ) ( ) tCIs

VdtIsC1

dttiC1

tv maxCCC −=⋅−=⋅= ∫∫

α=α=−=∆CFIsT

CIsVVVs minCmaxC

26


4.2) BOOST – InterrupteursLe transistor :

La diode :

( ) ( )

VsVV

112I

1IsII

IsIILF2Ve

1Is

2I

Ie

2IiII

DRMmax inv D

2L

2

RMSFDeff

)AV(FDmoy

L

LLFRMmaxD

+==

α−⋅

∆+

α−==

==

α+

α−=

∆+=

∆+==

( )

( )

VsVV

12I

1Is

II

Is1

IeII

LF2Ve

1IsIII

TMmaxT

2L

2

RMSTTeff

moyAVTTmoy

maxLTMmaxT

+==

α⋅

∆+

α−==

α−α

=⋅α==

⋅α+α−

===

t0 αΤ T

iD

-Vs

vD

ILmax

ILmin

+Vsv T

t0 αΤ T

iT

ILmin

ILmax




Pour la diode :

PsIV

Fd maxTmaxT ⋅=

Ps

IVFd )AV(FRRM ⋅

=

Rapport entre



+∞ →α−

≈⋅

∆+

α−= →α 1L

11

Is2I

11

Fd

Pour le hacheur BOOST :

( ) diode lapour 1Ps

IVFd AVFRRM =

⋅=

0 .1 0 . 2 0 .3 0.4 0 .5 0.6 0 .7 0.8 0 .90

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

alpha

Transistor et diode

27


4.2) BOOST – Conduction discontinue[ ]T ; 0t α∈ ( ) t

LVe

tiL ⋅=

[ ]T' ; Tt αα∈ ( ) ( ) maxLL ITtL

VeVsti +α−⋅

−−=

TL

VsVeT'

LVs

I maxL α⋅−

=α⋅=

VeVsVe

LF2Ve

'2

IIs I 2maxL

D −α=α==><

IsLF2Ve

VeVs22

⋅⋅α

+=

t

ILmax

Is i L

0 T

Ve-Vs

+Ve vL

+Ve

v (t)+Vs

tILmax

0 T t'T

i (t)L

T

VeVsVe

' et−

⋅α=α

VeVsVe

LF2Is soit

22

−⋅α=


0 0.05 0 . 1 0.15 0.2 0.250

1

2

3

4

5

6

7

alpha =0

alpha =0.5

alpha =0.66667

alpha =0.75

alpha =0.8

alpha =0.83333

4.2) BOOST – Vs = f(Is)

α−=

11

y

x21y

2

⋅α

+=

mVeVs

y =

IsVe

FLx ⋅

⋅=

( )2limite

limitelimite

y2

1yx

⋅

−=

y

x

28


4.2) Adaptateur +12V vers +19VLe LM2577T-adj

D’après une idée de Y. EL HASSANI, T. VARACHAUD, projet IUT GEII Tours, 2003/2004 Alimentation pour ordinateur portable 19V-3,5A à partir d'une batterie de 12V

F = 52 kHzIs = 3,5 AVs = 19VVe = 7 à 13 VIe = 12 à 7 A

http://www.national.com/

2x


4.3) Hacheur de type BUCK-BOOST

29


4.3) Hacheur de type BUCK-BOOST

L'inductance se décharge sous -Vs (Vs > 0).L'inductance se charge sous +Ve > 0.


( ) ( )0tL

VeIti minLL −+= ( ) ( )Tt

LVs

Iti maxLL α−−=

iTiD

vLC

i C

vT

K1

K2

Ve vs

is

vs

K1

ve RL

vD

K2

i L

ve vL

iL

LT

vsvL

iL

LD


4.3) BUCK-BOOST – Grandeurs électriquesTension et courant de l’inductance :



régime permanent.

( )[ ]

( ) ( ) ( )[ ] ( )α−−α⋅+=α−×−+α×+=⋅= ∫ 1VsVeTTVsTVeT1

dttvT1

vT

LL

α−α

=1

VeVsDonc en régime permanent :

tILmax

ILmin

I

Ve+Vs

t0 T

iT

t

i (t)D

v (t)T

-v (t)D Ve+Vs

LmoyiL

Is

t

ILmax

ILmin

i L

0 T

-Vs

+Ve vL

ILmoy

30


0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0.5 0 .6 0 .7 0 .8 0.9 10

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

0 .7

0 .8

0 .9

1

4.3) BUCK-BOOST – Ondulations

α⋅=α⋅=−=∆LFVe

TLVe

III minLmaxLL


1=α


Pour , on a

LFVe

I maxL =∆

α

∆Ι

CFIs

Vs max =∆

( ) ( ) ( ) ( )tiItistiti DDmoyCD ∂+=+=

t

-Is

0 TαΤ

+VsiC

VCmax

∆ IL

vs

VCmin

( ) ( ) ( ) tCIs

VdtIsC1

dttiC1

tv maxCCC −=⋅−=⋅= ∫∫

α=α=−=∆CFIsT

CIsVVVs minCmaxC

Rq. : idem hacheur BOOST.


4.2) BUCK-BOOST – InterrupteursLe transistor :

La diode :

( ) ( )

VsVV

112I

1IsII

IsIILF2Ve

1Is

2I

I

2IiII

DRMmax inv D

2L

2

RMSFDeff

)AV(FDmoy

LL

LLFRMmaxD

+==

α−⋅

∆+

α−==

==

α+

α−=

∆+=

∆+==

( )

( )

VsVV

12I

1Is

II

Is1

IeII

LF2Ve

1IsIII

TMmaxT

2L

2

RMSTTeff

moyAVTTmoy

maxLTMmaxT

+==

α⋅

∆+

α−==

α−α

=⋅α==

⋅α+α−

===

t0 T

iD

-Ve-Vs

vD

ILmax

ILmin

ILmoy Is

Ve+Vsv T

t0 T

iT

ILmin

ILmaxILmoy Ie

31




Pour la diode :

PsIV

Fd maxTmaxT ⋅=

Ps

IVFd )AV(FRRM ⋅

=

Rapport entre



( ) ( )α−α≈

⋅∆

+α−α

=11

Is2I

11

Fd L

Pour le hacheur BUCK-BOOST :

( )α

=⋅

=1

Ps

IVFd AVFRRM

0.1 0 .2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

alpha

Transistor et diode


4.3) BUCK-BOOST – Conduction discontinue

[ ]T ; 0t α∈ ( ) tLVe

tiL ⋅=

[ ]T' ; Tt αα∈ ( ) ( ) maxLL ITtLVs

ti +α−⋅−=

TL

VeT'

LVs

I maxL α⋅=α⋅=

VsVe

LF2Ve

'2

IIs I 2maxL

D α=α==><

IsLF2Ve

Vs22

⋅⋅α

=

VsVe

' et ⋅α=α

VsVe

LF2Is soit

22⋅

α=

+Ve

v (t)Ve+Vs

tILmax

0 T t'T

i (t)L

T

t

ILmax

Isi L

v L

0 T

-Vs

+Ve

32


4.3) BUCK-BOOST – Vs = f(Is)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

1

2

3

4

5

6

alpha =0

alpha =0.5

alpha =0.66667

alpha =0.75

alpha =0.8

alpha =0.83333

α−α

=1

y

x2y

2

⋅α

=

VeVs

y =

IsVe

FLx ⋅

⋅=

( )2limite

limitelimite

y12

yx

+⋅=

y

x


4.3) +15V/-15V à partir du +5VLe MAX743 de MAXIM

F = 200 kHzIs = ± 100 mAη = 82 %

http://www.maxim.com/

33


4.4) Hacheur de type CUK

C R

A

B

C

D

D

iL1

TFVe

L1

L1v

TiTv

iC

iD

vD

iS

vL2vC

vS

C L2iL2

Ie Is

V

T D


4.4) CUK – Grandeurs électriques

vc(t) ic(t)

t t

t t

vL1(t) iL1(t)

vL2(t) iL2(t)

vT(t) iT(T)

+IL1

-IL2

+VC

-VS

-VS

+VC

+Ve

+IL1

TT

TT

+Ve

T T

+IL2

TT

IL1+IL2

( )

⋅α>==<

⋅α−>==<

CD

CT

VvVs

V1vVe

Ve1

Vs ⋅α−

α=

En régime permanent :

34


4.4) Exemple de hacheur CUK 500WVe = 20 V à 45 V

Vs = 0V à 100 V

Is = 0 A à 5 A

η> 85%

Elektor, janvier 2005, revue N° 319, pp. 27-32 Convertisseur Cuk - Pour 100 V et 5 A.


4.5) Bilan des hacheurs non isolés

J.–P. FERRIEUX, F. FOREST, Alimentations à découpage - Convertisseurs à résonance, Dunod, 3e édition revue et augmentée, 1999.

35


Plan de l’étude des alimentations1. Alimentations faible puissance non isolées2. Alimentations à isolation BF3. Régulation linéaire4. Régulation à découpage

5. Alimentations à découpageØ Asymétrique FLYBACKØ Asymétrique FORWARDØ Symétrique PUSH-PULLØ Symétrique en DEMI-PONTØ Symétrique en PONT

6. Comparaison découpage / linéaire7. Bibliographie


5) Alimentations à découpage

Flux symétrique

Flux asymétrique

A résonance

36


5.1) Alimentation FLYBACK

T

Ce1v 2v

F,

DC R vS

v(t)

Réseauélectrique

EDF230V-50Hz

Redresseur+filtrage

50Hz

Onduleur25 kHz

Transfo.d'isolation

25 kHz

Régulation(isolée)

Redresseur+filtrage25 kHz

VDC

AC50 Hz

DC325V

AC25kHz

AC25kHz

DC+5V

1 2 3 4


5.1) FLYBACK - Principe

TE D

C R

vS

TivDiD

LiLv

A

B

C

D

L

DA

B

C

D

T

1v 2v

i T iD

E vS

DA

B

C

D

T 1v 2v

i T iD

E vS

n1 n2

Hacheur à stockage inductif de type BUCK-BOOST

Inductances couplées

Schéma équivalent de l’inductance FLYBACK

37


5.1) FLYBACK – Fonctionnement

T Ti

Tv

Ve

1i1v 2v D

C R

vD

i2

n n1 2+Ve

T T t

tVs

v (t)1

n .i (t)1 1 n .i (t)2 2

Vsm

-

T

Ve

1ivD

i = 02

Vs

T

Ve2L

DC R

vD

i2

Vs1L

1i = 0

12

2 LmL ⋅=

1

2nn

m =


5.1) FLYBACK – Relations

Valeur moyenne de la tension de sortie : α−

α⋅⋅=1

VemVs

α⋅

=∆FC

IsVs

FLVe

I1

1 ⋅⋅α

=∆ Ondulation de la tension de sortie :

Ondulation du courant d'entrée :

( ) ( ) min11

10 I0tLVe

ti +−⋅=

[ ]T ; 0t α∈ [ ]T ; Tt α∈

( ) ( ) max11

10 ITtLm

Vsti +α−⋅

⋅−

=

Vedt

diLv

ininet 0i

OFFest D : 0VsmVeVsvv

Vemv et Vev et 0V: ONest T

1011

101112

2D

21T

+=+=

⋅=⋅=⇒<−−=−−=⇒

⋅+=+=≡

mVs

dtdi

Lv

mi

iinin donc 0i

mVs

Vev donc mVs

v et Vsv

ONest D et 0i: OFFest T

1011

102101221

T12

2

−=+=

=⇔⋅=⋅=

+=−

=−=⇒

>

1

2nn

m =

38


5.1) FLYBACK – Discontinu

+Ve

t

0 T t'T

v (t)TVe+Vs

m

I1max

i (t)10

t0 T

+Ve

- Vsm

v (t)1

I1max i (t)10

( ) ( ) 00tLVe

ti1

10 +−⋅= TLVe

I1

max1 α⋅=

T'Lm

VsI

1max1 α⋅

⋅=( ) ( ) max1

110 ITt

LmVs

ti +α−⋅⋅

−=

VsVem

'⋅

⋅α=α

VsVem

FL2Is i

22

2

2

D⋅

⋅⋅α

==><

IsFL2Vem

Vs2

222

⋅⋅⋅⋅α

=


5.1) FLYBACK – Vs = f(Is)

0 0.05 0.1 0 .15 0.2 0.250

1

2

3

4

5

6

a lpha =0

a lpha =0 .5

alpha =0.66667

a lpha =0 .75

a lpha =0 .8

alpha =0.83333α−α

=1

y

x2y

2

⋅α

=

mVeVs

y =

IsVe

FLm

IsVemFL

x

1

2

⋅⋅⋅

=

⋅⋅⋅

=

( )

α−α

=

α−α=

1y

21

x

limite

limite

y

x

39


5.1) FLYBACK – Interrupteurs

v Tt0 T

iTI1max

I1min

Ve+ Vsm

+Ve

( )

mVsVeV

12I

1Ism

I

!IeIsm1

I

FL2Ve

1Ism

II

MT

21

2

RMST

moy)AV(T

1max1TM

+=

α⋅

∆+

α−⋅

=

=⋅α−

α=

⋅α+

α−⋅

==Le transistor :

La diode :

t0 T

iD

-mVe-Vs

vD

I2max

I2min

( ) ( )

VsmVeVV

112I

1Is

I

IsI

FmL2Ve

1Is

I

DRMmax inv D

21

2

RMSF

)AV(F

1FRM

++==

α−⋅

∆+

α−=

=

⋅α+

α−=


5.1) FLYBACK – Choix de αFacteur de dimensionnement de l'interrupteur :

( ) mIs2I

11

PsIV

Fd 1TMTM⋅α

∆+

α−α=

⋅=

( )α−⋅α≈∆

11

Fd faible I1

Ve2Vet 4Fd ,21

Pour TMmin ⋅===α0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

2

4

6

8

10

12dI10 = 0 et dI10 = 2.9538 A / m = 0.073846.

alpha

Fac

teur

de

dim

ensi

onnm

ent

Fd

du t

rans

isto

r

12

21

1 LmLet FL

VeI Avec ⋅=

⋅⋅α

=∆

( ) ( ) IsFL2Vem

11

TFd2 ⋅⋅⋅⋅

+α−α

=

Exemple :

0,0738 met V 24 Vs V, 325 Ve

A 10 Iset A3I1===

==∆

40


5.1) FLYBACK – Auto-oscillant

+⋅

=

mVeVs

1ILm

VsF

max11

FIL21

FWR

VsP 2

max11EM

2⋅

=⋅==

2

12

mVeVs

1Lm2

RF

+⋅⋅

=

( )

( ) ( )

+==⋅=

α−⋅

−=⋅⋅

=

+=⋅

=

⋅=⋅

211

22

110

max111

110

max111

max22max11

tt1

T1

F et LmL

TtLm

Vs0ti car

VsILm

t

0tLVe

ti car VeIL

t

InIn


5.1) FLYBACK – Exemple

Principe :

15 V – 2 A – 30 W – 0,5 L

F = 100 kHz, η > 80%

Veeff = 85 à 265 VAC

41


5.2) Alimentation FORWARD

Réseauélectrique

EDF230V-50Hz

Redresseur+filtrage

50Hz

Onduleur25 kHz

Transfo.d'isolation

25 kHz

Régulation(isolée)

Redresseur+filtrage25 kHz

VDC

AC50 Hz

DC325V

AC25kHz

AC25kHz

DC+5V

1 2 3 4

D C

T

L

Dtr

1v2v

Dm

3v

Ve

VsR


5.2) FORWARD - PrincipeHacheur abaisseur de type BUCK

Transformateur d’isolement

Schéma équivalent du transformateur FORWARD

ED

C

iS

R

T vS

TiTv

vD

iD

LiLv

L

D'A

B

C

D

T

1v 2v

i T iD'

E u

1v 2v

i2n1 n2

i1

42


5.2) FORWARD – Fonctionnement

DC

iS

R

T

vS

Ti

Tv

vD

iD

LiLv

L

Dtr

1v2v

i2

Dm

3v

n1 n2n3

vE

CE

iE

230V50Hz

5V10A

1v2v

i2n 1 n2

i1

3v

i3n 1

L 1

i 10

n 3

Transformateur à 3 enroulements :

( )( )

( )( )

( )( )

φ⋅+=

φ⋅+=

φ⋅+=

dt

tdntv

dt

tdntv

dt

tdntv

spire33

spire22

spire11

101332211 inininin ⋅+=⋅+⋅−⋅+

( ) ( )tiLtn 101spire1 ⋅=φ⋅


5.2) 3 phases de fonctionnement

T2T nn Avec 13

⋅α=⋅β=

TT <⋅β

1

3nn

'm =

1

2nn

m =

J.-P. FERRIEUX, F. FOREST, 3ième édition, page 60.

43


5.2) FORWARD –Évolution des

grandeurs électriques

VemVs ⋅α⋅=

( )2FLC8

Vem1Vs

⋅

⋅α−α=∆

( )FLVem

1IL ⋅⋅

α−α=∆



0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.2

0.4

0.6

0.8

1

alpha =0.5

alpha =0.4

alpha =0.3

alpha =0.2

alpha =0.1

5.2) FORWARD – Vs = f(Is)

α=y2x2

1

1y

α

⋅+

=

mVeVs

y =

IsVe

FLx ⋅

⋅=

( )

α=

α−α=

limite

limite

y2

1x

44


5.2) FORWARD – Interrupteurs

Diode DDiode Dm :

Diode Dtr :Interrupteur T :

Ve'm

11VTM ⋅

+=

Ve'm

mVRRM ⋅=

IsI )AV(F ⋅α=

( ) Ve'm1VRRM ⋅+= VemVRRM ⋅=

( ) IsFL

Ve21

I1

AVF <<α⋅⋅

⋅=

( ) α⋅⋅

+

⋅⋅⋅α−α+⋅=

FLVe

FL2Vem1IsmI

1TM

( ) Is1I )AV(F ⋅α−=


5.2) FORWARD – Choix de αFacteur de dimensionnement de l'interrupteur :

α

+=

⋅⋅⋅α

⋅⋅⋅

+

≈⋅

= 'm1

1

IsVem

IsmVe'm

11

PsIV

Fd maxTmaxT

( )

'm11

1'm

T1LE

nn

TLE

I

max

13

1

1max10

+=α⇒α−=⋅α⇒

α−⋅=α=

( )maxmax 11

Fdα−⋅α

=

0 .1 0 . 2 0 .3 0.4 0 .5 0.6 0 .7 0.8 0 .90

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

alphaVe2V ,1

nn

'm Avec TM1

3 ⋅===

45


5.2) FORWARD – Démagnétisation Par diode Zener :

Ve

Vs

Tp

Dm

Dz

Ve

Vs

Tp

Dm

R C

Par réseau RCD :

Par pont asymétrique :

Ds2

Ds1

SV

n1n2 L0 I0

C0 V0VDs2

L0iiS

iDs2

pv

i p

T1

D1

D2

T2

Commandes PWM50 kHz

Correcteur

Mesureisolée

+5V+

-

vI

iP iI

iR

vR230V50Hz

DR1

DR2 DR3

R4D

CR

Tr


5.2) Utilisation du circuit magnétique

( )( ) ( )tine2LH

tinHe2LHldH

101rferfer

airferfer

⋅=µ⋅⋅+⋅⇔

⋅=⋅⋅+⋅=⋅ ∑∫rr

Circulation de H le long d'une ligne de champ :

Le flux dans le circuit magnétique vaut :

( )∫ ⋅=⋅=φ dttvSB Lferspire

B(t)

H(t) / i(t)

t

0 TαΤ

Le circuit magnétique n'est utilisé que dans le quadrant

B>0 et H>0 !

46


5.3) Alimentations en PONT

AC

Tension

d'entrée

DC

DC

AC

Transformateur"HF"

Tension

régulée

Onduleur"HF"

AC

AC

Redresseur+ filtrage "HF"

Pour une utilisation symétrique du circuit magnétique, il faut une alimentation alternative :

⇒ utilisation d’un onduleur monophasé

ØMontage PUSH-PULL

ØMontage en DEMI-PONT

ØMontage en PONT complet


5.3.1) Montage PUSH-PULLSchéma de principe :

Fonctionnement à vide :

101

2222

1111

in

'i'nin'i'nin

⋅+=φ⋅ℜ=

⋅−⋅+⋅−⋅+

dtd

nv xxφ

=

J.-P. FERRIEUX, F. FOREST, 3ième édition, page 66-67.

47


5.3.1) Montage PUSH-PULL en chargeVem2Vs ⋅⋅α⋅=

1

2nn

m =

Ve2V maxT ⋅=

( )FL2

VeFL4mVe1IsmI

1maxT

α+

⋅α−α+=

α=

1Fd

Vem2VRRM ⋅⋅=

α⋅=

21

Fd( ) 2

IsI AVF =

Transistors Tp1 et Tp2 :

Diodes D3 et D4 :


21

0 ≤α≤


5.3.2) Montage en DEMI-PONT

VeV maxT =

Nouvelles contraintes :

C

C

v

Ve2

Ve2

Source double à diviseur capacitif :

VemVRRM ⋅=

48


5.3.3) Montage en PONT

ØOnduleur monophasé en pont complet à commande décalée :

4 transistors + 4 diodes + commandes isolées

ØRedressement double alternance à point milieu :

faible chute de tension / 2 secondaires


5.3.3) Montage en PONTVem2Vs ⋅⋅α⋅=

1

2nn

m =

Ve2V maxT ⋅=

( )FL2

VeFL4mVe1IsmI

1maxT

α+

⋅α−α+=

α⋅=

21

Fd

VeVRRM =

( )( )

Ism221

I AVF ⋅α−

=

Transistors :

Diodes au primaire :

21

0 ≤α≤


Vem2VRRM ⋅⋅=

( ) 2Is

I AVF =

Diodes au secondaire :

49


5.4) Alimentation à résonance


5.4) Résonance série – F > F0

( )

( )

⋅=ω

Φ+ω−=

Φ+⋅ω⋅=

000

00

000C

0

CL

1

tcosCL

IeVv

tsinIeie

Grandeurs normalisées :

=

=

0

0CL

VemIs

x

mVeVs

y

50


5.4) Résonance série – Vs = f(Is)

Avec :

π=θ

=

⋅π

=

FF

VsmV

RFFm

CL

2Q

0

crête 0C

02

0

0

( )( )

⋅θ

+⋅θ

θ

−=

⋅θ

+⋅θθ−θ+

−=222

2x

x2

Cotg12

xx

cos1cos1

1y


5.4) Résonance série – Contraintes

Inconvénients :Ø Dim. en courant π/2 fois plus grandØ Fonctionnement à fréquence variableØ Zone (Vs ; Is) limitée par les CALC et par le rapport (F/F0)maxØ fonctionnement à vide difficileØ Contraintes importantes sur L0 et C0

Ø Dimensionnement délicatØ Régulation délicate

Avantages :Ø Pas de perte à la fermetureØ CALC sans pertesØ Commutation sous dv/dt faibleØ Redressement avec di/dt faibleØ Utilisation symétrique du transformateurØ Pas de composante DC (condensateur)Ø Utilisation de l’inductance de fuite

Réduction des pertes en commutations

51


Plan de l’étude des alimentations1. Alimentations faible puissance non isolées2. Alimentations isolation BF3. Régulation linéaire4. Régulation à découpage5. Alimentations à découpage

6. Comparaison découpage / linéaire7. Bibliographie


6) Comparaison découpage / linéaire

100 000 h60 000 hM.T.B.F.

NégligeablesImportantesPerturbations CEM

0,1 %1 %Ondulation résiduelle

1% - 50 µs5% - 1 msRégulation dynamique

0,9 à 1,1 Un0,85 à 1,2 UnPlage de tension d'entrée

20 à 50 W/L50 à 300W/LPuissance volumique

10 à 30W/kg30 à 300W/kgPuissance massique

35 à 50%65 à 90%Rendement

LinéaireDécoupageCaractéristiques

J.-P. FERRIEUX, F. FOREST, 3ième édition, page 4-5, (en 1998)

52


6) Sites internet de fabricants[1] : Fairchild - Power Supply Design Toolkit

http://www.fairchildsemi.com/designcenter/[2] : Linear Technology - SwitcherCAD III

http://www.linear.com/[3] : National Semiconductor – WeBENCH

http://www.national.com/appinfo/power/webench/[4] : On Semiconductor - Power 4-5-6 Plus

http://www.onsemi.com/site.support/models/[5] : STMicroelectronics - VIPer Design

http://www.st.com/stonline/prodpres/discrete/vipower/vipfm5.htm[6] : Texas Instruments - SWIFT Designer Software

http://focus.ti.com/docs/tollsw/folders/print/swift-sw.html[7] : Würth – Inductances

http://www.we-online.com/[8] : Panasonic – Condensateurs faible ESR

Chez http://www.radiospares.fr Source : Elektor, janvier 2005, revue N° 319, pp. 68-69, Concevoir des alimentations


7) BibliographieØ J.–P. FERRIEUX, F. FOREST, Alimentations à découpage - Convertisseurs à résonance, DUNOD, 3e

édition, 1999.

ØH. SCHREIBER, 300 Schémas d'alimentation : Redresseurs, Alimentations à découpage et Régulateurs linéaires, Convertisseurs , Dunod, 1998, 244 pages.

ØP. MAYE, Les alimentations électroniques, 2001, DUNOD, 464 pages.

ØG. SEGUIER, Volume 1 : La conversion alternatif–continu, Lavoisier TEC&DOC, 2° édition, septembre 1992, 386 pages.

ØR. BAUSIERE, F. LABRIQUE, G. SEGUIER, Volume 3. La conversion continu–continu, éditions TEC&DOC, 1997.

ØG. SEGUIER, L'électronique de puissance : les fonctions de base et leurs applications - Cours et exercices résolus, DUNOD, 6eme édition, 1998, 388 pages.

ØN. MOHAN, T.M. UNDELAND, W.P. ROBBINS, Power Electronics - Converters, Applications andDesign, John Wiley & Sons, 1995 second edition, 802 pages.

ØP.-T. KREIN, Element of power electronics, Oxford University Press, 1997.

Ø [D3150][D3151][D3152], Electronique de puissance : Introduction générale, H. FOCH, R. ARCHES, F. BORDY, Y. CHERON, B. ESCAUT, P. MARTY et M. METZ, Techniques de l'Ingénieur, 1989.

Ø [E3620], Systèmes d'alimentation pour équipements électroniques, A. CAILLOT, Technique de l'Ingénieur,février 1998.

Ø [E380], Alimentations continues stabilisées, B. BOUTOUYRIE, Technique de l'Ingénieur, mai 2002.

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