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GPA667. CONCEPTION ET SIMULATION DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES. ALIMENTATIONS C.C. COMMUTÉE OU À DÉCOUPAGE. ALIM. À DÉCOUPAGE. Circuit abaisseur de tension (« Buck converter ») Circuit élévateur de tension (« Boost converter ») Circuit inverseur de tension (« Inverter »). ALIM. À DÉCOUPAGE.

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Presentation Transcript

  1. GPA667 CONCEPTION ET SIMULATION DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES ALIMENTATIONS C.C. COMMUTÉE OU À DÉCOUPAGE ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  2. ALIM. À DÉCOUPAGE • Circuit abaisseur de tension (« Buck converter ») • Circuit élévateur de tension (« Boost converter ») • Circuit inverseur de tension (« Inverter ») ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  3. ALIM. À DÉCOUPAGE • 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» ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  4. ALIM. À DÉCOUPAGE • 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  5. ALIM. À DÉCOUPAGE • 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  6. 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  7. CIRCUIT CIRCUIT ABAISSEUR ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  8. CIRCUIT ABAISSEUR FORMES D’ONDES ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  9. CIRCUIT ABAISSEUR Rendement (excluant les pertes de commutation) ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  10. CIRCUIT ABAISSEUR 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 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  11. CIRCUIT ABAISSEUR COMMUTATION (CAS IDÉAL) ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  12. P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) = CIRCUIT ABAISSEUR Rendement incluant les pertes de commutation (cas idéal) Rendement (cas idéal) ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  13. CIRCUIT ABAISSEUR COMMUTATION (PIRE CAS) ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  14. P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) = CAS PIRE CIRCUIT ABAISSEUR Rendement incluant les pertes de commutation (pire cas) Rendement (pire cas) ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  15. CIRCUIT ABAISSEUR • La pente de charge du courant est fixe parce qu’elle ne dépend que de (Vdc – Vo) Inductance +I1 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  16. CIRCUIT ABAISSEUR Mode 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 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  17. CIRCUIT ABAISSEUR Mode 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 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  18. CIRCUIT ABAISSEUR Calcul 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 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  19. CIRCUIT ABAISSEUR Calcul 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  20. CIRCUIT ABAISSEUR Choix 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 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  21. CIRCUIT ABAISSEUR La 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  22. CIRCUIT ABAISSEUR 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 Calcul de la crête positive de Vcr Vcr(crête-crête)= 2x Vcr = 0.01 V Comme on peut le constater Vcr est environ 4 fois plus petit que Vrr Calcul de Co = 1300 uF en assumant un valeur moyenne de RoCo = 65 x 10 -6 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  23. CIRCUIT ABAISSEUR Pour une telle alimentation, quel sera le rendement ? Calcul du rendement η 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 % ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  24. 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  25. CIRCUIT ÉLÉVATEUR E = 0.5 L1 Ip2 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  26. CIRCUIT ÉLÉVATEUR ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  27. CIRCUIT ÉLÉVATEUR ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  28. CIRCUIT ÉLÉVATEUR On 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  29. CIRCUIT ÉLÉVATEUR CONCEPTION À partir de Ton, Vdc, Ro (pour un courant de charge maximum ) et k=0.8, on trouve L1 avec On calcule ensuite Ip pour choisir le bon transistor. 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. ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  30. CIRCUIT CIRCUIT INVERSEUR ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  31. FORMES D’ONDES CIRCUIT INVERSEUR ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  32. CIRCUIT INVERSEUR 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 : ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  33. CIRCUIT INVERSEUR Sachant que On obtient la relation ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  34. CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR 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 la relation ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  35. CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR Quand toute l’énergie emmagasinée dans Lo est transférée à la charge Ro, on a : Combiné avec l’équation On obtient : ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  36. CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR En spécifiant les valeurs suivantes : On calcule Ton avec On calcule ensuite Lo avec ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

  37. CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR Le choix de T, du condensateur Co et du rendement η s’effectuent comme pour le convertisseur abaisseur ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE

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