Dimensionnement et mise en oeuvre d`un hacheur survolteur

APPLICATION NOTE
p09AB06
Dimensionnement d’un hacheur survolteur
Année 2009 – 2010
Client : Christophe PASQUIER
Tuteur technique : Christophe PASQUIER
Tuteur industriel : Xavier CLAVAUD
Auteur : Kamel EL MELOUANI
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SOMMAIRE
INTRODUCTION ............................................................................................................................................................ 5
1.
LE HACHEUR SURVOLTEUR .................................................................................................................................. 6
2.
DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTS ......................................................................................................... 10
2.1.
2.1.1.
CALCUL DE L’INDUCTANCE................................................................................................................. 10
2.1.2.
CHOIX DU TORE .................................................................................................................................. 11
2.1.3.
CALCUL DU NOMBRE DE TOURS........................................................................................................ 11
2.2.
DIMENSIONNEMENT DU CONDENSATEUR DE SORTIE ............................................................................. 12
2.2.1.
CALCUL DE LA CAPACITE .................................................................................................................... 12
2.2.2.
CHOIX DU CONDENSATEUR ............................................................................................................... 12
2.3.
3.
DIMENSIONNEMENT DE L’INDUCTANCE................................................................................................... 10
CHOIX DES SEMI-CONDUCTEURS .............................................................................................................. 12
2.3.1.
CHOIX DE LA DIODE............................................................................................................................ 12
2.3.2.
CHOIX DU MOSFET ............................................................................................................................. 13
2.3.3.
DRIVER ................................................................................................................................................ 13
2.3.4.
OPTOCOUPLEUR................................................................................................................................. 13
TESTS DE LA CARTE HACHEUR SURVOLTEUR .................................................................................................... 15
3.1.
TEST DES TENSIONS D’ENTREE ET DE SORTIE ........................................................................................... 15
3.2.
TEST DES SIGNAUX ..................................................................................................................................... 16
3.2.1.
TEST DE LA COMMANDE .................................................................................................................... 16
3.2.2.
TEST DE LA TENSION DRAIN-SOURCE ................................................................................................ 16
3.2.3.
TEST DE LA TENSION DIODE............................................................................................................... 17
3.2.4.
TEST DU COURANT DANS L’INDUCTANCE ......................................................................................... 17
CONCLUSION .............................................................................................................................................................. 18
ANNEXES ............................................................................................................................. Erreur ! Signet non défini.
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TABLE DES MATIERES
Figure 1 : Schéma du hacheur survolteur..................................................................................................................... 6
Figure 2 : Phases de fonctionnement du hacheur survolteur ...................................................................................... 7
Figure 3 : Prototype réalisé ........................................................................................................................................ 15
Figure 4 : Copie écran visualisation des tensions à l’oscilloscope .............................................................................. 16
Figure 5 : Copie écran visualisation des tensions à l’oscilloscope .............................................................................. 16
Figure 6 : Extrait de la norme UTE C93-703 (1) ................................................................... Erreur ! Signet non défini.
Figure 7 : Extrait de la norme UTE C93-703 (2) ................................................................... Erreur ! Signet non défini.
Figure 8 : Schéma de routage .............................................................................................. Erreur ! Signet non défini.
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INTRODUCTION
Dans le cadre de notre formation d’ingénieur au département Génie Electrique de
Polytech’Clermont-Ferrand (anciennement C.U.S.T), nous devons réaliser un projet de type industriel,
qui s’intitule « Générateur de commande PWM pseudo-aléatoire d’un hacheur survolteur ». Ce projet
s’étale sur nos deux dernières années de formation. Pour cela nous devons réaliser une étude de
faisabilité en quatrième année (48 heures), en proposant une solution au client lors d'une revue d'appel
d'offre, et la conception du produit en cinquième année (250 heures). Ce projet est proposé par le
LASMEA, LAboratoire des Sciences et Matériaux pour l’Electronique et l’Automatique. Notre client est
M. Pasquier, maître de conférence en compatibilité électromagnétique (C.E.M.) au département GE de
Polytech’Clermont-Ferrand qui est rattaché au LASMEA. Nous avons pour nous aider et nous encadrer
Mr. James, Mr. Laffont et Mr. Pasquier, enseignants au département GE de Polytech’Clermont-Ferrand
et un tuteur industriel Mr Clavaud, ingénieur chargé de projet.
L’objectif de ce projet est de mettre en place une commande particulière (signal MLI à fréquence
variable et rapport cyclique constant) sur microcontrôleur, afin de piloter des interrupteurs de puissance
et de valider les recherches menées par le LASMEA. Afin de bien nous rendre compte des résultats et
pour une raison démonstrative, les études seront réalisées avec une carte de puissance utilisant un
hacheur survolteur. Il est donc nécessaire pour concevoir cette carte de puissance de la dimensionner.
Cette « application note » décrite dans ce rapport, sera à appliquer et à suivre pour réaliser ce genre
de carte. Elle décrit la méthode à suivre pour dimensionner et mettre en œuvre un hacheur survolteur.
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1. LE HACHEUR SURVOLTEUR
SURVOLTEU
1.1. GENERALITES
Lorsque l’on désire augmenter la tension d’une source continue, on peut utiliser le
hacheur parallèle de type BOOST, appelé également hacheur survolteur.
Ce dispositif de l’électronique de puissance est un convertisseur continu - continu
mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et qui permet de modifier la
valeur de la tension d'une source de tension continue avec un rendement élevé. Le
découpage se fait à une fréquence très élevée ce qui a pour conséquence de créer une
tension moyenne.
Les hacheurs de puissance sont utilisés pour la variation de vitesse des moteurs à
courant continu. De même, les véhicules hybrides ainsi que les systèmes d'éclairage sont
deux exemples typiques d'utilisation de ces hacheurs.
1.2. SYNOPTIQUE DU HACHEUR SURVOLTEUR
Figure 1 : Schéma du hacheur survolteur
Dans notre cas, la partie puissance
uissance aura pour rôle d'élever la tension d'entrée, qui sera du
12V, et de transmettre fidèlement le signal de commande jusqu’à la gâchette de
l’interrupteur.
Le hacheur survolteur est composé d’une inductance, d’une diode, d’un condensateur de
sortie, et bien sûr, d’un interrupteur de puissance.
De plus, une isolation galvanique sera réalisée à l’aide d’un optocoupleur afin d’isoler
galvaniquement la partie commande
ommande de la partie puissance. Pour aider à la commutation, on
ajoute un driver en amont de l’interrupteur de puissance. On peut également prévoir un
circuit d’aide à la commutation (CALC).
Le schéma utilisé pour réaliser notre carte est en annexe.
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1.3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Nous allons diviser en deux phases distinctes le fonctionnement du hacheur
survolteur selon l'état de l'interrupteur Tp :
•
De 0 à αT : phase d'accumulation d'énergie
L’interrupteur Tp est fermé (état passant), cela entraîne l'augmentation du courant
dans l'inductance donc le stockage d'une quantité d'énergie sous forme d'énergie
magnétique. La diode D est alors bloquée et la charge est alors déconnectée de
l'alimentation.
•
De αT à T : phase de roue libre
L'interrupteur est ouvert, l'inductance se trouve alors en série avec le générateur. Sa
f.e.m. s'additionne à celle du générateur (effet survolteur). Le courant traversant
l'inductance traverse ensuite la diode D, le condensateur C et la charge R. Il en
résulte un transfert de l'énergie accumulée dans l'inductance vers la capacité, qui va
fixer la tension de sortie.
Figure 2 : Phases de fonctionnement du hacheur survolteur
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Etude réalisée avec les hypothèses suivantes : (circuit idéal)
Le condensateur de sortie a une capacité suffisante pour fournir une tension constante, au
cours d'un cycle de fonctionnement, à la charge (Résistance)
La chute de tension aux bornes de la diode est nulle
Pas de pertes dans les composants d'une manière générale
Dans la réalité, les imperfections des composants réels peuvent avoir des effets importants sur le
fonctionnement du convertisseur.
Mode conduction continue : le courant IL traversant l'inductance ne s'annule jamais
De 0 à αT :
L’interrupteur Tp est fermé pendant l’état passant : le courant iL augment de la
manière suivante :
e L
À la fin de l'état passant, le courant IL a augmenté de :
α étant le rapport cyclique. Il représente la durée de la période T pendant laquelle
l'interrupteur S conduit. α est compris entre 0 (S ne conduit jamais) et 1 (S conduit
tout le temps).
De αT à T :
L'interrupteur Tp est ouvert pendant l'état bloqué, le courant traversant l'inductance
l
circule à travers la charge. Si on considère une chute de tension nulle aux bornes de
la diode et un condensateur suffisamment grand pour garder sa tension constante,
l'évolution de IL est :
Par conséquent, la variation de IL durant l'état bloqué est :
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En considérant que le régime permanent est atteint, l'énergie
l'énergie stockée dans
l'inductance est donnée par :
En conséquence, le courant traversant l'inductance est le même au début et à la fin
de chaque cycle de commutation. Il advient donc :
Soit :
Après simplifications, nous pouvons réécrire cette équation de la façon suivante :
Grâce à cette dernière expression, on peut voir que la tension de sortie est toujours
supérieure à celle d'entrée (le rapport cyclique variant entre 0 et 1), qu'elle
augmente avec α, et que théoriquement
théoriquement elle peut être infinie lorsque α se rapproche
de 1. C'est pour cela que l'on parle de survolteur.
Par exemple, si on a un rapport cyclique α = 0.5 et une tension d’entrée
d’entr de 12V, on
obtiendra en sortie une tension
tens
de 24V.
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2. DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTS
Dans cette partie, nous allons voir comment choisir les éléments qui
permettent de constituer et d’assurer le fonctionnement du système.
Pour dimensionner les composants d’un convertisseur, il faut connaître la
puissance d’entrée et la puissance de sortie souhaitée, le courant d’entrée et le
courant de sortie, ainsi que la tension d’entrée.
Pe = Puissance d’entrée = 100W
Ps = Puissance de sortie = 100W
Ve = Tension d’entrée = 12V
Vs = entre 13.3V et 120V
Ie = Courant d’entrée = 10A
Is = Courant de sortie = 1A
Ie × cosρ 8.3 A soit Ie max √2 × Ie = 11.7 A.
dI = 15% afin de diminuer les pertes par hystérésis, dI 0.15 × Ie max 1.7 A.
dVs = Vs – Ve = 120 – 13.3 = 106.7 V.
2.1. DIMENSIONNEMENT DE L’INDUCTANCE
Le calcul de l’inductance débute par le calcul du courant d’entrée maximal.
On impose la fréquence de découpage en haute fréquence et on vérifie si
l’ondulation de courant est correcte en basse fréquence.
Après calculs, l’inductance peut se trouver dans le marché ou bien être fabriquée.
Pour notre cas, nous l’avons conçu et nous vous présenterons comment nous y
sommes parvenus.
2.1.1. CALCUL DE L’INDUCTANCE
On dimensionne L ainsi :
dIe max "
× α × T $.% . αmax
L '( )*+.%
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Après calcul, la self utilisée doit faire au minimum 877 µH dans notre
cas. Une valeur plus importante permettrait de diminuer
l’ondulation. Sa valeur peut être testée à laide d’un analyseur de
spectre, qui permet entre autre de bien vérifier si elle tient en
fréquence (abaque de Smith).
2.1.2. CHOIX DU TORE
Le tore choisi est un tore de chez Ferroxcube. Le matériau est le 3E25.
Il permet de réduire les pertes à température élevée et sa fréquence
d’utilisation est comprise entre 10kHz et 100kHz ce qui correspond à
notre application.
Son AL = 3820. La référence de ce tore est 4330 030 3716.
Il faut également prévoir un tore avec un diamètre suffisamment
grand pour faire passer le nombre souhaité de tours de fil (sachant
que ce dernier est un fil de cuivre de diamètre 1 dans notre cas).
2.1.3. CALCUL DU NOMBRE DE TOURS
On a :
Avec
L N² × AL
L = inductance en mH
N = nombre de tours
AL = inductance du tore par tours carrés en nH/tr²
On a alors : N √(L⁄AL) = √(877.10-6/382.10-9) = 15 tours
La self comptera donc 15 tours par enroulement.
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2.2. DIMENSIONNEMENT DU CONDENSATEUR DE SORTIE
On impose la fréquence de découpage en haute fréquence et on vérifie si
l’ondulation de courant est correcte.
2.2.1.
CALCUL DE LA CAPACITE
On dimensionne C :
La charge fournie est donnée par : dQ Is. α. T
On admet une ondulation de tension dVs : dVs C
'2
'5
Is. α.
6
'5
'2
3
(5.α
'5.%
2.2.2. CHOIX DU CONDENSATEUR
Un condensateur de sortie de 47µF 400V suffit pour obtenir une
tension de sortie continue acceptable.
2.3. CHOIX DES SEMI-CONDUCTEURS
Comme nous l’avons étudié précédemment, nous avons du choisir un
MOSFET et une diode rapide.
2.3.1. CHOIX DE LA DIODE
La diode utilisée doit être extrêmement rapide. Les pertes par
recouvrements inverses sont générées par ses diodes, en
conséquence, plus elles seront bonne, moins il y aura de pertes.
Notre choix s’est porté sur des diodes de chez IXYS. Ce sont des diodes
peu coûteuses, très rapides (quelques ns).
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2.3.2. CHOIX DU MOSFET
Tension drain source = 120V, on choisira donc un modèle qui
supportera une tension supérieure.
Le transistor choisi doit pouvoir supporter à ses bornes la tension qui
va lui être imposée, et doit également fonctionner à la fréquence
désirée. Une des raisons d’avoir choisi un MOSFET est sa fréquence de
fonctionnement qui dépasse les 100kHz.
Le MOSFET choisi est le STW40NF20 de chez ST Microelectronics. Le
courant de drain maximal est de 40A, sa tension maximale est de 200V
et enfin sa résistance à l’état passant (Rdson) est de 0.038 Ohms
typique.
2.3.3. DRIVER
Un driver a été rajouté, il s’agit du TC1314N de chez MicroChip. Il
s’agit d’un composant d’aide à la commutation. Pour aider à la
commutation du transistor étant donnée de l’énergie importante à
transférer, des circuits intégrés existent. Il s’agit de drivers. Ils se
connectent aux bases des transistors et envoie un courant
suffisamment important pour assurer la commutation d’un état
ouvert/fermé à un état fermé/ouvert.
2.3.4. OPTOCOUPLEUR
Afin d’assurer l’isolation galvanique entre la commande et la
puissance, nous avons ajouté un optocoupleur en amont du transistor.
Il s’agit du HCPL2212 de chez Hewlett Packard.
L’alimentation des circuits intégrés :
Le driver et l’optocoupleur sont alimentés par une tension continue.
En effet, il est nécessaire d’alimenter l’électronique qui compose le
hacheur. Il faut penser à dimensionner ses alimentations,
généralement en +15 V pour qu’elles délivrent le courant souhaité
(voir les documentations respectives). Dans notre cas, nous pouvons
choisir de les alimenter en 12V, tension d’entrée du hacheur.
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Radiateur de dissipation :
Afin de dissiper et d’évacuer la chaleur émises par les semiconducteurs, il est souvent nécessaire de placer un radiateur de
dissipation au dos de ceux-ci en y interposant de la pâte thermique.
Circuit d’aide à la commutation :
Afin d’aider le transistor à la commutation et de protéger contre les
surtensions à l’ouverture, il est possible d’ajouter un circuit d’aide à la
commutation, composé d’une diode en série avec une capacité et
d’une résistance en parallèle.
Protection par fusible :
Afin de protéger les composants et la carte, nous avons placé un
fusible, dimensionné selon le courant circulant à l’entrée et le courant
à ne pas dépasser dans les composants. Pour notre carte, il s’agit d’un
fusible 20A.
Points de tests :
Dans le but de faciliter la mise en œuvre et les tests sur la carte, il est
intéressant, voir primordial, de prévoir des points de tests, placés
judicieusement. Par exemple, pour tester le signal de commande,
nous avons créé un point de test à l’entrée de la commande, en sortie
de l’optocoupleur, puis à la sortie du driver.
Routage :
Le routage est une partie très importante. Voici quelques règles à
respecter :
Prendre en compte les contraintes CEM (éviter les boucles, les
angles à 90°, le placement des composants est important)
Prendre en compte le courant qui traverse les pistes pour en
déterminer la largeur de pistes (voir extrait de la norme UTE C
93-703 en annexe)
Aligner les semi-conducteurs sur le bord de carte pour placer le
radiateur de dissipation, placer les connecteurs en bord de
carte également.
Les schémas de routage sont en annexe de ce rapport.
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3. TESTS DE LA CARTE HACHEUR SURVOLTEUR
Tension
de sortie
Tension
d’entrée
Signal de
commande
MOSFET
Figure 3 : Prototype réalisé
3.1. TEST DES TENSIONS D’ENTREE ET DE SORTIE
A l’aide d’un oscilloscope, on vérifie si la tension d’entrée est correcte, et bien
sûr, si la tension de sortie est celle attendue.
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Figure 4 : Copie écran visualisation des tensions à l’oscilloscope
3.2. TEST DES SIGNAUX
On visualise les différents signaux suivants afin de vérifier le bon
fonctionnement du système :
-
Commande (1)
Courant inductance (4)
Tension VDS (3)
Tension diode (2)
Figure 5 : Copie écran visualisation des signaux à l’oscilloscope
3.2.1. TEST DE LA COMMANDE
Nous avons bien le signal de commande désirée, il s’agit d’un signal
carré, ici à fréquence constante et rapport cyclique fixe.
3.2.2.
TEST DE LA TENSION DRAIN-SOURCE
La tension drain source est complémentaire au signal de commande.
Elle est nulle quand la diode conduit et négative quand la diode est bloquée.
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3.2.3. TEST DE LA TENSION DIODE
Nous pouvons remarquer que la tension diode est correcte, elle est
complémentaire au signal de commande également : lorsque le transistor est
commandé, la tension aux bornes de la diode est nulle, elle est bloquée ;
lorsque le transistor n’est pas commandé, la diode est passante, on a une
tension à ses bornes.
3.2.4. TEST DU COURANT DANS L’INDUCTANCE
Lorsque le transistor est commandé, nous sommes dans une phase
d’accumulation d’énergie, c’est-à-dire que le courant dans l’inductance
augmente. C’est ce que nous pouvons voir sur la figure ci-dessus, malgré le
retard engendré. Lorsque c’est la diode qui conduit, l’inductance se décharge,
et l’énergie est transférée au condensateur de sortie. Nous voyons dans cette
phase que le courant chute.
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CONCLUSION
Ce document a présenté la méthode à suivre pour dimensionner un hacheur
survolteur ainsi que le protocole de test que nous avons appliqué en le commentant de ce
qui est positif, négatif, de ce qui aurait pu être amélioré et de résultats. Ce protocole se veut
un exemple pour les étudiants qui seront susceptibles de reprendre le projet ou une
personne souhaitant travailler sur ce genre de carte de puissance.
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