5ème année PTP énergie

INSA de Toulouse
Département GEI
5ème année PTP énergie
Année 2012-2013
TP convertisseurs de puissance
- 5ème année PTP énergie -
I] Organisation des séances :
Etudiants non issus de 4AE
Etudiants issus de 4AE
Séance 1
TP 4AE
TD sur l'alimentation à découpage.
Séance 2
TP 4AE
Dimensionnement et bobinage du
transformateur.
Séance 3
TP 4AE
Dimensionnement et bobinage de
l'inductance.
Séance 4
TP 4AE
Test de la forward. Analyse des formes
d'onde. Bilan énergétique. Mesure du
rendement.
Séance 5
TD sur l'alimentation à découpage.
Conception de l'asservissement : boucle
de courant. Câblage et validation de la
boucle de courant.
Séance 6
Dimensionnement et bobinage du
transformateur.
Conception et câblage boucle de tension.
Séance 7
Test de la forward. Analyse des formes
d'onde. Bilan énergétique. Mesure du
rendement.
Test final avec les deux boucles de
régulation.
II] Evaluation :
Cette série de TP sur les convertisseurs de puissance sera évaluée de deux manières :
1. Un rapport par binôme à rendre à l'issue de la dernière séance de TP.
2. Contrôle continu : il sera tenu compte de l'implication de chaque étudiant durant les séances
de TP, de l'état d'avancement du projet, ainsi que de l'autonomie de chaque binôme.
NB : en cas de grosse différence de niveau et/ou d'implication durant les séance TP, l'enseignant se
réserve la possibilité de distinguer les deux notes au sein d'un même binôme.
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III] Cahier des charges :
On désire faire fonctionner une alimentation à découpage de type forward ayant les caractéristiques
suivantes :
●
tension d'alimentation :
E = 30 V
●
Tension de sortie nominale :
Us =12 V
●
Fréquence de découpage :
Fdec = 100 kHz
●
Puissance disponible en sortie de l'alimentation
Ps = Us·Is = 30 W
Le schéma électrique de l'alimentation forward est donné sur la figure ci-dessous :
VD2
I2
IL(t)
IS
D2
I1
V1
V3
V2
DRL
VDRL
+
V4(t)
E
VT1
T1
C
-
RCH US
VD3
D3
I3
Figure 1 : schéma électrique de l'alimentation forward.
III] Travail à réaliser :
3.1] Effectuer le TD sur l'alimentation à découpage.
3.2] Dimensionnement et bobinage du transformateur :
Le noyau ferrite choisi pour réaliser le transformateur est le suivant :
Fabricant :
EPCOS
Modèle géométrique du noyau :
ETD 39/20/13
Matériau utilisé :
N97
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Pour un rapport cyclique donné égal à 40%, on désire obtenir une tension de sortie théorique
U s =12 V .
n2
Q1] Déterminer la valeur du rapport de transformation k =
.
n1
D'autre part, on choisira le même nombre de spires sur les enroulements primaire et tertiaire :
n 3=n 1 .
Chacun des enroulements du transformateur sera bobiné avec du fil de Litz : il s'agit d'un fil
multibrins spécial qui permet de limiter les conséquences indésirables de l'effet de peau. Le fil de
Litz est particulièrement bien indiqué lorsqu'il s'agit de faire circuler des courants d'intensité élevée
et de haute fréquence. Nous allons à présent vérifier si les sections choisies pour les fils de Litz sont
adéquates.
Etude du dimensionnement du fil de Litz utilisé au secondaire :
Q2] Calculer la valeur efficace de l'intensité du courant qui circule dans l'enroulement secondaire
(notée I2eff).
On utilise pour l'enroulement secondaire un fil de Litz ayant les caractéristiques suivantes :
Nombre de brins :
Nb2 = 60
Diamètre de chaque brin :
Φbrin = 0,1 mm
Q3] Déterminer la densité de courant qui circule dans l'enroulement secondaire (notée j2eff). La
valeur trouvée vous semble-telle acceptable ?
Etude du dimensionnement du fil de Litz utilisé au primaire :
Q4] Calculer la valeur efficace de l'intensité du courant qui circule dans l'enroulement primaire
(notée I1eff).
Q5] Peut-on utiliser le même fil de Litz pour bobiner les enroulements primaire et secondaire ? Si
oui, quelle serait la densité de courant obtenue au primaire (notée j1eff) ?
Détermination du nombre de spires :
Nous allons choisir les nombres de spires n1, n2 et n3 de manière à satisfaire deux critères. D'une part
on se fixe une valeur maximale pour le champ B présent dans le circuit magnétique. D'autre part, on
s'impose une limite maximale pour le courant magnétisant absorbé par le circuit primaire du
transformateur. Détaillons à présent les deux critères :
●
Critère n°1 :
B max  0,1 T
Q6] Déterminer la valeur maximale du flux magnétique qui circule dans le pot ferrite (notée φmax).
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Q7] Rappeler la relation qui existe entre le flux maximum φmax, la tension d'alimentation E le
rapport cyclique α, le nombre de spires n1 et la fréquence de découpage fdec. On se place dans le cas
le plus critique, lorsque le rapport cyclique est égal à 1/2. Déduire de cette relation une première
inégalité sur le nombre de spires n1.
●
Critère n°2 :
I mmax 
1
⋅k⋅I 2max
10
Le courant magnétisant est le courant absorbé par le primaire du transformateur lorsque tous les
autres enroulements sont déconnectés. On peut le définir mathématiquement à partir de la relation
d'Hopkinson :
n 1 I 1 t−n2 I 2 t n 3 I 3 t = R⋅ t = n1 I m t
Durant la phase 1 (pour 0t⋅T dec ), I3(t) = 0, donc la relation d'Hopkinson devient :
n2
R
I 1 t  = ⋅t ⋅I 2 t 
n1
n1
On peut également la réécrire :
I 1 t  = I m t k⋅I 2 t 
Ainsi, le critère n°2 nous impose que le courant magnétisant ne dépasse pas un dixième du terme
k⋅I 2 t 
Q8] A l'aide des valeurs fournies dans la documentation technique de l'ETD39, calculer la valeur
numérique de la réluctance du circuit magnétique.
Q9] On se place dans le cas le plus critique, lorsque le rapport cyclique est égal à 1/2. Exprimer la
relation qui relie Immax, la réluctance R, la tension d'alimentation E, le nombre de spires n1 et la
fréquence de découpage fdec. Déduire de cette relation une deuxième inégalité sur le nombre de
spires n1.
Q10] Choisir le nombre de spires n1 de manière à satisfaire les deux inégalités issues des critères
n°1 et 2.
Q11] Déterminer la valeur théorique de l'inductance magnétisante du transformateur.
Q12] Bobiner le transformateur.
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3.3] Dimensionnement et bobinage de l'inductance :
3.3.1) Petit cours préalable :
Avant de commencer le dimensionnement de l'inductance, il est nécessaire d'introduire quelques
notions théoriques indispensables.
Le circuit magnétique utilisé est un pot ferrite de type ETD. Il est représenté sur la figure 2.a. Dans
le but de simplifier les calculs, nous allons raisonner sur un circuit magnétique torique équivalent
(figure 2.b). Ce deuxième circuit est caractérisé par les paramètres suivants :
● Ae : section équivalente (effective area),
● le : longueur équivalente (effective length),
● µe : perméabilité magnétique relative équivalente.
l
l
●
  = e : facteur de noyau (core factor).
A
Ae
Tous ces paramètres sont en général donnés dans chaque documentation technique relative à tout
noyau ferrite.
Ae : section équivalente
IL
B
n spires
IL
B
VL
e/2
+
VL
n spires
e : entrefer
+
le : longueur équivalente
A) Pot ferrite de type ETD.
B) Circuit magnétique équivalent.
Figure 2 : équivalence entre le pot ferrite réel et un cicrcuit torique équivalent.
A partir du théorème d'Ampère, on peut démontrer qu'il existe une analogie entre les équations
magnétiques (relation d'Hopkinson) et les équations électriques (loi des noeuds). Cette analogie est
illustrée sur la figure 3.
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φ
φ
IL
VL
n spires
Rfer
e
n.IL
Rair
A) Circuit magnétique équivalent.
B) Modèle issu du cicruit magnétique.
Figure 3 : analogie entre la loi d'Ohm et la relation d'Hopkinson.
On note φ le flux magnétique qui circule dans le pot ferrite. La relation d'Hopkinson s'écrit de la
manière suivante :
n⋅I L = R tot⋅ =  R ferR air ⋅
(1)
Avec :
● Rfer désigne la réluctance du pot ferrite seul (sans entrefer). Cette réluctance est donnée par
1 le
1
l
⋅ =
⋅  
la formule suivante : R fer =
 0  e Ae  0  e
A
● Rair désigne la réluctance de l'entrefer. Celle-ci est donnée par la formule suivante :
1 e
Rair = ⋅
0 Ae
● Rtot désigne la réluctance totale du circuit magnétique (pot ferrite + entrefer). La réluctance
totale est donnée par : Rtot = R fer Rair
L'analogie entre la loi d'Ohm et la relation d'Hopkinson est la suivante :
Dans un circuit électrique, les résistances s'ajoutent lorsqu'elles sont connectées en série. Dans un
circuit magnétique, ce sont les réluctances qui s'ajoutent.
Etudions à présent la relation qui existe entre la valeur de l'inductance L et la reluctance totale du
circuit magnétique. Pour cela, nous disposons de trois égalités :
● D'une part, la relation des ampères-tours :
n⋅I L = R tot⋅ =  R ferR air ⋅
(1)
● D'autre part, l'expression de l'énergie magnétique stockée à un instant t dans l'inductance :
1
2
W t = L I L t 
(2)
2
● Enfin, une deuxième manière d'exprimer l'énergie stockée, en fonction de la réluctance du
circuit magnétique et du flux qui y circule :
1
2
W t = Rtot t 
(3)
2
A l'aide de l'équation (1), on exprime φ(t) en fonction de IL(t). Puis on remplace dans l'expession
(3). On obtient alors :
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
n I L t 
1
1
W t = L I L t 2 = Rtot
2
2
Rtot
Par identification, on obtient :

2
(4)
n2
(5)
Rtot
C'est à partir de cette dernière formule que l'on déterminera le nombre de spires nécessaire pour
l'inductance.
L=
Remarque concernant l'entrefer :
Dans le cas d'une inductance, on cherche à stocker de l'énergie magnétique, c'est pourquoi il est
judicieux d'introduire un entrefer.
Dans le cas d'un transformateur, en revanche, l'objectif n'est pas de stocker de l'énergie, mais au
contraire de la transférer du primaire vers le secondaire. C'est pourquoi les transformateurs ne
possèdent pas en général d'entrefer.
3.3.2) Dimensionnement de l'inductance :
On désire dimensionner l'inductance de manière à ce que l'ondulation du courant (notée ΔIL) soit
égale à 1/10 de sa valeur moyenne nominale :
1
 I L = ⋅〈 I L 〉
10
Q13] Représenter l'allure temporelle du courant dans l'inductance. Combien vaut sa valeur
moyenne?
Q14] Rappeler la relation qui existe entre l'ondulation ΔIL, la fréquence de découpage fdec et la valeur
de l'inductance L. Déduire de cette relation la valeur de L.
Q15] Déterminer la valeur moyenne de l'énergie stockée dans l'inductance.
Q16] On choisit un noyau ferrite de type ETD39/20/13 (matériau 3C90). A l'aide de la
documentation technique, déterminer la valeur de la réluctance du circuit magnétique seul (Rfer).
Q17] On s'impose un champ magnétique moyen dans le pot ferrite <B> = 0,25 T. Déterminer la
valeur moyenne du flux correspondant.
Q18] Déduire de la question précédente la valeur de la réluctance totale du circuit magnétique (Rtot).
Q19] Déterminer la valeur de la réluctance introduite par l'entrefer. En déduire la valeur de l'entrefer
e.
Q20] A partir des valeurs de Rtot et de L précédemment déterminées, choisir le nombre de spires
adéquat pour l'inductance.
Q21] Bobiner l'inductance. Choisir la bonne valeur de l'entrefer en insérant des feuilles de papier
dont on aura au préalable mesuré l'épaisseur à l'aide d'un pied à coulisse.
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NB : attention lors de cette phase : ne pas oublier que dans le cas du noyau ETD39, l'entrefer est
divisé en deux fois e/2.
3.4] Mise en oeuvre de l'alimentation à découpage :
Q22] Mettre en fonctionnement l'alimentation à découpage. Utiliser un GBF pour commander le
driver du transistor MOS (signal créneau 0-5V, de fréquence fdec=100kHz). Vérifier que les formes
d'onde obtenues correspondent bien aux résultats théoriques trouvés en TD.
Attention : Au cours de cette manipulation, veillez à ne pas faire de conflit de masse ! La masse de
l'oscilloscope doit impérativement être reliée à la masse du circuit.
3.4.1) Etude des caractéristiques de sortie de l'alimentation à découpage :
Q23] On désire mesurer la tension obtenue en sortie de l'alimentation forward, ainsi que le courant
qui circule dans la résistance de charge. On utilisera pour cela un voltmètre et un ampèremètre en
mode continu. Doit-on choisir un montage courte dérivation ou longue dérivation ?
Q24] Câbler le montage destiné à mesurer Us et Is.
On se place tout d'abord au régime de fonctionnement nominal tel qu'il a été défini en début du
sujet. Régler le rapport cyclique et la résistance de charge de manière à obtenir Us = 12 V et Ps =
Us*Is = 30 W.
Conserver la valeur de Rch ainsi choisie, et mesurer les variations de Us en fonction du rapport
cyclique. Représenter la caractéristique obtenue expérimentalement Us = f(α). Cette caractéristique
est-elle linéaire ? Le résultat est-il conforme à la théorie ?
Q25] Nous allons à présent étudier les variations de la tension de sortie en fonction de la résistance
de charge (Rch).
Pour une valeur de rapport cyclique α = 0,4, faire varier la résistance de charge. Tracer la
caractéristique obtenue Us = f(Is).
Réitérer les mesures pour α = 0,3, puis α = 0,2 et enfin α = 0,1. Vous devriez normalement obtenir
un réseau de courbes paramétrées ressemblant à la figure ci-dessous :
Us
α=0,4
α=0,3
α=0,2
α=0,1
0
Is
Figure 4 : caractéristiques de sortie de l'alimentation à découpage.
Q26] Vue de la sortie, on considère que l'alimentation à découpage se comporte comme un
générateur équivalent de Thévenin. Exploiter les courbes obtenues dans la question précédente pour
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déterminer les éléments de ce générateur :
● Tension à vide : Eth, : exprimer Eth en fonction du rapport cyclique α,
● Résistance interne du générateur : Rth.
3.4.2) Bilan de puissance de l'alimentation à découpage :
Q27] Se placer au point de fonctionnement nominal (Us = 12 V et Ps = Us*Is = 30 W). Mesurer la
puissance absorbée en entrée de l'alimentation forward. En déduire le rendement nominal de cette
dernière.
Q28] Quelle est la puissance totale dissipée par le dispositif ? Dans quels éléments se situent les
pertes ? A quoi sont dues les différentes pertes ?
Q29] Observer l'allure de la tension aux bornes du transitor MOS, et du courant qui le traverse.
Estimer les pertes par commutation du MOS.
Q30] Observer l'allure de la tension aux bornes de la diode D 3. Combien vaut sa tension de seuil
lorsque celle-ci est passante ? Observer également l'allure du courant qui traverse D3. Estimer les
pertes par conduction de D3.
Q31] A l'aide d'une sonde différentielle, observer l'allure des tensions aux bornes de D2 et DRL.
Combien valent les tensions de seuil lorsque celles-ci sont passantes ? A partir des résultats du TD,
estimer l'allure des courants qui traversent D2 et DRL. Estimer les pertes par conduction de ces deux
diodes.
Q32] En effectuant un bilan de puissance, estimer les pertes dues au transformateur.
3.4.3) Commande en courant de l'alimentation à découpage :
La régulation de l'alimentation à découpage s'effectue grâce à deux boucles.
● Une boucle de courant interne qui régule l'intensité du courant dans l'inductance de lissage,
● une boucle de tension externe qui régule la valeur de la tension de sortie Us.
Ces deux boucles de régulation permettent de transformer la forward en une source de tension de
valeur constante, quelle que soit la valeur de l'intensité absorbée en sortie. Evidemment, ceci n'est
valable que dans une certaine plage de valeurs de Is. Si on demande une intensité trop élevée en
sortie, l'alimentation forward ne sera pas capable de fournir une telle puissance, et la tension de
sortie s'effondrera.
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