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

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

2 29/09/2013 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 »)

3 29/09/2013 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»

4 29/09/2013 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 dune inductance. Peut présenter des problèmes dinstabilité surtout pour le convertisseur élévateur.

5 29/09/2013 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.

6 29/09/2013 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 lentrée et la sortie.

7 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 7 CIRCUIT ABAISSEUR CIRCUIT

8 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 8 CIRCUIT ABAISSEUR FORMES DONDES

9 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 9 CIRCUIT ABAISSEUR Rendement (excluant les pertes de commutation)

10 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 10 CIRCUIT ABAISSEUR Influence de la fréquence (1/T) T on sajuste par rapport à T pour obtenir V o. On serait tentés daugmenter 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 lon commute à haute vitesse. En pratique, les alimentations à découpages fonctionnent entre 25 kHz et 50 kHz

11 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 11 CIRCUIT ABAISSEUR COMMUTATION (CAS IDÉAL)

12 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 12 CIRCUIT ABAISSEUR Rendement incluant les pertes de commutation (cas idéal) P(T on ) = P(T off ) = P(T s ) = Rendement (cas idéal)

13 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 13 CIRCUIT ABAISSEUR COMMUTATION (PIRE CAS)

14 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 14 CIRCUIT ABAISSEUR Rendement incluant les pertes de commutation (pire cas) CAS PIRE Rendement (pire cas) P(T on ) = P(T off ) = P(T s ) =

15 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 15 CIRCUIT ABAISSEUR Inductance La pente de charge du courant est fixe parce quelle ne dépend que de (V dc – V o ) +I 1

16 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 16 CIRCUIT ABAISSEUR Mode discontinu Lorsque I o diminue jusquà (I 2 – I 1 )/2, le courant dans linductance devient nul et on obtient le mode « discontinu » I o nom = 5A et I o min = 1 A

17 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 17 CIRCUIT ABAISSEUR Mode discontinu Même si le mode discontinu nest pas prohibé, nous assumerons un courant I o min = 0.1 x I on (out nominal). Nous pourrons donc fixer une valeur pour L I o nom = 5A et I o min = 1 A

18 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 18 CIRCUIT ABAISSEUR Calcul de linductance L dI est la variation de courant durant le temps de conduction T on pour rester à la limite du mode discontinu avec une charge I o min. Commealors

19 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 19 CIRCUIT ABAISSEUR Calcul de linductance 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 I 2 = 1.1 I o nom., la rampe sera linéaire. On doit donc concevoir linductance pour ne pas quelle sature même lorsque le courant C.C. qui y circule vaut 1.1 I o nom.

20 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 20 CIRCUIT ABAISSEUR Choix du condensateur C o : Le condensateur C o est en fait constitué de C o, R o et L o en série. On peut négliger L o pour la plage de fréquence qui nous intéresse. On doit minimiser R o, la résistance équivalente en série ou « ESR ». Habituellement, pour les condensateurs couramment disponibles, le produit R o x C o = 50 à 80 x 10 -6

21 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 21 CIRCUIT ABAISSEUR La tension de ronflement à la sortie V or (« ripple ») aux bornes de la charge est due à C o (V cr ) et à R o (V rr ). V r = V cr + V rr. La contribution de V rr est habituellement beaucoup plus significative que celle de V cr Exemple pratique nous permet de le constater. Concevoir une alimentation à découpage de type abaisseur avec les spécifications suivantes : V dc = 20 V, V o = 5V, I on = 5A, f=25Khz et I o min. = 0.1 x I o nom. = 0.5 A.

22 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 22 CIRCUIT ABAISSEUR Calcul de la crête positive de V cr Calcul de C o = 1300 uF en assumant un valeur moyenne de R o C o = 65 x Supposons un ronflement V or = 0.05V dû principalement à R o, i,e V or V rr. = R o x (I 2 – I 1 ) où ( I 2 – I 1 ) = 1A et R o = 0.05 Ω. En assumant que R o C o = 50 x alors C 0 = 1000 uF V cr (crête-crête ) = 2x Vcr = 0.01 V Comme on peut le constater Vcr est environ 4 fois plus petit que V rr

23 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 23 CIRCUIT ABAISSEUR Calcul du rendement η Pour une telle alimentation, quel sera le rendement ? Supposons T s /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 %

24 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 24 CIRCUIT ÉLÉVATEUR Augmente la tension Possibilité doscillation si fonctionnement en mode continu Utile pour produire des tensions C.C. élevées à partir de piles (tensions basses) En remplaçant linductance L par un transformateur avec plusieurs enroulement secondaires, on produit un circuit « Flyback » utilisé dans la plupart des alimentations à haute tension.

25 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 25 CIRCUIT ÉLÉVATEUR E = 0.5 L 1 I p 2

26 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 26 CIRCUIT ÉLÉVATEUR

27 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 27 CIRCUIT ÉLÉVATEUR

28 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 28 CIRCUIT ÉLÉVATEUR On sassure davoir un temps mort T dt pour que lénergie emmagasinée soit complètement transféré à la charge. T dt = 0.2 T (empirique) A chaque cycle, lénergie moyenne dans linductance est nulle. Il ny a pas de courant continu dans linductance. On résout pour trouver T on en fonction de V o et de V dc.

29 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 29 CIRCUIT ÉLÉVATEUR CONCEPTION Si la charge dépasse la valeur maximale permise (< R o ) ou que V dc diminue, T on augmentera au détriment de T dt qui sera réduit. Pour éviter cette situation, on peut empêcher T on daugmenter en verrouillant la tension derreur V ea. On calcule ensuite I p pour choisir le bon transistor. À partir de Ton, V dc, R o (pour un courant de charge maximum ) et k=0.8, on trouve L 1 avec

30 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 30 CIRCUIT INVERSEUR CIRCUIT

31 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 31 CIRCUIT INVERSEUR FORMES DONDES

32 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 32 CIRCUIT INVERSEUR Lorsque Q 1 conduit, le courant augmente linéairement dans linductance L o jusquà une valeur maximale I p. Lorsque Q 1 est bloqué, la polarité aux bornes de Lo sinverse. Le courant dans D 1 diminue linéairement en chargeant C o avec une polarité négative. Si le courant devient nul avant que le prochain cycle de conduction débute, la puissance transmise à la charge sera :

33 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 33 CIRCUIT INVERSEUR Sachant que On obtient la relation

34 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 34 CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR On obtient la relation Afin de sassurer que toute lénergie emmagasinée dans linductance Lo soit transmise à la charge, nous devons être dans le mode discontinu. Nous assumerons donc un temps mort « dead time, T dt entre le temps de charge T on et le temps de décharge T r. Un temps T dt = 0.2T est acceptable.

35 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 35 CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR On obtient : Quand toute lénergie emmagasinée dans L o est transférée à la charge R o, on a : Combiné avec léquation

36 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 36 CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR On calcule ensuite L o avec En spécifiant les valeurs suivantes : On calcule T on avec

37 29/09/2013 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 37 CIRCUIT INVERSEUR CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR Le choix de T, du condensateur C o et du rendement η seffectuent comme pour le convertisseur abaisseur


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