Etude et Réalisation d’un convertisseur Buck régulé en tension Systèmes & Energies - ESME SUDRIA

SOMMAIRE Présentation et objectifs du projet Partie puissance Partie régulation Résultats pratiques Conclusion Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Cahier des charges : Alimentation régulée en tension 60 à 70 W Présentation et objectifs du projet Cahier des charges : Alimentation régulée en tension 60 à 70 W Tension d’entrée 20 à 30 V Tension de sortie 15 V Rendement > 90% Sans isolation galvanique Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Alimentation à découpage Partie puissance Alimentation à découpage Présentation et objectifs du projet 1. Généralités Avantages : Tension de sortie > ou < à la tension d’entrée Réduction taille des composants de filtrage Réduction de la taille des transformateurs d’isolement inversement proportionnelle à la fréquence de découpage Apparue dans les années 70 Fréquences comprises entre 20 et 200kHz Isolée / non isolée Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Choix de l’alimentation à découpage : Sans isolation galvanique Partie puissance Présentation et objectifs du projet 1. Généralités Choix de l’alimentation à découpage : Sans isolation galvanique Abaisseur de tension Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

2. Convertisseur Buck Présentation et objectifs du projet Mosfet Partie puissance Présentation et objectifs du projet 2. Convertisseur Buck Mosfet Fréquence de découpage: 80kHz Diode de roue libre Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Interrupteur MOSfet à l’état passant Présentation et objectifs du projet Interrupteur MOSfet à l’état passant MOSfet bloqué Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Dimensionnement générale Partie puissance Présentation et objectifs du projet 2. Convertisseur Buck Dimensionnement générale Rendement 𝞰 > ou égale à 85 %. 𝞰 *Ve*Ie = Vs*Is rapport cyclique : α = Vs/ 𝞰 Ve = 0,59 Pour 30V Ie=Pe/30 = 2,74 A Pour 20V Ie=Pe/30 = 4,12 A ondulation maximale de ce courant de 10% de sa valeur nominale : ΔI= 0,27 A ou ΔI= 0,41 A Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Conduction continue et discontinue Partie puissance Présentation et objectifs du projet 2. Convertisseur Buck Conduction continue et discontinue Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Dimensionnement Partie puissance Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

L= 285 µH 1 Dimensionnement de l’inductance Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance Expression ondulation de courant dans la bobine Expression de l’inductance L= 285 µH Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

1 Dimensionnement de l’inductance Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance Dimensionnement du tore. Principales grandeurs utiles: L’induction magnétique B L’intensité du champ magnétique H Le flux magnétique ɸ La perméabilité magnétique µ Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

1 Dimensionnement de l’inductance Partie puissance B Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance Dimensionnement du tore. H Matériau doux cycle d’hystérésis étroit Produit des aires (théorique): Produit des aires du tore ferrite: Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

1 Dimensionnement de l’inductance Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance Nombres de spires: Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Cth= 2,8 µF 2. Dimensionnement du condensateur Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 2. Dimensionnement du condensateur Cth= 2,8 µF On prendra C = 15O µF avec ESR = 0,05Ω Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

3. Dimensionnement des interrupteurs Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs MOSFET Transistor a effet de champ 3 broches : grille, drain, source Commande du transistor réalisé par la tension Vgs Transistor bloqué si |VGS| < |VTH| Transistor passant plus |VGS| > |VTH| Etat passant Rdson Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

3. Dimensionnement des interrupteurs Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs MOSFET Canal P Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

3. Dimensionnement des interrupteurs Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs MOSFET Puissance absorbée en commutation Puissance absorbée en conduction Puissance dissipée Pd = Pon + Pc Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

3. Dimensionnement des interrupteurs Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs Pertes joules Chaleur Rthra + Rthjb + Rthbr= (Tj - Ti)/P Rthra = (Tj - Ti)/P  - Rthjb - Rthbr Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

3. Dimensionnement des interrupteurs Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs Diode : continuité du courant 3 caractéristiques fondamentales pour dimensionner une diode : sa tenue en tension le courant et le seuil de tension. Diode Schottky Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

3. Dimensionnement des interrupteurs Partie puissance Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs Snubbers Réduire oscillations parasites Minimiser les pertes Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Partie régulation Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Asservir rapport cyclique MOS Partie puissance Partie régulation 1. Objectifs Réguler tension de sortie avec la variation de la tension d’entrée (30 – 20 V) Asservir rapport cyclique MOS Pour commander MOS : signal carré dont rapport cyclique varie selon entrée Technique utilisée: PWM ou MLI Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

2. PWM ( Pulse Width Modulation ) Partie puissance Partie régulation 2. PWM ( Pulse Width Modulation ) 2 signaux: une dent de scie et un signal de référence Ces deux signaux sont injectés dans un comparateur tout ou rien pour en extraire un signal carré qui sera ensuite injecté dans des bascules. Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Perturbations: échauffement des composants, rayonnement, CEM… Partie puissance Partie régulation 3. L’asservissement Perturbations: échauffement des composants, rayonnement, CEM… Système asservis en tension et en courant Shunt : une résistance de faible valeur permettant de mesurer le courant la traversant Utilisation d'un correcteur PI Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

4. Utilisation d’un contrôleur Partie puissance Partie régulation 4. Utilisation d’un contrôleur Difficultés : Limités en rapport cyclique Limités en fréquences Pas d’étage de commande du MOS Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013 Partie puissance LTC3824 Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

5. Simulation LTspice Tension d’entrée à 30V Partie régulation Partie puissance Partie régulation 5. Simulation LTspice Tension d’entrée à 30V Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Tension de sortie du Buck Partie puissance Partie régulation 5. Simulation LTspice Tension de sortie du Buck Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Courant de sortie du Buck Partie puissance Partie régulation 5. Simulation LTspice Courant de sortie du Buck Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Tension dans la Gate du MOSFET Partie puissance Partie régulation 5. Simulation LTspice Tension dans la Gate du MOSFET Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

5. Simulation LTspice Courant dans la bobine Ondulation de courant Partie puissance Partie régulation 5. Simulation LTspice Courant dans la bobine Ondulation de courant De 250 mA Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Résultats pratiques Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

1. Simulation BUCK régulé Partie puissance Résultats pratiques 1. Simulation BUCK régulé tension de sortie Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

1. Simulation BUCK régulé Partie puissance Résultats pratiques 1. Simulation BUCK régulé tension Vgs Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

Conclusion Simulations Réalisation pratique Théorie Partie puissance Partie régulation Théorie LT Spice Simulations Conception du circuit Tests Réalisation pratique Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013

CONDENSATEUR DE FILTRAGE Conclusion Bilan financier MOSFET 3,66€ DIODE 4 ,92€ INDUCTANCE 4 ,63€ CONDENSATEUR 0,30€ CONDENSATEUR DE FILTRAGE 4€ RADIATEUR 0 ,76€ SHUNT 1,37€ CONTROLLEUR 5,61€ TOTAL 28 ,26€ TOTAL COMPROMIS 17,20€ Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone 25/05/2013