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

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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

CIRCUIT ABAISSEUR FORMES D’ONDES ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 29/09/2013

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

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 29/09/2013

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

Rendement incluant les pertes de commutation (cas idéal) CIRCUIT ABAISSEUR Rendement incluant les pertes de commutation (cas idéal) P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) = Rendement (cas idéal) ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 29/09/2013

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

Rendement incluant les pertes de commutation (pire cas) CAS PIRE CIRCUIT ABAISSEUR Rendement incluant les pertes de commutation (pire cas) P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) = Rendement (pire cas) ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

CIRCUIT ABAISSEUR Mode discontinu Io nom = 5A et Iomin = 1 A 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 29/09/2013

CIRCUIT ABAISSEUR Calcul de l’inductance L Comme alors 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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

CIRCUIT ÉLÉVATEUR E = 0.5 L1 Ip2 ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 29/09/2013

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

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

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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

CIRCUIT INVERSEUR FORMES D’ONDES ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE 29/09/2013

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 29/09/2013

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

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013

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 29/09/2013