Extension de la plage de fonctionnement à rendement élevé des alimentations à découpage François COSTA, SATIE UMR8029, IUFM de Créteil Alain CUNIERE, SATIE UMR 8029, Lycée Pierre de Coubertin, Meaux Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

Plan Contexte actuel des alimentations DC-DC, évolutions en cours Analyse des pertes dans une structure à commutation commandée Stratégies pour la réduction des pertes Actions sur la commande de grille Considérations sur les pertes au niveau « composants » Enjeux et conclusion Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

1- Contexte actuel des alimentations DC DC Domaines d’application Traitement de l’information, télécom Applications grand public, produits blancs et bruns, éclairage, automobile, aéronautique Contraintes électriques Électronique numérique forte densité VLSI, en accroissement Diminution des tensions d’alimentation 3,3 – 2,5 – 1,8 – 1,5 – 1,2 –1 – 0,8 – 0,5V Accroissement des fréquences d’horloge (quelques GHz)  accroissement de la consommation Courants très élevés : > 100A Ondulation très faible : < qqes mV Comportement dynamique : dI/dt à fournir de l’ordre du 1kA/µs  nécessite un volume très élevé de condensateur de stockage : contrainte forte en coût et volume. Contraintes d’usage Rendement élevé sur une large plage de marche Compacité Fiabilité Modularité (évolutivité) Coûts limités car grandes séries Domaine de la conversion statique en fortes évolutions en termes de concepts et de technologies Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

Architectures des alimentations DC-DC AC 240V DC 15V, 1% DC -15V, 1% DC 5V, 1% AC 240V Bus DC 12 ou 48V +/- 5% DC 3,3V- 1% DC 2,7V- 1% DC 1,8V- 1% Distribuée Centralisée Avantages Simplicité, coût, solutions éprouvées Isolation galvanique, régulation aisée Inconvénients Défaillance généralisée en cas de défaut sur une des sorties Structure figée en cas d’évolution du système alimenté Coût élevé si nécessité de redondance Gestion de la thermique centralisée : critique parfois Problèmes en cas de connectique de sortie longue Rendement faible à basses tensions de sortie (<80%) Avantages Meilleure gestion de la fiabilité et de la redondance Mise en œuvre plus souple Meilleure gestion des connections longues : le courant élevé est délivré au plus près de la charge meilleure réponse dynamique Évolutivité aisée par remise à niveau du module correspondant Optimisation possible de chaque module Gestion distribuée de la thermique  plus facile Inconvénients Coûts plus élevés Le rendement global est difficile à optimiser Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

2- Cas d’une structure simple : analyse des pertes Pertes dans la cellule de commutation U dc C e , r I k D V L, r L o l p d Dépendance à Io, Fsw, Udc Pertes dues aux composants passifs Dépendance à Io, Fsw, Bmax Pertes dues aux effets parasites et à la connectique Pertes totales Dépendance à Io, Fsw, Udc Tendances actuelles Accroissement de la dynamique des convertisseurs Miniaturisation des composants magnétiques Fsw Facteurs d’accroissement importants des pertes Décroissance des tensions de sortie à Ps conservée Io Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

3- Stratégies pour la réduction des pertes Mode de commutation Nouvelle organisation d’interrupteur Entrelacement de structures Redressement synchrone Réduction des contraintes statiques sur les interrupteurs Couplages magnétiques entre structures Structures isolées adaptées Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

A- Evolution des pertes selon le mode de commutation Exemple de la structure BOOST BOOST ZVS 7,9W 4,9W 5,7W 23,5W 42W L D Ps=1500W BOOST commandé MOSFET 19W Diode 10W Redresseur d’entrée 5,3W Autres+auxiliaires 22,7W Total 57W Cr Lr Da Vred Vs T Ta Commutation commandée 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 puissance de sortie en watts rendement du convertisseur Gain sensible Intérêt de la commutation douce au point nominal Intérêt de mixer les modes de commutation en fonction du niveau de puissance (ou du courant) de sortie Commutation ZCS Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

B- Réduction des pertes liées au courant de charge Adaptation du calibre en courant de l’interrupteur avec le courant de charge Io Io Pertes totales Existence d’un optimum du nombre d’interrupteurs élémentaires selon le courant Io Mesure courant Commande distribuée Dispositif concevable dans l’hypothèse de l’intégration de la commande avec la puissance les travaux débutent seulement dans ce domaine (G2E lab, LAAS) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

E- Réduction des contraintes statiques (1) Influence de la tension Udc : cas du hacheur de Buck à redresseur synchrone Au bilan : rendement amélioré si Udc est réduite Pertes par conduction croissent avec √k Pertes par commutation décroissent davantage 5 10 15 20 25 30 Pcond_haut Pcond_bas Pcom_haut_on Pcom_haut_off Pcom_bas Pcde pertes en W Ve = 12V Ve = 5V Vin Vin/k Réduction de Vin d’un facteur k à Vs et Io conservés Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

E- Réduction des contraintes statiques (2) Principe L’idée consiste à réduire les contraintes statiques sur l’ interrupteur le plus sollicité et d’accroître le rapport cyclique [d’après K. Yao, Virginia Tech. PhD thesis, 2005.] Structure Buck à inductance à point milieu Gain en tension Rapport de spires Contraintes sur les composants À même gain en tension, le rapport cyclique augmente et les contraintes statiques diminuent Exemple pour Vin=12V, Vo=1,5V, Io=10A, n=3 et G=0,125, on obtient VK1=15V (12V), IK1=7,2A (10A), VK2=8,7V (12V), IK2=10A (10A) Inconvénients Cellule de commutation « éclatée » commande plus difficile (red. synch.) Commutation sur une maille inductive (surtension) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

E- Réduction des contraintes statiques (3) Structure modifiée La cellule de commutation est insérée dans l’inductance : commande facilitée Un écrêteur non-dissipatif limite les surtensions Gain en termes de rendement Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

F- Couplage magnétique entre structures (1) L de forte valeur pour réduire les pertes fer réduire les pertes au blocage des MOSFET hauts réduire les pertes en conduction réduire les pertes cuivre L de faible valeur pour augmenter la réponse dynamique à un échelon de charge (régulation) augmenter la réponse dynamique à un échelon de consigne (asservissement) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

F- Couplage magnétique entre structures (2) Principe coupler les phases entre elles pour résoudre la contradiction sur la valeur de L, séparer les termes dont dépendent l’ondulation de courant et ceux dont dépendent la dynamique de sortie Représentation des inductances couplées par un schéma équivalent Décomposition en série de Fourier des tensions des q phases -Vo est commune à toutes les phases -Les termes de rang k multiples de la fréquence de découpage, hormis celles multiples de q forment un système équilibré -Les termes multiples de q forment un système homopolaire Régime statique Régime différentiel : détermine l’ondulation du courant dans les cellules, intéressant si M>0 et proche de L Régime homopolaire : il détermine la dynamique du courant de sortie, intéressant si M>0 et proche de L V0 I1c I2c Vh I1h I2h V1d V2d I1d I2d V0 (L-M)/2 Vd 2(L+M) Vh (L-M)/2 Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

F- Couplage magnétique entre structures (3) Bénéfices attendus Réponse dynamique améliorée à mêmes contraintes  conséquence importante pour réduire le stockage capacitif de sortie Réduction des pertes cuivre grâce à l’absence d’entrefer dans le coupleur Réduction du volume total des composants magnétiques et capacitifs du convertisseur Comparaison à mêmes contraintes d’ondulation dans les cellules et à mêmes pertes dans les interrupteurs (cas non couplé et couplé) Des travaux émergent dans ce domaine (LAPLACE, IES, SATIE) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

G- Structures isolées basse tension, fort courant k C Quel choix de structure ? Doubleur de courant Entrelacement des courants IL1 et IL2, réduction de l’ondulation dans Cs. Répartition de Io durant Toff dans D1 et D2, réduction des pertes en conduction Phase de roue libre secondaire moins de pertes dans le transformateur Intégration possible des inductances et du transformateur sur un seul circuit magnétique Redresseur simple Filtre volumineux Pertes par conduction dans les redresseurs Redresseur à point milieu doublement de la fréquence de l’ondulation, filtre plus réduit Répartition de Io durant Toff dans D1 et D2, réduction des pertes en conduction (Rd.I²eff) et au blocage Utilisation de la technique de redressement synchrone Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

4- Réduction des pertes de commande de grille Quelques idées pour réduire la consommation de commande de grille et assurer une commande sûre Recyclage de l’énergie stockée dans Cgs pour assurer l’inversion de tension  commande résonnante Fournir la quantité de charge juste nécessaire pour atteindre Vgsmax en un temps donné  commande en impulsion de courant Les pertes de grille minimales sont données par Le gain en puissance consommée est donné par Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

5- Considérations sur les pertes au niveau « composants » Composants actifs Packaging et connectique Composants magnétiques Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

B- Évolution technologique du packaging Amélioration du packaging des MOSFET D2PAK DPAK SO-8 MLP DirectFETTM Ancienne génération nouvelle génération [doc. ON semi-cond. A.N. 1520] Inductance de connexion dans le boîtier Résistance de connexion dans le boîtier Influence des matériaux de connectique Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

C- Les composants magnétiques Bilan des pertes Effet joule dans les conducteurs, effets de proximité et de peau  importance de la topologie du bobinage et de la nature des conducteurs Pertes magnétiques  importance du matériau et de ses conditions de fonctionnement magnétique Dimensionnement géométrique Facteur de mérite du matériau L=Fsw.Bmax Résistance en AC et Pertes X 2,5 Paradoxe : à pertes données, le volume peut décroître avec la fréquence Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

6- Enjeux et conclusion Nécessité de la prise en compte de la fonction d’usage du convertisseur  choix de la structure et de la commande Analyse globale des pertes choix optimal des composants et des matériaux Vers une conception intégrée qui optimise les pertes, le volume et la CEM Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

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