Cours alimentation à découpage flyback


Télécharger Cours alimentation à découpage flyback

★★★★★★★★★★3.5 étoiles sur 5 basé sur 1 votes.
Votez ce document:

Télécharger aussi :


ALIMENTAITON A DECOUPAGE FLYBACK

TABLE DES MARIERES

             1     LES COMPOSANTS MAGNETIQUES . 2

5            1.1      Circuits magnétiques 2

                       1.1.1       Les matériaux 2

                       1.1.2       Cycle d'hystérésis 2

                       1.1.3       Les pertes . 3

                  1.2      Les composants électroniques de stockage .. 3

10              1.2.1       Les inductances simples .. 3

                       1.2.2       Les transformateurs et inductances couplées . 4

                       1.2.3       Effet de la saturation du matériau magnétique . 5

                       1.2.4       Dimensionnement de l'inductance .. 6

             2     LES ALIMENTATIONS . 7

15          2.1      Généralités . 7

                  2.2     Principe général de l'alimentation à découpage .. 7

                  2.3      Avantages et inconvénients .. 7

             3     ALIMENTATION FLY BACK 8

                  3.1     Principe 8

20          3.2      Fonctionnement discontinu .. 8

                       3.2.1       Phase 1 : 0 ? t ? t1=?T : Le transistor T conduit . 9

                       3.2.2       Phase 2 : ?T ? t ?  T 10

                       3.2.3       Phase 3 : t2 ? t ?  T .. 11

                       3.2.4      Calcul du rapport de transformation Vs/Ve . 11

25              3.2.5      Dimensionnement des composants .. 11

                       3.2.6      Processus de calcul de l'alimentation et de choix des composants .. 13

                  3.3      Fonctionnement continu .. 13

                       3.3.1       Phase 1 : 0 ? t ? t1=?T : Le transistor T conduit .. 13

                       3.3.2       Phase 2 : ?T ? t ?  T 14

30              3.3.3      Calcul du rapport de transformation Vs/Ve . 15

                       3.3.4      Dimensionnement des composants .. 16

                       3.3.5      Processus de calcul de l'alimentation et de choix des composants .. 19

L’objectif est d'analyser une alimentation "fly back" (à accumulation) et mesurer ses performances. Ce

35 type de convertisseur est fréquemment utilisé dans les systèmes petite et moyenne puissance (<150W) type micro-ordinateur, écran de PC, chargeurs,  etc

1LES COMPOSANTS MAGNETIQUES

1.1Circuits magnétiques

1.1.1Les matériaux

40 On distingue deux types de matériaux : les matériaux durs (aimants permanents) et les matériauxdoux (ceux qui nous intéressent ici). Parmi ceux-ci, on trouve les "ferrites". Ces matériaux sont des composés chimiques à base d'oxyde de fer associés à des métaux tels que Manganèse-Zinc(Mn-Zn) ou Nickel-Zinc (Ni-Zn). Pour limiter les pertes magnétiques, les ferrites sont utilisées dès que la fréquence de travail dépasse 1kHz environ.

45          1.1.2Cycle d'hystérésis

Les matériaux sont caractérisés par leur cycle d'hystérésis. En ce qui concerne les ferrites, l'induction à saturation Bs est de l'ordre de 0,3 à 0,5 Tesla.

Pour un matériau donné, la forme du cycle d'hystérésis dépend : 

50                  •             De la température : Bs décroît avec la température et s'annule à une température dite de Curie Tc,

•    De la fréquence avec laquelle le cycle est décrit, 

•    Des traitements qu'a subis le matériau 

Si l'on introduit un entrefer localisé ou réparti dans le circuit magnétique, la perméabilité µi est 55 modifiée  pour devenir une perméabilité effective µe. Plus l'entrefer est important, plus µe est faible.

                                                     µe grand                                                               µe faible

On peut donc appliquer un courant électrique (H ? I) beaucoup plus important avec un circuit à entrefer, avant d'atteindre la saturation du matériau.

1.1.3Les pertes 

1.1.3.1a) pertes par courant de Foucault 

60 Lorsque la fréquence de travail augmente, des courants sont induits en surface du circuit. Ces pertes sont proportionnelles au carré de la fréquence. 

1.1.3.2b) pertes par hystérésis 

Elles dépendent de l'aire du cycle d'hystérésis décrit et de la fréquence. 

1.1.3.3c) pertes supplémentaires (traînage magnétique, relaxation) 

65 En fait, les fournisseurs donnent dans les catalogues, les pertes magnétiques totales (en mW/cm3) sous forme de courbes ou de formules approchées : 

PT = K.Fm.Bn.

avec : K constante du matériau 

1,3 < m < 1,6 

70      2 < n < 2,6 

1.2Les composants électroniques de stockage 

1.2.1Les inductances simples 

Les inductances peuvent stocker une énergie électrique sous forme magnétique, puis la restituer. On peut naturellement réaliser des bobinages à air. Mais, l'utilisation de circuits magnétiques tels que 75 présentés ci-avant permet : 

1)  De diminuer l'encombrement, à valeur égale, de l'inductance, 

2)  De confiner le flux magnétique dans un espace restreint et ainsi de limiter les rayonnements parasites. 

Les inductances sont utilisées essentiellement dans les applications suivantes :

80            •     Le filtrage


•    Les sources de courant

•    La conversion d'énergie (alimentations à découpage non isolées )

•    Les interrupteurs magnétiques (inductances saturables). :relais, certains disjoncteurs 

1.2.2Les transformateurs et inductances couplées 

85 Si l'on veut isoler l'entrée d'un convertisseur de sa sortie, (par exemple entrée 220V redressé et sortie 0-5V) , il faut utiliser un composant inductif à deux enroulements indépendants assurant une isolation galvanique, tout en autorisant le transfert d'énergie.

 Circuit magnétique (matériau ferromagnétique)

Deux éléments permettent cette opération : le transformateur et les inductances couplées. Bien que physiquement identiques, le fonctionnement de l'un et l'autre et le processus de dimensionnement sont totalement différents : 

a)   Fonctionnement en transformateur  Transformateur parfait : 

   et   

La puissance absorbée par le primaire est égale à tout instant à la puissance fournie par le secondaire. 

Lorsque le transformateur n’est pas parfait, on tient compte des pertes (pertes dans le fer, fuites magnétiques).Une chute de tension intervient à cause de ces pertes. Le rendement est proche de 95%.


b)  Fonctionnement en inductances couplées 

C'est le cas dans les alimentations Fly back. Le transfert de puissance se fait en deux temps : l'énergie est, dans une première phase, stockée au primaire puis, dans un deuxième temps, restituée au

105 secondaire. Ce type de fonctionnement nécessite l'emploi de deux interrupteurs synchronisés, l'un sur le primaire, l'autre sur le secondaire. 

c) Modélisation 

On modélise les imperfections de ces composants par une inductance magnétisante Lµ (qui tient compte de la réluctance non nulle du circuit magnétique), une inductance de fuite lf (qui tient compte 110 des flux de fuite dans l'air et le cuivre), associées à un transformateur parfait.

Les inductances de fuite sont responsables de surtensions (potentiellement destructives) au moment des commutations dans les alimentations à découpage.

Nota : Lµ est obtenue en mesurant l'inductance au primaire, secondaire à vide. Lf est obtenue en mesurant l'inductance au primaire, secondaire en court-circuit. 

1.2.3Effet de la saturation du matériau magnétique 

Lorsque le matériau entre en saturation, l'inductance apparente chute rapidement. Supposons en effet,

115 qu'une tension E soit appliquée aux bornes de l'inductance L. Le flux ? croît alors linéairement (E = d?/dt), le courant également (avec une pente E/L). Puis, lorsque l'induction Bs est atteinte, le courant augmente (figure 1b) toujours mais avec une pente beaucoup plus importante : l'inductance apparente diminue donc fortement. 

En pratique le courant pourra augmenter jusqu'à Imax, valeur limite déterminée par la résistance série

120 Rs généralement faible, de l'inductance. Cette augmentation non contrôlée peut conduire à la destruction d'un ou plusieurs composants du circuit dans lequel est placée l'inductance.

Figure 1a

Le flux ? est proportionnel au champ magnétique B

Le courant i est proportionnel à l’excitation magnétique H

Il est donc impératif de dimensionner l'inductance pour ne jamais atteindre la saturation (à la température de fonctionnement réelle). Ceci implique, entre autre, que Ilmoyen soit constant

125      (di/dtmoyen = 0). La valeur moyenne de la tension aux bornes de l'inductance est alors nécessairement nulle. 

1.2.4Dimensionnement de l'inductance 

La valeur de l'inductance est obtenue par : 

                                                                                                                .       .  .        

avec : µo = 4 ? 10-7 (SI) 

130 µe : perméabilité effective ( y compris entre fer éventuel)  Se : section effective magnétique du noyau (section moyenne)  le : longueur magnétique effective (longueur moyenne du circuit magnétique) 



N : nombre de spires 

1.2.5Energie emmagasinée dans une inductance

135 La puissance instantanée dans un dipôle ayant une tension u(t) à ses bornes et parcourue par un courant i(t) est 

P(t)=u(t).i(t)

L’énergie emmagasinée est

                                                                                      W            P t dt              u t . i t dt

Aux bornes d’une inductance,  u t L di tdt

140                                                     Donc W L di tdt  . i t dt    L. i t di t

Soit

12 .

L’énergie emmagasinée dans une inductance ne peut pas subir de discontinuité

2LES ALIMENTATIONS 

2.1Généralités 

145 Une alimentation a pour rôle de délivrer des tensions continues (3V, 5V, 10V ) à partir d'un réseau alternatif ou continu. Celles-ci permettent d'alimenter des circuits électroniques logiques ou analogiques. On distingue deux types d'alimentations : 

•    les alimentations à régulation linéaire ( LM7805 par exemple) 

•    les alimentations à découpage 

150             2.2Principe général de l'alimentation à découpage 

Le secteur alternatif est redressé puis filtré. La tension continue obtenue est "découpée" par un ou plusieurs interrupteurs (transistors bipolaires ou MOS). Ce découpage s'effectue en général à des fréquences supérieures à une vingtaine de KHz (au-delà des fréquences audibles) jusqu'à quelques

MHz. Le transfert d'énergie de l'entrée vers la sortie, se fait par l'intermédiaire d'une inductance ou

155      d'un transformateur qui stocke l'énergie sous forme magnétique puis la restitue au rythme du découpage. La régulation de tension se fait par action sur le temps de conduction de(s) l'interrupteur(s)

Puisque l'interrupteur fonctionne en commutation, les pertes du montage sont faibles. Elles se décomposent en pertes de conduction et pertes de commutation. Elles seront beaucoup plus faibles que 160 dans le cas d'une alimentation fonctionnant en linéaire. 

Par ailleurs, plus la fréquence de découpage sera élevée, plus les dimensions de l'inductance ou du transformateur pourront être réduites. On gagnera ainsi en encombrement. 

2.3Avantages et inconvénients 

Le principal intérêt de l'alimentation à découpage est son bon rendement (65 à 90%). Par contre, les 165 problèmes de régulation et de C.E.M (compatibilité électromagnétique) sont plus difficiles à maîtriser. 

3ALIMENTATION FLY BACK 

3.1Principe

170       

On peut distinguer deux phases :

Phase 1 : on accumule de l'énergie dans L1 (transistor passant et diode D bloquée) 

Phase 2 : on bloque le transistor, D s'amorce et l'énergie est transférée à la sortie à travers D. 

Le condensateur C lisse la tension de sortie. 

175 Nota : (1) Le primaire L1 et le secondaire L2 ne conduisent jamais en même temps, ce qui justifie le pointage opposé ( sur le schéma) des enroulements. 

(2) Il existe deux modes de fonctionnement avec chacun ses avantages et inconvénients : 

•    démagnétisation complète ou régime discontinu

•    démagnétisation incomplète ou régime continu

180 Dans la suite du texte, on pose k = n2/n1 : rapport du nombre de spires secondaire/primaire et on assimile les composants commutant à des interrupteurs idéaux. 

3.2Fonctionnement discontinu

Le mode de fonctionnement est appelé discontinu lorsque le flux dans les enroulements a le temps de s'annuler au cours d'un cycle

185             3.2.1Phase 1 : 0 ? t ? t1=?T : Le transistor T conduit

                                                                                                      Ve       L1. !"

!#

                                                                                                     i1 t      VeL1 . t

En conduction discontinue, i1 part de zéro

Pendant le temps t1= ?T, le transistor est passant et I1 croit linéairement jusqu'à la valeur :  

*+

190                                                   I%&'()           %& . ? T                           (1)

La diode D est bloquée et supporte une tension inverse :  

L'énergie emmagasinée dans le circuit magnétique vaut alors :  &

                                                                      We= . L1.( I%&'())2                                    (2)

il vient de (1) et (2) : 

                                                                                   &                    

195                                              We =  . Ve .                                     (3)

/&

3.2.2Phase 2 : ?T ? t ?  T

 

L'énergie ne pouvant pas subir de discontinuité, on a, au moment du blocage du transistor en t1=?T: We=½. L1.I2L1max = ½ L2 I2L2max 

200                                           avec   n2. IL2max = n1. IL1max                                     (4)

Soit

                Et                                       6% '() = 7172 . 6%&'() = 7172 891 . ? :

2

D devient alors passante. La tension de sortie Vs (supposée constante) se retrouve aux bornes du 1 = ;7172<

205      secondaire. Elle est ramenée au primaire dans le rapport 1/k d'où : 

                                                                           VT = Ve + Vs/k.                             (5)

Le courant Id =i2 décroît linéairement avec une pente   B /&C D &E

  Vs = BL2. !!"#

                                     i2(t) = B *F% . (t B ?T) + IL2max = B *F%& DH&H E (t B ?T) + H&H    *+%& . ? T

210                                                                                   

Si le temps de blocage du transistor est assez long, i2 s'annule. Le courant i2 s’annulera à l’instant

                                                                    t2 =? T(1 + H        *+)                                   (6)

H& *F

Le temps pendant lequel la diode D est conductrice :

tJ =? T(n2n1 VeVs)

Le respect de l’hypothèse de conduction discontinue impose t2 < T c'est-à-dire ? ;1 + n2n1 VeVs< < 1

215         3.2.3Phase 3 : t2 ? t ?  T

Lorsque le courant secondaire s'annule, la diode D se bloque. Le transformateur se trouve alors complètement déconnecté de la source et de la charge. On a donc durant cette phase que nous appellerons temps mort tm = T – t2 :

Toute l'énergie à été transférée. Il s'en suit un temps mort pendant lequel il n'y a plus aucune variation 220 (d?/dt=0) donc VT "retombe" à la valeur Ve. 

V1 = V2 = 0 et i1 = i2 = 0.

3.2.4Calcul du rapport de transformation Vs/Ve

A partir de l'équation (3) on peut alors calculer la tension de sortie Vs. En effet, la puissance au primaire vaut Pe = We/T. En supposant le montage sans pertes, elle est intégralement transmise à la

225 charge ; La puissance disponible en sortie Ps est donc égale à Pe. Comme on a aussi : Ps=Vs2/R, il vient :     (7)

•    La fonction de transfert est indépendante du rapport de transformation du transformateur

•    La fonction de transfert dépend de la charge, on ne pourra donc pas se passer d'une boucle de

230                  régulation

•    La fonction de transfert dépend de la fréquence de découpage

•    La fonction de transfert est directement proportionnelle au rapport cyclique ?.

3.2.5Dimensionnement des composants

3.2.5.1Transistor

235 3.2.5.1.1 Courant efficace iT effi1 eff = L

3.2.5.1.2  Courant maximal 

Le courant maximal est atteint pout t=   T. :

                                                                         I&'() = *+%& . ? T                              (7.1)          

240        3.2.5.1.3 Courant moyen

Le courant moyen traversant le transistor est égal au courant d'entrée Ie débité par la source (iT)moy=(i1)moy= P& QP i1. dt  *+%&.R.P ?

3.2.5.1.4 Tension maximale supportée par le transistor :

La tension aux bornes du transistor (lorsqu'il est ouvert) s'écrit:

245                                                      VT= Ve – V1=Ve + k.V2= Ve + k.Vs

3.2.5.2Diode

Le courant maximal est atteint pout t=   T. : 3.2.5.2.1 Courant maximal 

                                                                 I'() = H&H . *+%& . ? T                  (7.2)           

250     3.2.5.2.2 Courant efficace (iD)eff=(i2)eff= LP& QP i2   dt               I'()L?             .

3.2.5.2.3 Courant moyen

La valeur moyenne du courant dans le condensateur étant nulle, le courant moyen au secondaire est égal au courant de sortie

255                                                                                     (iD)moy=(i2)moy=Is *FXF

3.2.5.2.4 Tension maximale supportée par la diode:



La tension inverse aux bornes de la diode est maximale durant la phase 1.

VD= V2 – Vs = -k. Ve-Vs

3.2.5.3Expression de l’inductance magnétisante L1 

260 La relation de la fonction de transfert nous donne L1 = Y.P . DR.*+*F E 8

3.2.5.4Expression de t1 et t2

Le courant moyen à travers L1 étant constant, la tension moyenne aux bornes du primaire est nulle. On a donc : 

265                                                  (V1)moy=Q_& [1. \] = Q_&_ [1. \] = 89. ]1 B ^C . ]2 = 0

Soit

                                                                          = Ve.t1                              (9)

Pour faire un "design" en mode discontinu, on prend en plus :  t1+t2 ? 0,8.T  10

270      On prendra souvent t1+t2= 0,8T

3.2.6Processus de calcul de l'alimentation et de choix des composants

Le cahier des charges donne Ve, Vs, Ps. La tension max aux bornes du transistor est aussi donnée. On prend souvent une marge de 20% pour s’assurer de la tension supportée par le transistor (prise en compte les pics de tension résiduels).

275      La relation (5) nous donne k

Les relations (9) et (10) nous donnent t1 et ?

La relation (8) nous donne L1

Les relations (7.1) et (7.2) nous donnent les courants max dans la diode et le transistor.

Déduire la section des conducteurs primaire et secondaire. (Un fil de cuivre supporte environ 280 5A/mm2).

3.3Fonctionnement continu

Dans ce mode de fonctionnement, le flux dans le circuit magnétique ne s'annule jamais. 

3.3.1Phase 1 : 0 ? t ? t1=?T : Le transistor T conduit

 

285Ve *+%&L1.. t+ I!!"#1 min

i1 t

En conduction continue, i1 part de I1min Pendant le temps t1= ?T, le transistor est passant et II&'() *+%& . ? T + I&'"H1 croit linéairement jusqu'à la valeur :                        11

 

295      La diode D est bloquée et supporte une tension inverse :  

L'énergie emmagasinée dans le circuit magnétique vaut alors : 

il vient de (1) et (2) :  We &. L1. I&'() 2 12 We & . Ve . RP%&   13

300         3.3.2Phase 2 : ?T ? t ?  T

 

L'énergie ne pouvant pas subir de discontinuité, on a, au moment du blocage du transistor en t1=?T: We=½. L1.I21max = ½ L2 I22max 

Le flux dans le circuit magnétique du transformateur ne subit pas de discontinuité non plus. 


305                                                            n2. I2max = n1. I1max                                   (14)

Soit I'() = n1n2 . I&'() = n1n2 ;VeL1 . ? T = I&'"H<

Et

D devient alors passante. La tension de sortie Vs (supposée constante) se retrouve aux bornes du L1L2 = ;n1n2< secondaire. Elle est ramenée au primaire dans le rapport 1/k d'où : 

310                                                                    VT = Ve + Vs/k                                (15)

Le courant Id =i2 décroît linéairement avec une pente  B /&C D &E . 

  Vs = BL2. !!"#

               i2(t) = B *F% . (t B ?T) = I2max      ? *F%& DHH&E   t B ?T) = n1n2 DVeL1 . ? T = I1minE

315        i2

I 2max

I 2min  

En t=T, le transistor se remet à conduire et la diode se bloque.

320n2. I2min = n1. I1min                                     (16.1)

3.3.3Il n’y a pas de phase 3, en t=T, le courant i1 reprend sa valeur Calcul du rapport de transformation Vs/Ve     I&'"H à t=0

               Or en t=T,                                  i2(T        H&H . i1(0)    H&H . I&'"H

 . I&'"H

B L1Vs n1n2 (1 B ?)T =      VeL1 . ? T = 0         

325                                                    *+*F = &dR? . HH&          (16.2)  

On aurait pu retrouver ce résultat de la manière suivante :

Le courant moyen dans L1 étant constant, la tension moyenne aux bornes du primaire est nulle. On a donc : :

330

D’où                                                   

Remarque : limite fonctionnement continu/discontinu

Dans ce cas, les 2 rapports de transformation (16.2) et (7) sont égaux

3.3.4Dimensionnement des composants

335          3.3.4.1Courant maximal dans la diode D

340                                          

Ps=   

               Vs, tension dans la charge et Is courant dans la charge avec Is = Id        Soit :

345    Or Donc                                                            Idmoyen  

                                                                  I'() + I'"H                    *F.(

               D’après la relation (11)                             + I   .XF&d?)                                 17)

350        Or d’après les relations (14) et (16.1) I&'() ? I&'"H         VeL1 . ? T

Soit                                     I&'()               HH& I'() et      I&'"H = HH& I'"H n2   Ve

On obtient donc 2 équations à 2 inconnues I'()

                                                                             r               + I                    2. Ps1B?

355   En additionnant ces 2 relations Soit 2(I'()) = H&*+%& . ? T=*F.(.XF&d?)

                                                    IJ'() I'()                  H&H *+%& .    = *F XF                                             (19)

3.3.4.2Tension maximale dans la diode

360 La tension inverse aux bornes de la diode est maximale durant la phase 1. VD= V2 – Vs = -k. Ve-Vs

3.3.4.3Courant maximal dans le transistor D’après la relation (14) n2. I2max = n1. I1max

365      Soit

IP'()

                                                                                                                                                                   20

3.3.4.4Tension maximale dans le transistor VTmax = Ve+ Vs/k

3.3.4.5Valeur de l’inductance L1(limite de conduction discontinue)

370      Pour calculer L1, on se place à la limite de conduction continue. Soit I1min= I2min = 0

 i1

I 1max

I1min=0

375       

D’après la relation (17)

                                                                                                                                    > I'()             *F.(.XF&d?)

I&'()

380 D’après la relation (11) I&'() VeL1 . ? T

Soit

               Or                                                                         

Donc L1 = .XF*+ . ?           T                             (21)

385              3.3.5Processus de calcul de l'alimentation et de choix des composants

Le cahier des charges donne Ve, Vs, Ps. La tension max aux bornes du transistor est aussi donnée. On prend souvent une marge de 20% pour s’assurer de la tension supportée par le transistor (prise en compte les pics de tension résiduels).

La relation (15) nous donne k

390      La relations (16.2) donne ?

Si on se situe à la limite de conduction discontinue, la relation (21) nous donne L1

Les relations (19) et (20) nous donnent les courants max dans la diode et le transistor.

On peut déduire la section des conducteurs primaire et secondaire. (Un fil de cuivre supporte environ 5A/mm2).

395                                                       


 



76