Cours électronique de puissance

Cours études de cas et exercices corrigés en PDF sur l’électronique de puissance


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Principales sources d’énergie électrique

Sources de tension continues :

à l’origine les « sources » électrochimiques (piles et accumulateurs) mais aussi des générateurs électromécaniques, ou plus récemment, des systèmes de générations eux-mêmes associés à des convertisseurs électroniques de puissance

Exemples : Piles : 1,5 V …

Accumulateurs : 1,2 V (NiCd et NiMH) par élément + multiples

2 V (plomb-acide)

3,6 V (lithium), variantes entre 2,1 V à 3,8 V

Applications automobiles : 14 V (6 éléments au plomb maintenus en charge)

Applications télécom : 48 V (secours 24 éléments au plomb )

Réseaux ferroviaires : tram, métros : 750 V (500 à 900 V) trains : 1500 V, 3000 V…

(réseaux aujourd’hui réalisés via des sous-stations convertissant un réseau alternatif en continu via des convertisseurs électroniques…)

Alimentations électroniques

Conversion de la tension d’une source d’entrée alternative (ex. 230 V – 50 Hz) ou continue (ex. 1,5 V) en une tension de sortie continue régulée (ex. 5 V)

Lorsque la tension d’entrée est continue, qu’il n’y a pas besoin d’isolation galvanique entre entrée et sortie et/ou que l’écart de tension est relativement réduit (moins d’un facteur 3 à 5),

=> régulateurs à découpage (hacheurs : buck, boost, buck-boost…)

Switching regulators :

Lorsque la tension d’entrée est alternative ou continue et qu’il y a besoin d’isolation galvanique entre entrée et sortie et/ou que l’écart de tension est élevé,



=> alimentations à découpage (forward, flyback…)

(switching mode power supplies)

Alimentations électroniques

Alimentations à découpage (switch mode power supplies) :

Lorsque la tension d’entrée est continue ou alternative, qu’il y a besoin d’isolation galvanique entre entrée et sortie et/ou que l’écart de tension est relativement élevé (> 3 à 5)

...

Partie puissance : semi-conducteurs de puissance, condensateurs et composants magnétiques (transformateur, inductance…)

Partie commande : modulation de largeur d’impulsion (PWM), asservissement pour maintenir la ou les tension(s) de sortie constante(s) malgré les variations du courant de sortie et de la tension d’entrée

Alimentations électroniques

Une large palette d’applications (avec 1 ou plusieurs sorties):

- appareils électroniques portables ou non (TV, PC…)

- adaptateurs secteurs

- éclairages modernes (fluorescent, LEDs)

- Alimentations diverses :

Télécom

Serveurs informatiques

Soudure

Quelques watts à quelques 100 W

Quelques 100 W à quelques 100 kW

...

Principe des structures forward (transfert direct)

Utilisation d’un transformateur pour adapter le niveau de tension et/ou pour isoler

Structure en demi-pont asymétrique :

Schéma équivalent du transformateur à fréquence élevée (effets résistifs négligés) :

... ... ...

Technologies de semi-conducteurs commandés

MOSFET de puissance :

(Metal Oxyde Semiconductor

Field Effect Transistor)

Les mieux adaptés aux basses tensions (moins de 48 V)

Existent jusqu’à 1000 V (superjonction silicium) et jusqu’à 1700 V en SiC (carbure de silicium)

Composants les plus rapides

IGBT :

(Insulated Gate Bipolar Transistor)

Bien adaptés aux moyennes et hautes tensions (de 500 V à 6 kV)

Offre très étendue, possibilités de compromis chute de tension/rapidité

Thyristors :

(SCR : silicon controlled rectifiers, seulement commandables à l’amorçage)

Bien adaptés aux très hautes tensions et très fortes puissances comme les transmissions haute tension à courant continu HVDC

En fort recul…

Principe du filtrage (un stockage d’énergie à l’échelle de la période de découpage)

La quantité d’énergie maximale à stocker (dimensionnante) dans L et C est proportionnelle à la période de découpage, d’où la recherche de fréquences élevées

iL I0

Les grandeurs dimensionnantes seront donc :

- pour les inductances : L, Imax (énergie maximale = ) mais également Irms (pertes Joule) et Umax (isolement)

- pour les condensateurs : C, Umax (énergie maximale = ) mais également Irms (échauffement)

nductances

Une inductance sert à stocker de l’énergie dans un milieu de perméabilité µ.

Energie maximale limitée par la saturation des matériaux : BMax (en T)

À induction maximale donnée, l’énergie stockée est proportionnelle au volume V et inversement proportionnelle à la perméabilité 

Circuit magnétique avec entrefer :

la partie ferromagnétique sert à canaliser

le champ magnétique et la zone d’entrefer à stocker l’énergie :

ou circuit magnétique à matériau basse perméabilité :

Transformateurs

Modèle du transfo parfait :

- perméabilité du matériau magnétique infinie,

- couplage parfait entre les

bobinages primaire et secondaire ,

- pas de pertes par effet Joule

Un transformateur parfait ne stocke pas d’énergie, son circuit magnétique est sans entrefer et avec un matériau à haute perméabilité et son inductance propre est infinie :

Modèle avec stockage d’énergie (volontaire ou non) :

Modèle avec pertes Joule et fuites :

Composants magnétiques, principe de dimensionnement

Températures maximales des matériaux : contraintes d’échauffement associées aux pertes Joule et fer

Contraintes magnétiques éventuelles : induction à saturation (rarement limitante en haute fréquence)

Présélection d’un noyau magnétique : la méthode du produit des aires

Condensateurs de puissance

grandes familles : - films (diélectriques plastiques, papier ou mixtes)

- céramiques

- électrolytiques (aluminium, tantale)

Énergie volumique, cas des condensateurs à diélectrique film métallisé (encombrement du diélectrique dominant)

 diélectrique volume de

Max Max .E . S . e

Permittivité diélectrique

Champ disruptif (claquage)

L’énergie maximale à stocker est dimensionnante

Si le courant efficace circulant dans les armatures est élevé, elles doivent être renforcées, alors l’énergie volumique globale diminue

... ...

Condensateurs de puissance :

spécificités des principales technologies

Films plastiques, papier ou mixtes

Une fine feuille de papier et/ou de plastique (polypropylène, polyester…) métallisée avec une fine couche d’aluminium + une éventuelle feuille d’aluminium (armatures renforcées : foils) pour accroitre la tenue au courant efficace

Condensateurs de puissance : spécificités des principales technologies

X : - 55 °C 4 : +65 °C P : ±10%

Y : -30 °C 5 : +85 °C R : ±15%

Z : +10 °C 6 : +105 °C S : ±22%

7 : +125 °C T : +22/−33%



8 : +150 °C U : +22/−56%

9 : +200 °C V : +22/−82%

Technologies céramiques pour l’électronique de puissance

Des technologies multicouches permettant d’avoir une très faible ESR (capacité requise 10 fois plus faible qu’avec un électrolytique)

Des possibilités de température élevée

Céramiques de classe 2 : ferroélectriques (BaTiO3) permittivité très élevée (1000 à 20 000) compromis avec la stabilité en température (généralement peu importante en EnPu)

Source : Rhom

Appellations : X7R, Z5U etc…

Source : Johanson Dielectrics

Energie volumique élevée,

Longue durée de vie…

Mais coûteuses

Condensateurs de puissance : spécificités des principales technologies

Electrolytiques (aluminium, tantale et même niobium)

Nécessitent d’être polarisés pour créer un oxyde isolant : Al2O3 ou Ta2O5 => condensateurs polarisés

Electrolytes : liquides, gélifiés ou polymères (compromis durée de vie, conductivité ESR)

Tensions maxi : jusqu’à 600 V (aluminium) ou 100 V (tantale)

Aux basses températures : forte dégradation des performances C diminue et ESR augmente

Aux hautes températures : accroissement du courant de fuites…

Forte énergie volumique, surtout en « haute tension » (produit C.Vmax constant à techno donnée), mais ESR relativement élevée

Condensateurs de puissance : durée de vie

Deux mécanismes de vieillissement dominants : le champ électrique et la température (Arrhenius)

Des lois exponentielles de dégradation avec la tension et la température (durée de vie divisée par 2 tous les 8 à 10°C environ)

… … …

TD‐ STRUCTURES DE CONVERSION A DECOUPAGE FORWARD : 1 H TD + 1 H DE TRAVAIL PERSONNEL

Structure forward étudiée :

Données : VI = 320 V et Vo = 48 V (supposée lissée et régulée), courant maximale de sortie : Io = 100 A

Fréquence de découpage : F = 200 kHz

Les deux interrupteurs commandés sont pilotés ensemble à fréquence fixe avec un rapport cyclique α.

Hypothèse principale : on néglige les effets de toutes les pertes sur toutes les formes d’ondes.

1‐ Etude du transformateur

Principales dimensions du noyau (circuit EC70) en ferrite PC40 (TDK) et de la carcasse support du bobinage (données à titre indicatif, mais pas directement nécessaires dans ce problème) (à titre indicatif, le prix d’un ensemble de deux parties composant le noyau et d’une carcasse est d’environ 7 € (5,1 + 1,9) à l’unité et 3,4 € (2,8 + 0,6) en quantités supérieures à 1000 pièces)

Caractéristiques du transformateur (noyau + carcasse + bobinages primaire et secondaire) n1 = 14 spires, n2 = 5 spires

Lµ = 0,94 mH

R1 = 5,4 mΩ, R2 = 0,7 mΩ

Masses de ferrite : 250 g, de cuivre : 120 g, de carcasse : 20 g

1.1‐ Fonctionnement à vide à 200 kHz et α = ½

Après avoir rappelé le schéma équivalent du transformateur permettant de faire cette analyse, tracer les formes d’ondes des tensions v1 et v2 et du courant i1 = iµ à vide

Préciser leurs valeurs maximales des grandeurs électriques et les valeurs remarquables du temps.

Calculer sa valeur efficace Iµrms du courant iµ.

Pour ne pas perdre de temps en calcul, on donne l’expression de la valeur efficace d’un signal

triangulaire d’amplitude XMax entre 0 et αT et nul le reste du temps : ܺ௥௠௦ ൌ ܺெ௔௫. ටఈ donc cette expression nécessite un léger travail de transposition pour l’appliquer à iµ.

Calculer la valeur de la valeur maximale EµMax de l’énergie stockée dans le circuit magnétique.

1.2‐ Fonctionnement en charge

On suppose les mêmes conditions que précédemment, mais cette fois, la sortie de l’alimentation est chargée au courant nominal.

On considère que l’ondulation ΔiL (crête à crête) du courant dansl’inductance de lissage est égale à 40 A.

1.2.1‐ Déterminer les formes d’ondes des courants secondaire i2 et primaire i1, préciser leurs valeurs numériques particulières.

1.2.2‐ Calculer la valeur efficace I2rms du courant secondaire en prenant en compte les effets de l’ondulation de courant et montrer que l’ondulation du courant a un impact complètement négligeable sur cette valeur.

Pour ne pas perdre de temps en calcul, on donne l’expression de la valeur efficace d’un signal en créneau d’amplitude XMax et de rapport cyclique α avec une ondulation linéaire d’amplitude ΔX autour de XMax :

Montrer que cette approximation reste largement vraie pour le courant primaire et calculer sa valeur efficace I1rms.

1.2.3‐ Sur la base des approximations précédentes, calculer les pertesJoule au primaire et au secondaire

2‐ Dimensionnement du filtre de sortie

2.1‐ Inductance de lissage

Déterminer la valeur de l’inductance L nécessaire pour que l’ondulation ΔiL de courant ne dépasse pas

40 A.

Calculerses principales contraintes : ILmax, ILrms et ULMax ainsi que la valeur maximale de l’énergie stockée.

2.2‐ Condensateur de filtrage

Déterminer la valeur du condensateur idéal (capacité pure) qui permettra de maintenir une ondulation de la tension de sortie inférieure à 1 V crête à crête.

Calculer ses principales contraintes : ICrms et UCMax



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