Projets Génie Electrique Polytech'Clermont-Ferrand

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Composants du Magasin

Sujets des notes d'applications


Proposition de Sujet



696 Pages.





Polytech'Clermont Ferrand

P12AB06 : Convertisseur de tension SEPIC à commande aléatoire

alim_decoupage
handout
Mise à jour : 23/01/12

Client : Christophe PASQUIER
Auteur : Joris PALLIER
Responsable projet : Christophe PASQUIER / Michel JAMES
Tuteur technique : Gérard CHAZELLE
Equipe de projet :
GE2 : Aurélia BROUSSOUX / Joris PALLIER
GE3 : Joris PALLIER



Sommaire




 Résumé


L’objectif du projet « Convertisseur de tension SEPIC à commande aléatoire » est de réaliser une convertisseur de puissance avec une commande intelligente de type Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) permettant de réduire les perturbations électromagnétiques.

Le produit sortant sera composé du convertisseur de type SEPIC, ainsi que des deux types de commande à implanter afin de commander l’interrupteur de puissance de l’alimentation. La première commande sera dite « classique » à fréquence fixe et la seconde sera de type à étalement de spectre dite « aléatoire» à fréquence aléatoire. Cet ensemble formera une maquette de Travaux Pratiques pour le département Génie Electrique de Polytech’Clermont-Ferrand, afin de relever le gain apporté par une commande à étalement de spectre par rapport à une commande classique. Ces résultats permettront par la suite de valider les résultats théoriques.

La méthode utilisée pour étaler le spectre consiste à générer une MLI à fréquence aléatoire. Cette fréquence variera autour d’une fréquence centrale tout en maintenant le rapport cyclique constant. Par analyse spectrale, ce type de commande permet de diminuer les amplitudes de l’énergie à transmettre et de l’étaler sur une bande plus large autour de la fréquence centrale de découpage et donc de diminuer les perturbations liées à ce transfert. D’un point de vue Compatibilité Electromagnétique (CEM), cette commande permet de réduire les perturbations électromagnétiques conduites sur le réseau. Cette commande sera implanté sur un microcontrôleur RX62T de Renesas, mis à disposition par le département Génie Electrique de Polytech’Clermont-Ferrand.


Mots clefs :
  •  SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter)
  •  Modulation de largeur d'impulsion (M.L.I)
  •  Compatibilité Electromagnétique (C.E.M)
  •  Etalement de spectre

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 Abstract


The purpose of the project “SEPIC converter with a random PWM” is to realize a power board with an intelligent command using a pulse width modulation (PWM) which permits to reduce electromagnetic perturbations. Usually, in industry and in almost of the systems, switching control is realized by fixed frequency. By analysis of the spectrum, high amplitude is observed at the switching frequency, which creates electromagnetic perturbations.

The final product will be composed of the SEPIC converter, and the two possible commands to drive the transistor. The first command will have a fixed frequency, and the second will have a random frequency which permits to spread the spectrum of the signal. This set will be used in practical work in Electrical Engineering at Polytech’Clermont-Ferrand, to measure the gain provided by a command with a random frequency compared to a classic command with a fixed frequency. These results will permits to confirm theoretical results.

Method used to spread the spectrum consists to generate a PWM with random frequency. This frequency will vary around a central frequency, and the duty cycle must be maintained constant. The spectrum analysis of this command shows reduced amplitude and the energy is spread over a wider band around the switching central frequency, this reduces electromagnetic perturbations. Commands will be implanted on the microcontroller RX62T of the firm Renesas, provided by Polytech’Clermont-Ferrand.


Keywords :
  • SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter)
  • Pulse Width Modulation (P.W.M)
  • Electromagnetic Compatibility (E.M.C)
  • Spread spectrum

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 Introduction


Dans le cadre de la formation d’ingénieur en Génie Electrique à Polytech’Clermont-Ferrand, nous avons réalisé un projet industriel s’intitulant « Convertisseur de tension SEPIC à commande aléatoire ». Nous consacrons 300H sur la réalisation de ce projet afin de nous familiariser avec notre futur métier d’ingénieur. Ce projet s’étale sur deux ans, en quatrième année nous consacrons 50H sur l’étude de faisabilité à l’issue du temps imparti, nous devons proposer une solution au client lors d’une revue d’appel d’offre. La conception du produit se fait en cinquième année (250H). Ce projet est proposé par M. Pasquier, enseignant en Génie Electrique à Polytech’Clermont-Ferrand et chercheur à l’Institut Pascal. Pour mener à bien notre travail, nous sommes encadrés et aidés par M. James, M. Laffont, M. Pasquier et M. El Khamlichi Drissi, enseignants en Génie Electrique à Polytech’Clermont-Ferrand et par un tuteur industriel M. Chazelle.

De nos jours, les alimentations à découpage font parties de notre quotidien, nous avons à notre disposition de nombreux appareils électriques alimentés en tension continue pour pouvoir fonctionner. Ces convertisseurs ont pour but d’adapter la tension au récepteur et d’acheminer la puissance nécessaire. Pour cela, il faut utiliser des convertisseurs issus de l’électronique de puissance. Ces alimentations sont composées d’interrupteur de puissance qu’il faut commander afin de pouvoir transférer la puissance de la source au récepteur. Généralement, ce type convertisseur fonctionne avec une modulation de largeur d’impulsion (MLI) à fréquence fixe.

L’objectif de ce projet est de concevoir un convertisseur statique capable de fonctionner à haute fréquence et à fréquence aléatoire. Pour cela, il faudra réaliser la carte de puissance ainsi que la commande permettant de piloter l’interrupteur de puissance du convertisseur. La commande aléatoire a pour but d’étaler le spectre. Par analyse spectrale, une commande classique génère une raie de forte amplitude à la fréquence de découpage. La commande aléatoire permet d’étaler sur une bande plus large autour de la fréquence centrale de découpage et de d’atténuer les amplitudes de l’énergie à transmettre et donc de diminuer les perturbations liées à ce transfert. Par la suite, cette commande sera comparée à une commande dite « classique » à fréquence fixe afin de comparer le gain apporté par cette solution. Cette maquette a pour but d’être démonstrative pour être utilisé dans les Travaux Pratiques d’électronique de puissance et de CEM au département Génie Electrique de Polytech’Clermont-Ferrand. Le convertisseur devra comporter des points de mesures afin de comprendre le fonctionnement du convertisseur mais aussi sa commande et de pouvoir en mesurer les performances.

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 Présentation du Sujet


Le projet se décompose en deux parties distinctes. Le développement de la carte de puissance avec sa commande rapprochée, et la programmation des deux types de commande. Le synoptique ci-dessous présente les éléments raccordés au convertisseur. Il sera alimenté par une batterie ou une alimentation de laboratoire, la tension est défini par le cahier des charges. Afin de simuler une charge, nous utiliserons une rhéostat ou des lampes.

synoptique handout

Figure 1 : Synoptique


L’objectif principal suite à la diminution de l’équipe de projet est la réalisation du convertisseur de puissance qui a pour rôle de doubler la tension continue d’entrée. Sur cette carte, la commande rapprochée devra être conçut afin de piloter l’interrupteur de puissance dont le signal sera généré par la carte de développement RX62T fournit par le département Génie Electrique.

Les commandes à développer devront avoir pour la première une fréquence fixe et pour la seconde une fréquence aléatoire avec un rapport cyclique maintenue constant d’un cycle à l’autre. Ce programme sera implanté sur microcontrôleur RX62T de Renesas. La seconde commande est une des méthodes permettant d’étaler le spectre. Le contenu spectral d’une commande classique est fait de pics de fortes amplitudes à la fréquence découpage et de ses harmoniques. L’étalement de spectre permet de réduire ses amplitudes en distribuant cette énergie sur une plus grande bande de fréquence.

Afin d’éviter tout contact physique entre la carte de développement et la carte de puissance, une isolation galvanique est nécessaire pour éviter tout retour de tension et/ou de courant dues aux puissances totalement différentes mise en jeu.

La finalité de ce projet est de pouvoir observer le gain apporté par une commande à étalement par rapport à une commande classique en termes de perturbations électromagnétiques conduites.

Cet ensemble a pour but d'être didactique afin de pouvoir être utiliser dans les Travaux Pratiques d'Electronique de Puissance et de Compatibilité Électromagnétique du département Génie Électrique de Polytech'Clermont-Ferrand. Ce convertisseur devra donc comporté des points de mesures et être protégé pour éviter les risques d'électrocution. L'objectif principal de ces travaux pratiques sera de relevé l'atténuation des amplitudes grâce à l'étalement de spectre, de plus le fonctionnement du convertisseur pourra être étudié.

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 Cahier des Charges


Pour réaliser ce projet, le cahier des charges a été établi avec le client durant l’étude de faisabilité.
La fonction principale à développer est la réalisation du convertisseur statique DC-DC de type SEPIC avec une tension d’entrée de 24V, fourni soit par des batteries soit par une alimentation de laboratoire. La tension de sortie devra être le double de la tension d’entrée soit 48V.

La commande classique aura une fréquence de hachage de 100kHz. La commande aléatoire aura une fréquence centrale de découpage de 100kHz avec un span de 40%, c'est-à-dire que la fréquence devra varier entre 80kHz et 120kHz. Le rapport cyclique devra être maintenu constant en boucle ouverte afin de délivrer la tension de sortie souhaitée.

La commande rapprochée devra être sur le même PCB que le hacheur. Cependant une isolation galvanique sera nécessaire pour protéger la carte de développement contre les risques de surtensions et de retour de courant provenant du convertisseur de puissance.

Le résultat des essais du convertisseur et du gain apporté par l’étalement de spectre devra être fourni à la fin du projet.

L’ensemble des fonctions et des contraintes est récapitulé dans le cahier des charges fonctionnel.


analyse_fonctionnelle handout

Figure 2 : Cahier des charges fonctionel

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 Developpement


 Problématiques


De nos jours, les alimentations à découpage font parties de notre quotidien, nous avons à notre disposition de nombreux appareils électriques alimentés en tension continue pour pouvoir fonctionner. Ces convertisseurs ont pour but d’adapter la tension au récepteur et d’acheminer la puissance nécessaire. Pour cela, il faut utiliser des convertisseurs issus de l’électronique de puissance. Ces alimentations sont composées d’interrupteur de puissance qu’il faut commander afin de pouvoir transférer la puissance de la source au récepteur.

Les convertisseurs sont souvent restreint par la taille (ex : alimentation d’ordinateur portable, chargeurs de téléphone), les commutations nécessaire au bon fonctionnement de l’alimentation peuvent créer des perturbations électromagnétiques. Généralement, ce type convertisseur fonctionne avec une modulation de largeur d’impulsion à fréquence fixe. Par analyse spectrale, on observe que toute l’énergie est transmise sur une seule fréquence, la fréquence de découpage. Ce phénomène est caractérisé, dans le domaine fréquentiel, par une forte amplitude à la fréquence de commutation et ses raies harmoniques. Une technique permettant d’atténuer ses raies consiste à étaler ce spectre autour de ces fréquences. Le fait de distribuer l’énergie sur une plus large bande de fréquence permet de diminuer les amplitudes et donc de répartir l’énergie sur une plus grande gamme de fréquence et ainsi diminuer les perturbations électromagnétiques.

Les alimentations à découpage sont de plus en plus répandues. Grâce à l’évolution des semi-conducteurs, elles présentent l’avantage par rapport aux alimentations à régulation linéaires d’avoir des pertes faibles dues à la conduction et aux commutations. Le second intérêt du découpage est de pouvoir travailler à des fréquences très supérieures à celle du réseau d’alimentation. Les fréquences de découpage actuelles sont au delà de 20kHz (fréquence haute limite audible par l’homme) et tend à croitre grâce aux progrès technologiques. L’avantage de travailler à haute fréquence est la réduction du poids et du volume des éléments magnétiques tels que les transformateurs, inductances et condensateurs. Cependant, cela n’apporte pas que des avantages, l’utilisation de fréquence élevée de découpage provoque des pertes par commutation conséquente dans les composants semi-conducteurs, induisant ainsi une surchauffe de ceux-ci, ce qui nécessite alors d’aider ses composants à refroidir, un surdimensionnement est souvent nécessaire.

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 Etude Théorique


Le convertisseur SEPIC

Le convertisseur SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter) a été conçut à la fin des années 1970 par Slobodan Cuk. La structure du hacheur SEPIC se déduit du hacheur capacitif dit hacheur Cuk par permutation de la diode et de l’inductance de sortie. Il présente des caractéristiques similaires à celle du hacheur Cuk, à l’exception qu’il n’est pas inverseur de tension. La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d’entrée. Le convertisseur SEPIC est composé de deux inductance L1 et L2. Elles peuvent être bobinées sur le même cœur, cela permet de gagner de la place sur le PCB et à tendance à couter moins chère que deux inductances séparées. La tension de sortie dépend du rapport cyclique appliqué à l’interrupteur K.

Nous pouvons comparer ce convertisseur au Buck-Boost puisqu’il présente la même fonction de transfert. Cependant le Buck-Boost est inverseur de tension. Un avantage du SEPIC est l’emplacement de l’interrupteur de puissance qui est relié au zéro, contrairement au Buck-Boost, ce qui facilite ainsi sa commande. Ce convertisseur est compact puisqu’il réunit un hacheur série et survolteur sur la même structure, en cas de variation de la tension d’entrée, cela permet de garder le même convertisseur.

sepic handout

Figure 3 : Schéma SEPIC


Principe de fonctionnement
L’étude se fait en deux parties selon l’état de conduction de l’interrupteur T :
De 0 à αT : Phase d’accumulation d’énergie
On ferme l’interrupteur K.

sepic_phase1 handout

Figure 4 : Schéma SEPIC K fermé


On applique aux bornes de l’inductance L1 la tension d’entrée Ve, le courant traversant L1 va augmenter linéairement, l’énergie est stockée dans L1. L’énergie contenue dans le condensateur C1 passe dans l’inductance L2, et celle du condensateur C2 vers la charge. La tension est maintenue constante par le condensateur C2.

De αT à T : Phase de roue libre
On ouvre l’interrupteur K, ainsi la diode D se met à conduire.

sepic_phase2 handout

Figure 5 : Schéma SEPIC K ouvert


L’énergie emmagasinée dans l’inductance L1 est restituée dans le condensateur C1. L’énergie dans L2 est transférée vers C2.

Le gain du convertisseur est gain handout

Durant l’étude de faisabilité Aurélia Broussoux a fait une recherche bibliographique sur le convertisseur et l’a dimensionné. Voici ces résultats et ceux qui seront mis en œuvre.

L1=70uH ; L2=140uH ; C1=3.3uF ; C2=47uF.

Dans l’application note, vous trouverez les formules permettant de dimensionner les composants d’un convertisseur SEPIC.



L’étalement de spectre

Généralement, les alimentations à découpage fonctionnent avec une modulation de largeur d’impulsion à fréquence fixe. Par analyse spectrale, on observe que toute l’énergie est transmise sur une seule fréquence, la fréquence de découpage. Ce phénomène est caractérisé, dans le domaine fréquentiel, par une forte amplitude à la fréquence de commutation et ses raies harmoniques. Une technique permettant d’atténuer ses raies consiste à étaler ce spectre autour de ces fréquences. Le fait de distribuer l’énergie sur une plus large bande de fréquence permet de diminuer les amplitudes et donc de répartir l’énergie sur une plus grande gamme de fréquence et ainsi diminuer les perturbations électromagnétiques.

La méthode utilisée dans ce projet pour réaliser l’étalement de spectre consiste à faire varier la fréquence à chaque cycle en maintenant le rapport cyclique constant. Celui-ci doit être maintenu constant afin de garder la tension de sortie constante. Il est possible de faire varier cette fréquence de différentes manières, celle proposée par le client consiste à avoir un caractère totalement aléatoire, tandis qu’une autre méthode fait varier la fréquence linéairement. Afin de connaître la meilleure solution, nous avons simulé sous le logiciel MATLAB ces deux types de modulation de largeur d’impulsion à étalement de spectre, et une MLI classique. Cette dernière, s’utilisant habituellement dans l’industrie, servira à comparer les commandes à étalement de spectre.

Afin d’imager ces propos, voici ci-après l’étude théorique réalisé sous le logiciel MATLAB. Les commandes à étalement de spectre ont les mêmes caractéristiques, soit les fréquences minimale, centrale et maximale identique, seule leur distribution dans le temps sera différente. Sur la Figure 6, nous observons à gauche les MLI dans le domaine temporel et à droite leurs transformées de Fourier respectives. La transformée de Fourier permet d’analyser le contenu spectral dans le domaine fréquentiel d’un signal temporel.

MLI temporel et sa FFT handout

Figure 6 : MLI et FFT des différentes commandes


Les gains affichés sont à prendre avec précaution puisqu’ils dépendent des amplitudes maximums de la première harmonique, du fait du caractère aléatoire ces gains peuvent changer d’une simulation à l’autre. Pour avoir un meilleur ordre d’idée de l’étalement de spectre, il faudrait utiliser la densité spectrale de puissance du signal temporel. Cependant, la transformée de Fourier est suffisamment représentative dans ce cas. En zoomant sur la première harmonique de chaque commande, on peut clairement voir le gain apporté (voir Figure 7, attention les échelles sont différentes).

MLI temporel et sa FFT (Zoom première raie) handout

Figure 7 : Zoom des MLI et FFT des différentes commandes


Notre cahier des charges impose une fréquence centrale de 100kHz et un span de 40%. Il est à noter que si l’on augmente le span, le spectre sera plus étalé et le gain apporté sera plus grand. Cependant ce gain a une limite, au delà d’un certain span, le gain n’augmente plus. Nous n’avons pas étudiés ses limites.

Il existe une autre solution permettant d’étaler le spectre. Cette méthode consiste à faire varier la position du créneau de tension en veillant à ne pas dépasser (1-α)T, la durée à l’état bas. Cette méthode peut être ajouté à la première afin d’accroître les performances. La Figure 5 illustre ses propos. Cette méthode est appelé modulation de position d’impulsions (pulse position modulation (PPM) en anglais).

MLI temporel et sa FFT (position) handout

Figure 8 : MLI et FFT des différentes commandes + modulation de position d'impulsions

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 Résultats


Le convertisseur
Le dimensionnement du convertisseur est présenté dans la note d’application en bas de page. Seuls quelques éléments importants pris en compte seront exposé ci-dessous. Notamment le choix des condensateurs, la réalisation des inductances, la différence du gain entre la théorie et la pratique et enfin les performances du convertisseur.

Les condensateurs ont été choisis en fonction de leur valeur, de leur tension nominale mais aussi de leur technologie. Ce dernier critère est important, il dépend de sa valeur et de son application. Dans notre cas, le choix s’est porté sur des condensateurs en polyester et en polypropylène (figure 9). De plus, notre application impose de travailler à haute fréquence entre 80kHz et 120kHz, l’impédance des condensateurs ne doit pas avoir un comportement inductif entre ses deux fréquences comme le montre la figure 10.

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Figure 9 : Différentes technologie de condensateurs


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Figure 10 : Impédance des condensateurs en fonction de la fréquence


Pour dimensionner une inductance bobinée, il faut calculer les caractéristiques du circuit magnétique et du bobinage. Durant l’étude de faisabilité, le client avait émis la préférence d’un circuit magnétique de type ETD au lieu d’un tore. A partir des valeurs d’inductance et du courant les traversant, nous nous sommes imposé un nombre de tours maximum à bobiner autour du circuit magnétique et défini la section de cuivre. La formule suivante a permis de trouver une plage de valeur en nano-henry par tour permettant de trouver la ferrite et l'entrefer voulu donnant le nombre de tours souhaité à bobiner : formule _al handout. Ensuite, il fallu trouver un circuit magnétique comportant une surface bobinable suffisamment grande. La figure 11 présente le résultat final.

inductance handout

Figure 11 : Une inductance réalisée


Le gain théorique du convertisseur tend vers l’infini. En pratique celui-ci dépend des résistances des composants. Pour notre application, nous souhaitons avoir un convertisseur délivrant une tension de 48V et une puissance de 250W, ce qui revient à une charge d’environ 10 Ohms. La figure 12 montre l’influence des résistances parasites sur le gain en fonction du rapport cyclique. Notre charge ayant une valeur d’impédance faible, le rapport Rch/Rl est donc facilement influençable et le gain du convertisseur peut rapidement chuter.

gain_alpha handout

Figure 12 : Évolution de la tension de sortie en fonction du rapport cyclique quand la résistance parasite de l’inductance augmente


Le convertisseur réalisé est le suivant :
SEPIC handout

Figure 13 : Convertisseur réalisé


Le hacheur a atteint une tension de sortie de 45V maximum, le cahier des charges n’est pas respecté. Cependant un meilleur routage permettrait de diminuer les résistances parasites ainsi que le tirage du PCB par une entreprise extérieure permettrait d’éviter d’étamer les pistes. Ainsi le gain de deux souhaité pourrait être atteint. Le couplage des inductances permettrait de gagner en place, en longueur de pistes et en coût.

Un second problème persiste, le convertisseur ne fonctionne que quelques minutes. Le transistor surchauffe malgré un dimensionnement correct du dissipateur thermique. Ce problème est probablement dû à un mauvais contact contre le radiateur.

Lors des commutations, le transistor supporte des pics de tensions de 400V avec seulement 24V en entrée. Le transistor n’a pas été dimensionné pour supporter ses pics. Le changement du transistor est à effectuer. Des circuits d’aide à la commutation ont été prévus afin de limiter les pertes et ses pics de tensions à l’ouverture et à la fermeture du transistor. Par manque de points de mesures, le CALC à la fermeture est shunté afin d’observer le courant traversant le transistor. Pour limiter les oscillations lors des commutations, une diode a été placée en série avec le transistor et permet de contrer la diode en parallèle avec le transistor réalisée par construction.

La figure 14 présente les oscillations lors de l’ouverture du transistor sans CALC, le transistor n’arrive pas à s’ouvrir, le CALC élimine ce problème.

ouverture_transistor handout

Figure 14 : Oscillations lors de l'ouverture du transistor


Afin de pouvoir tester l’alimentation à découpage plus longtemps, la tension d’entrée a été réduite à 12V pour limiter les pics de tension lors de commutations. La figure 15 montre le courant (en violet) et la tension aux bornes du transistor (en bleu).

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Figure 15 : Formes d'onde sans CALC (à gauche) et avec CALC (à droite)


Le CALC a permis de limiter la durée et les amplitudes des oscillations lors des commutations, réduisant ainsi les pertes.

Le rendement du convertisseur est présenté figure 16. Par le calcul, les pertes par commutations avaient été estimées à environ 35W pour 250W en sortie, soit en 14% de pertes. Le pertes restantes sont dues aux pertes par effet joule des résistances internes des composants et des pertes ferromagnétiques dans les inductances.

Rendement handout

Figure 16 : Rendement du SEPIC



Les commandes
Les commandes implantées, nous avons pu valider leur fonctionnement. La Figure 17 présente les commandes classique et aléatoire en sortie du driver de commande du transistor.

MLI_pratique handout

Figure 17 : MLI classique (à gauche) et aléatoire (à droite)


A l’aide de l’analyseur de spectre, nous avons relevé le contenu spectral des trois commandes représenté sur la Figure 18 en sortie de la carte de développement.

FFT_analyseur handout

Figure 18 : FFT des trois commandes


Le relevé en Figure 18 montre que la MLI à fréquence linéairement croissante est plus performante que l’aléatoire contrairement aux simulations MATLAB théorique. Ces différences peuvent être expliquées par la différence du pas. Sur MATLAB, nous avons simulé avec un point tout les kilohertz soit 40 points tandis qu’en pratique nous avons 100 points. Il faudrait refaire les simulations théoriques avec le même pas. Afin de comparer les mêmes choses.

Le gain minimal relevé pour le linéaire est de 14,3dB et 10,6dB pour l’aléatoire.

Ceci ne présente qu’un relevé est n’est pas représentatif car il a été fait avec retenu des maximums. En cas de perturbations, les maximums pourraient représenter du bruit. Il faudrait faire une série de tests et moyenner les résultats afin de les comparer à la théorie.

Les gains relevés sur le premier harmonique sont moins élevés qu’en théorie, ceci est probablement dû aux créneau de tension pratique n’étant pas parfait ayant un temps de montée et de descente, et dues aux quelques oscillations lors de l’établissement de la tension.

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 Gestion de Projet


 W.B.S.


wbs handout
Figure 19 : W.B.S


Durant l’étude de faisabilité, nous avons divisé le projet en deux parties, la conception de la commande et de la puissance. Le choix d’une option transversale faite par Aurélia a diminué l’effectif du projet. L’objectif principal du projet était de réaliser le convertisseur, j’ai dû reprendre son travail et laisser de coté la partie la commande que j’avais étudié. Cependant je l’ai développé, en attendant la réception du matériel, afin de pouvoir commander l’interrupteur durant les tests.

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 Gantt


gantt handout
Figure 20 : Gantt


Le planning a été suivi, mais quelques imprévus ont été rencontrés. Le premier est lors de l’essai de la commande rapprochée, j’ai pu remarquer des pics de tensions aux commutations assez élevée. Avec le client, nous avons choisi de rajouter des circuits d’aide à la commutation pour limiter ses pics et aider le transistor dans ces phases. Ce choix a provoqué des ralentissements sur l’avancement de projet, car il fallu intégrer, dimensionner et choisir les composants. La sous-traitance se réalisant en parallèle, et approchant de la fin, tout n’as pu être intégrer, j’ai ainsi du finir la CAO.

Lors de l’optimisation de mon programme, et afin de le rendre plus lisible, j’ai rencontré quelques problèmes à cause de la structure du programme.

Et pour finir, les tests de la carte pris beaucoup de temps, à cause des nombreuses pannes rencontrées. J’ai du me documenter et faire beaucoup d’essais pour trouver des solutions permettant de résoudre ses problèmes.

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 Notes d'application


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 Bilan


 Etat d'avancement

A l’issu des 300 heures de projet, tous les objectifs n’ont pas été atteints.

La carte de puissance ne fonctionne que quelques minutes à cause d’un mauvais choix de transistor, et d’un surdimensionnement trop faible. Ce transistor a été changé par un MOSFET IPA60R125C6 de Infineon, il est plus rapide et accepte une tension à ses bornes plus élevées. Lors des essais, j’ai pu remarquer des oscillations plus longues qu’avec le premier MOSFET utilisé. Les CALCs doivent être redimensionné pour résoudre ce problème. Le problème de surchauffe est toujours existant mais le contact entre le MOSFET et le dissipateur thermique est mauvais ce qui engendre la destruction de la jonction car la chaleur n’est pas transmise sur le radiateur.

Les commandes demandées par le client ont été réalisées, une étude plus approfondie et de nouvelles séries de tests sont nécessaires afin de comparer le gain apporté par ce type de commande.


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 Perspectives

A la vue des résultats obtenus, je peux faire un bilan des possibles améliorations à effectuer en cas de reprise du sujet.

Premièrement, pour ce qui concerne la carte de puissance, le changement de transistor en fin de projet m’a permis de constater certaines oscillations lors de l’ouverture du transistor, les circuits d’aide à la commutation ne sont pas dimensionnés pour ce composants et doivent être ajusté en fonction de son temps de montée et de descente pratique. Le transistor IPA60R125C6 est beaucoup plus rapide que le MOSFET STW40NF20, d’où les oscillations restantes avec des CALCs non dimensionnés pour ce composant.

La plupart des composants proviennent du stock, un choix de composants plus récent et performant est à envisager. La schématique doit être mise à jour afin d’intégrer la diode en série avec le transistor, limitant les oscillations et rendant le courant unidirectionnel dans cette branche.

Le nouveau transistor ne possède pas le même boitier. Le routage est à refaire afin d’ajouter la diode en série avec le transistor, les points de mesures manquants sur les CALCs, et pour relever le variables d’état du convertisseur qui sont le courant dans les inductances et la tensions aux bornes des condensateurs. Le placement routage est à améliorer, le placement effectué ressemble au schéma du SEPIC. Des longueurs de pistes peuvent être réduites et les inductances peuvent être couplées ensemble.

Le condensateur de filtrage a été dimensionné afin d’accepter une ondulation en tension de ±2V, la limite imposé par le cahier des charges. La valeur calculée n’existe pas pour un seul condensateur avec la technologie utilisée (polypropylène-polyester), une valeur plus grande de condensateur peut être placée. L’ondulation en tension en sera plus réduite et on s’éloignera de la limite imposée par le cahier des charges, le filtrage sera meilleur. De plus, il doit être possible de trouver un seul condensateur de type chimique ou électrolytique permettant ainsi de réduire ses ondulations mais aussi le volume utilisé sur le PCB. Il est cependant nécessaire de vérifier la tenue en fréquence de ce type de condensateur pour la gamme de fréquence utilisée.

Le dimensionnement des inductances fait par Aurélia ne correspond à celui que j’ai réalisé dans la note d’application, ces valeurs doivent être identiques. Un second prototype serait à réaliser avec ces valeurs.

Les commandes demandées ont été réalisées. Il est possible d’aller plus loin en réalisant les commandes à étalement de spectre par modulation de position d’impulsion. Une batterie de tests est à faire afin d’avoir des mesures plus représentatives sur la commande aléatoire car les mesures faites ont été réalisés avec retenu des maximums.

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 Bibliographie


JEAN-PAUL FERRIEUX ET FRANÇOIS FOREST : « Alimentation à découpage, Convertisseurs à résonance, Principes-composants-modélisation », Dunod, 3ième édition, 1999.

WÜRTH ELEKTRONIK, « Trilogy of magnetic », 4th extended and revised edition, 2009.

J.C. CHAUVEAU, G. CHEVALIER, B. CHEVALIER, « Mémotech électronique : Composants », Casteilla, 4ième édition, 1999.

TEXAS INSTRUMENT, « AN-1484 Designing A SEPIC Converter », SNVA168D–May 2006–Revised April 2008. Consulté le 22 janvier 2013.
http://www.ti.com/lit/an/snva168d/snva168d.pdf




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