Dimens-Boost

APPLICATION NOTE

p09AB06

Dimensionnement d’un hacheur survolteur

Année 2009 – 2010

Client : Christophe PASQUIER

Tuteur technique : Christophe PASQUIER

Tuteur industriel : Xavier CLAVAUD

Auteur : Kamel EL MELOUANI

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Kamel EL MELOUANI 2009 - 2010


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SOMMAIRE

INTRODUCTION ............................................................................................................................................................ 5

1. LE HACHEUR SURVOLTEUR .................................................................................................................................. 6

2. DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTS ......................................................................................................... 10

2.1. DIMENSIONNEMENT DE L’INDUCTANCE ................................................................................................... 10

2.1.1. CALCUL DE L’INDUCTANCE................................................................................................................. 10

2.1.2. CHOIX DU TORE .................................................................................................................................. 11

2.1.3. CALCUL DU NOMBRE DE TOURS ........................................................................................................ 11

2.2. DIMENSIONNEMENT DU CONDENSATEUR DE SORTIE ............................................................................. 12

2.2.1. CALCUL DE LA CAPACITE .................................................................................................................... 12

2.2.2. CHOIX DU CONDENSATEUR ............................................................................................................... 12

2.3. CHOIX DES SEMI-CONDUCTEURS .............................................................................................................. 12

2.3.1. CHOIX DE LA DIODE............................................................................................................................ 12

2.3.2. CHOIX DU MOSFET ............................................................................................................................. 13

2.3.3. DRIVER ................................................................................................................................................ 13

2.3.4. OPTOCOUPLEUR ................................................................................................................................. 13

3. TESTS DE LA CARTE HACHEUR SURVOLTEUR .................................................................................................... 15

3.1. TEST DES TENSIONS D’ENTREE ET DE SORTIE ........................................................................................... 15

3.2. TEST DES SIGNAUX ..................................................................................................................................... 16

3.2.1. TEST DE LA COMMANDE .................................................................................................................... 16

3.2.2. TEST DE LA TENSION DRAIN-SOURCE ................................................................................................ 16

3.2.3. TEST DE LA TENSION DIODE ............................................................................................................... 17

3.2.4. TEST DU COURANT DANS L’INDUCTANCE ......................................................................................... 17

CONCLUSION .............................................................................................................................................................. 18

ANNEXES ............................................................................................................................. Erreur ! Signet non défini.


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TABLE DES MATIERES

Figure 1 : Schéma du hacheur survolteur ..................................................................................................................... 6

Figure 2 : Phases de fonctionnement du hacheur survolteur ...................................................................................... 7

Figure 3 : Prototype réalisé ........................................................................................................................................ 15

Figure 4 : Copie écran visualisation des tensions à l’oscilloscope .............................................................................. 16

Figure 5 : Copie écran visualisation des tensions à l’oscilloscope .............................................................................. 16

Figure 6 : Extrait de la norme UTE C93-703 (1) ................................................................... Erreur ! Signet non défini.

Figure 7 : Extrait de la norme UTE C93-703 (2) ................................................................... Erreur ! Signet non défini.

Figure 8 : Schéma de routage .............................................................................................. Erreur ! Signet non défini.


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INTRODUCTION

Dans le cadre de notre formation d’ingénieur au département Génie Electrique de

Polytech’Clermont-Ferrand (anciennement C.U.S.T), nous devons réaliser un projet de type industriel,

qui s’intitule « Générateur de commande PWM pseudo-aléatoire d’un hacheur survolteur ». Ce projet

s’étale sur nos deux dernières années de formation. Pour cela nous devons réaliser une étude de

faisabilité en quatrième année (48 heures), en proposant une solution au client lors d'une revue d'appel

d'offre, et la conception du produit en cinquième année (250 heures). Ce projet est proposé par le

LASMEA, LAboratoire des Sciences et Matériaux pour l’Electronique et l’Automatique. Notre client est

M. Pasquier, maître de conférence en compatibilité électromagnétique (C.E.M.) au département GE de

Polytech’Clermont-Ferrand qui est rattaché au LASMEA. Nous avons pour nous aider et nous encadrer

Mr. James, Mr. Laffont et Mr. Pasquier, enseignants au département GE de Polytech’Clermont-Ferrand

et un tuteur industriel Mr Clavaud, ingénieur chargé de projet.

L’objectif de ce projet est de mettre en place une commande particulière (signal MLI à fréquence

variable et rapport cyclique constant) sur microcontrôleur, afin de piloter des interrupteurs de puissance

et de valider les recherches menées par le LASMEA. Afin de bien nous rendre compte des résultats et

pour une raison démonstrative, les études seront réalisées avec une carte de puissance utilisant un

hacheur survolteur. Il est donc nécessaire pour concevoir cette carte de puissance de la dimensionner.

Cette « application note » décrite dans ce rapport, sera à appliquer et à suivre pour réaliser ce genre

de carte. Elle décrit la méthode à suivre pour dimensionner et mettre en œuvre un hacheur survolteur.

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1. LE HACHEUR SURVOLTEU

1.1. GENERALITES

Lorsque l’on désire augmenter la tension d’une source continue, on peut utiliser le

hacheur parallèle de type BOOST, appelé également

Ce dispositif de l’électronique de puissance est un

mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et qui permet de modifier la

valeur de la tension d'une source de tension continue avec un rendement élevé. Le

découpage se fait à une fréquence très élevée ce qui a pour conséquence de créer une

tension moyenne.

Les hacheurs de puissance sont utilisés pour la variation de vitesse des moteurs à

courant continu. De même, les véhicules hybrides ainsi que les systèmes d'éclairage sont

deux exemples typiques d'utilisation de ces hacheurs.

1.2. SYNOPTIQUE DU

Figure

Dans notre cas, la partie puissance

12V, et de transmettre fidèlement le signal

l’interrupteur.

Le hacheur survolteur est composé d’une inductance, d’une diode, d’un condensateur de

sortie, et bien sûr, d’un interrupteur de puissance.

De plus, une isolation galvanique sera réalisée

galvaniquement la partie commande de la partie puissance.

ajoute un driver en amont de l’interrupteur de puissance. On peut également prévoir un

circuit d’aide à la commutation (CALC).

Le schéma utilisé pour réaliser notre

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LE HACHEUR SURVOLTEUR


hacheur parallèle de type BOOST, appelé également hacheur survolteur.

Ce dispositif de l’électronique de puissance est un convertisseur continu






deux exemples typiques d'utilisation de ces hacheurs.

SYNOPTIQUE DU HACHEUR SURVOLTEUR

Figure 1 : Schéma du hacheur survolteur

uissance aura pour rôle d'élever la tension d'entrée, qui sera du

12V, et de transmettre fidèlement le signal de commande jusqu’à la gâchette


sortie, et bien sûr, d’un interrupteur de puissance.

De plus, une isolation galvanique sera réalisée à l’aide d’un optocoupleur

ommande de la partie puissance. Pour aider à la commutation, on


circuit d’aide à la commutation (CALC).

Le schéma utilisé pour réaliser notre carte est en annexe.

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2009 - 2010


convertisseur continu - continu






aura pour rôle d'élever la tension d'entrée, qui sera du

de commande jusqu’à la gâchette de


à l’aide d’un optocoupleur afin d’isoler

Pour aider à la commutation, on



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1.3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Nous allons diviser en deux phases distinctes le fonctionnement du hacheur

survolteur selon l'état de l'interrupteur Tp :

• De 0 à αT : phase d'accumulation d'énergie

L’interrupteur Tp est fermé (état passant), cela entraîne l'augmentation du courant

dans l'inductance donc le stockage d'une quantité d'énergie sous forme d'énergie

magnétique. La diode D est alors bloquée et la charge est alors déconnectée de

l'alimentation.

• De αT à T : phase de roue libre

L'interrupteur est ouvert, l'inductance se trouve alors en série avec le générateur. Sa

f.e.m. s'additionne à celle du générateur (effet survolteur). Le courant traversant

l'inductance traverse ensuite la diode D, le condensateur C et la charge R. Il en

résulte un transfert de l'énergie accumulée dans l'inductance vers la capacité, qui va

fixer la tension de sortie.

Figure 2 : Phases de fonctionnement du hacheur survolteur

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Etude réalisée avec les hypothèses suivantes

� Le condensateur de sortie a une capacité suffisante pour fournir une tension constante, au

cours d'un cycle de fonctionnement, à la charge (Résistance)

� La chute de tension aux bornes de la diode est nulle

� Pas de pertes dans les composants d'une manière générale

Dans la réalité, les imperfections des composants réels peuvent avoir des effets importants sur le

fonctionnement du convertisseur.

Mode conduction continue : le courant I

De 0 à αT :

L’interrupteur Tp est fermé pendant l’état passant

manière suivante :

À la fin de l'état passant, le courant I

α étant le rapport cyclique. Il représente la durée de la période T pendant laquelle

l'interrupteur S conduit. α est compris entre 0 (S ne conduit jamais) et 1 (S conduit

tout le temps).

De αT à T :

L'interrupteur Tp est ouvert pendant l'état bloqué, le courant traversant l

circule à travers la charge. Si on considère une chute de tension nulle aux bornes de

la diode et un condensateur suffisamment grand pour garder sa tension constante,

l'évolution de IL est :

Par conséquent, la variation de I

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Etude réalisée avec les hypothèses suivantes : (circuit idéal)

Le condensateur de sortie a une capacité suffisante pour fournir une tension constante, au

cours d'un cycle de fonctionnement, à la charge (Résistance)

La chute de tension aux bornes de la diode est nulle

Pas de pertes dans les composants d'une manière générale


fonctionnement du convertisseur.

le courant IL traversant l'inductance ne s'annule jamais

L’interrupteur Tp est fermé pendant l’état passant : le courant iL augment de la

�e � ��L

��

À la fin de l'état passant, le courant IL a augmenté de :

cyclique. Il représente la durée de la période T pendant laquelle


L'interrupteur Tp est ouvert pendant l'état bloqué, le courant traversant l



Par conséquent, la variation de IL durant l'état bloqué est :

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Le condensateur de sortie a une capacité suffisante pour fournir une tension constante, au


traversant l'inductance ne s'annule jamais

: le courant iL augment de la

cyclique. Il représente la durée de la période T pendant laquelle


L'interrupteur Tp est ouvert pendant l'état bloqué, le courant traversant l'inductance



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En considérant que le régime permanent est atteint, l

l'inductance est donnée par

En conséquence, le courant traversant l'inductance est le même au début et à la fin

de chaque cycle de commutation.

Soit :

Après simplifications, nous pouvons

Grâce à cette dernière expression, on peut voir que la tension de sortie est toujours

supérieure à celle d'entrée (le rapport cyclique variant entre 0 et 1),

augmente avec α, et que th

de 1. C'est pour cela que l'on parle de survolteur.

Par exemple, si on a un rapport cyclique α = 0.5 et une tension d’entr

obtiendra en sortie une tens

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considérant que le régime permanent est atteint, l'énergie stockée dans

l'inductance est donnée par :


de chaque cycle de commutation. Il advient donc :

Après simplifications, nous pouvons réécrire cette équation de la façon suivante


supérieure à celle d'entrée (le rapport cyclique variant entre 0 et 1),

augmente avec α, et que théoriquement elle peut être infinie lorsque

de 1. C'est pour cela que l'on parle de survolteur.

Par exemple, si on a un rapport cyclique α = 0.5 et une tension d’entr

obtiendra en sortie une tension de 24V.

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2009 - 2010

'énergie stockée dans


réécrire cette équation de la façon suivante :


supérieure à celle d'entrée (le rapport cyclique variant entre 0 et 1), qu'elle

éoriquement elle peut être infinie lorsque α se rapproche

Par exemple, si on a un rapport cyclique α = 0.5 et une tension d’entrée de 12V, on


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2. DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTS

Dans cette partie, nous allons voir comment choisir les éléments qui

permettent de constituer et d’assurer le fonctionnement du système.

Pour dimensionner les composants d’un convertisseur, il faut connaître la

puissance d’entrée et la puissance de sortie souhaitée, le courant d’entrée et le

courant de sortie, ainsi que la tension d’entrée.

Pe = Puissance d’entrée = 100W

Ps = Puissance de sortie = 100W

Ve = Tension d’entrée = 12V

Vs = entre 13.3V et 120V

Ie = Courant d’entrée = 10A

Is = Courant de sortie = 1A

Ie ��

��× cosρ �

�

��

��

�� 8.3 A soit Ie max � √2 × Ie = 11.7 A.

dI = 15% afin de diminuer les pertes par hystérésis, dI � 0.15 × Ie max � 1.7 A.

dVs = Vs – Ve = 120 – 13.3 = 106.7 V.

2.1. DIMENSIONNEMENT DE L’INDUCTANCE

Le calcul de l’inductance débute par le calcul du courant d’entrée maximal.

On impose la fréquence de découpage en haute fréquence et on vérifie si

l’ondulation de courant est correcte en basse fréquence.

Après calculs, l’inductance peut se trouver dans le marché ou bien être fabriquée.

Pour notre cas, nous l’avons conçu et nous vous présenterons comment nous y

sommes parvenus.

2.1.1. CALCUL DE L’INDUCTANCE

On dimensionne L ainsi :

dIe max ��

"× α × T �

��

$.%. αmax

L ��

'(� )*+.%


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Après calcul, la self utilisée doit faire au minimum 877 µH dans notre

cas. Une valeur plus importante permettrait de diminuer

l’ondulation. Sa valeur peut être testée à laide d’un analyseur de

spectre, qui permet entre autre de bien vérifier si elle tient en

fréquence (abaque de Smith).

2.1.2. CHOIX DU TORE

Le tore choisi est un tore de chez Ferroxcube. Le matériau est le 3E25.

Il permet de réduire les pertes à température élevée et sa fréquence

d’utilisation est comprise entre 10kHz et 100kHz ce qui correspond à

notre application.

Son AL = 3820. La référence de ce tore est 4330 030 3716.

Il faut également prévoir un tore avec un diamètre suffisamment

grand pour faire passer le nombre souhaité de tours de fil (sachant

que ce dernier est un fil de cuivre de diamètre 1 dans notre cas).

2.1.3. CALCUL DU NOMBRE DE TOURS

On a : L � N² × AL

Avec L = inductance en mH

N = nombre de tours

AL = inductance du tore par tours carrés en nH/tr²

On a alors : N � √(L AL⁄ ) = √(877.10-6/382.10-9) = 15 tours

La self comptera donc 15 tours par enroulement.


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2.2. DIMENSIONNEMENT DU CONDENSATEUR DE SORTIE

On impose la fréquence de découpage en haute fréquence et on vérifie si

l’ondulation de courant est correcte.

2.2.1. CALCUL DE LA CAPACITE

On dimensionne C :

La charge fournie est donnée par : dQ � Is. α. T

On admet une ondulation de tension dVs : dVs �'2

3

C �'2

'�5� Is. α.

6

'�5�

(5.α

'�5.%

2.2.2. CHOIX DU CONDENSATEUR

Un condensateur de sortie de 47µF 400V suffit pour obtenir une

tension de sortie continue acceptable.

2.3. CHOIX DES SEMI-CONDUCTEURS

Comme nous l’avons étudié précédemment, nous avons du choisir un

MOSFET et une diode rapide.

2.3.1. CHOIX DE LA DIODE

La diode utilisée doit être extrêmement rapide. Les pertes par

recouvrements inverses sont générées par ses diodes, en

conséquence, plus elles seront bonne, moins il y aura de pertes.

Notre choix s’est porté sur des diodes de chez IXYS. Ce sont des diodes

peu coûteuses, très rapides (quelques ns).


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2.3.2. CHOIX DU MOSFET

Tension drain source = 120V, on choisira donc un modèle qui

supportera une tension supérieure.

Le transistor choisi doit pouvoir supporter à ses bornes la tension qui

va lui être imposée, et doit également fonctionner à la fréquence

désirée. Une des raisons d’avoir choisi un MOSFET est sa fréquence de

fonctionnement qui dépasse les 100kHz.

Le MOSFET choisi est le STW40NF20 de chez ST Microelectronics. Le

courant de drain maximal est de 40A, sa tension maximale est de 200V

et enfin sa résistance à l’état passant (Rdson) est de 0.038 Ohms

typique.

2.3.3. DRIVER

Un driver a été rajouté, il s’agit du TC1314N de chez MicroChip. Il

s’agit d’un composant d’aide à la commutation. Pour aider à la

commutation du transistor étant donnée de l’énergie importante à

transférer, des circuits intégrés existent. Il s’agit de drivers. Ils se

connectent aux bases des transistors et envoie un courant

suffisamment important pour assurer la commutation d’un état

ouvert/fermé à un état fermé/ouvert.

2.3.4. OPTOCOUPLEUR

Afin d’assurer l’isolation galvanique entre la commande et la

puissance, nous avons ajouté un optocoupleur en amont du transistor.

Il s’agit du HCPL2212 de chez Hewlett Packard.

L’alimentation des circuits intégrés :

Le driver et l’optocoupleur sont alimentés par une tension continue.

En effet, il est nécessaire d’alimenter l’électronique qui compose le

hacheur. Il faut penser à dimensionner ses alimentations,

généralement en +15 V pour qu’elles délivrent le courant souhaité

(voir les documentations respectives). Dans notre cas, nous pouvons

choisir de les alimenter en 12V, tension d’entrée du hacheur.


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Radiateur de dissipation :

Afin de dissiper et d’évacuer la chaleur émises par les semi-

conducteurs, il est souvent nécessaire de placer un radiateur de

dissipation au dos de ceux-ci en y interposant de la pâte thermique.

Circuit d’aide à la commutation :

Afin d’aider le transistor à la commutation et de protéger contre les

surtensions à l’ouverture, il est possible d’ajouter un circuit d’aide à la

commutation, composé d’une diode en série avec une capacité et

d’une résistance en parallèle.

Protection par fusible :

Afin de protéger les composants et la carte, nous avons placé un

fusible, dimensionné selon le courant circulant à l’entrée et le courant

à ne pas dépasser dans les composants. Pour notre carte, il s’agit d’un

fusible 20A.

Points de tests :

Dans le but de faciliter la mise en œuvre et les tests sur la carte, il est

intéressant, voir primordial, de prévoir des points de tests, placés

judicieusement. Par exemple, pour tester le signal de commande,

nous avons créé un point de test à l’entrée de la commande, en sortie

de l’optocoupleur, puis à la sortie du driver.

Routage :

Le routage est une partie très importante. Voici quelques règles à

respecter :

� Prendre en compte les contraintes CEM (éviter les boucles, les

angles à 90°, le placement des composants est important)

� Prendre en compte le courant qui traverse les pistes pour en

déterminer la largeur de pistes (voir extrait de la norme UTE C

93-703 en annexe)

� Aligner les semi-conducteurs sur le bord de carte pour placer le

radiateur de dissipation, placer les connecteurs en bord de

carte également.

Les schémas de routage sont en annexe de ce rapport.


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3. TESTS DE LA CARTE HACHEUR SURVOLTEUR

Figure 3 : Prototype réalisé

3.1. TEST DES TENSIONS D’ENTREE ET DE SORTIE

A l’aide d’un oscilloscope, on vérifie si la tension d’entrée est correcte, et bien

sûr, si la tension de sortie est celle attendue.

Tension

de sortie

Tension

d’entrée

Signal de

commande

MOSFET


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Figure 4 : Copie écran visualisation des tensions à l’oscilloscope

3.2. TEST DES SIGNAUX

On visualise les différents signaux suivants afin de vérifier le bon

fonctionnement du système :

- Commande (1)

- Courant inductance (4)

- Tension VDS (3)

- Tension diode (2)

Figure 5 : Copie écran visualisation des signaux à l’oscilloscope

3.2.1. TEST DE LA COMMANDE

Nous avons bien le signal de commande désirée, il s’agit d’un signal

carré, ici à fréquence constante et rapport cyclique fixe.

3.2.2. TEST DE LA TENSION DRAIN-SOURCE

La tension drain source est complémentaire au signal de commande.

Elle est nulle quand la diode conduit et négative quand la diode est bloquée.


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3.2.3. TEST DE LA TENSION DIODE

Nous pouvons remarquer que la tension diode est correcte, elle est

complémentaire au signal de commande également : lorsque le transistor est

commandé, la tension aux bornes de la diode est nulle, elle est bloquée ;

lorsque le transistor n’est pas commandé, la diode est passante, on a une

tension à ses bornes.

3.2.4. TEST DU COURANT DANS L’INDUCTANCE

Lorsque le transistor est commandé, nous sommes dans une phase

d’accumulation d’énergie, c’est-à-dire que le courant dans l’inductance

augmente. C’est ce que nous pouvons voir sur la figure ci-dessus, malgré le

retard engendré. Lorsque c’est la diode qui conduit, l’inductance se décharge,

et l’énergie est transférée au condensateur de sortie. Nous voyons dans cette

phase que le courant chute.


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CONCLUSION

Ce document a présenté la méthode à suivre pour dimensionner un hacheur

survolteur ainsi que le protocole de test que nous avons appliqué en le commentant de ce

qui est positif, négatif, de ce qui aurait pu être amélioré et de résultats. Ce protocole se veut

un exemple pour les étudiants qui seront susceptibles de reprendre le projet ou une

personne souhaitant travailler sur ce genre de carte de puissance.

Documents

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