Modelisation de la boucle

Le systeme a ete simule gr^ace a un simulateur electrique car on a decrit le convertisseur au moyen de l'equivalence thermique-electrique. Les valeurs des resistances et des capacites ont ete ajustees de telle facon que le modele electrique colle au modele physique. Une fois le modele etabli, dierents tests ont mis en evidence que l'instabilite etait due au convertisseur. La gure 6.7 montre le modele utilise ainsi que les reponses physiques et simulees du systeme au point d'instabilite.

CHAPITRE 6. AUTRESOLUTION :LA BARRIERETHERMIQUE + -+ -+5V -5V 1K c=20pF Générateur de tension Oscilloscope R=25K -5V +5V 1K

Figure 6.5: Schema de principe du circuit et de la mesure.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 20 40 60 80 100 120 140 Constante de temps (ms)

Tension en sortie d’ampli (mV)

Constante detemps en fonction de la sortie de l’ampli de rØgulation "2resMet2.dat"

Figure 6.6: Evolution de la constante de temps par rapport a la tension de sortie.

6.3. MICRO-CONVERTISSEURA BARRIERES

(a)

(b) (c)

Figure 6.7: a) Schema electrique. b) Simulation de la sortie du convertisseur au point d'instabilite. c) Copie d'ecran de l'oscilloscope au moment ou le systeme devient instable.

6.3.3 Instabilite

Le modele electrique prouve l'instabilite du convertisseur a barriere mais ne l'explique pas. Nous nous sommes donc lances dans l'etude de stabilite du systeme entier. La premiere etape a consiste a decrire le systeme en diagramme de blocs. La gure 6.8 donne ce diagramme et met en lumiere le sommateur qui est la source de l'instabilite. En eet, on ajoute le signal de reaction au signal d'entree donc le systeme ne peut que diverger. Cette divergence n'appara^t pas pour de faibles valeurs de gain car l'energie apportee par la reaction est eliminee par les fuites de convection et conduction. Par contre, pour de fortes valeurs de gain, les apports de la reaction sont superieurs aux pertes donc le systeme diverge et devient instable. L'explication physique du phenomene etant etablie, on va se pencher sur l'etude theorique en calculant la partie reelle du p^ole du systeme. Cette operation est compliqueecar dans la boucle de regulation on transforme une tension en puissance (P = v2

R_chauffe). Cette transformation introduit une

non-linearite qui rend les theories classiques sur la stabilite inutilisables. On s'est donc tourne vers des methodes non conventionnelles qui sont :

CHAPITRE 6. AUTRESOLUTION :LA BARRIERETHERMIQUE Vin Vout G Rchauffe N P1 P12 P2 P11 Rin 2 2 (1+B).Rc 1 1+ p A τ ^α Gv 1 C.(1+B).Rc²

Vin: signal d’entree, Vout: signal de sortie,

A: résistance thermique du bras de mesure, B: résistance thermique de la plaque, C: résistance thermique de la barriére, Rc: pertes par convection,

G, Gv: gain et gain variable, : constante de temps, : coefficient Sebeck, N: nombre de thermocouples.

τ α

Figure 6.8: Diagramme de bloc du convertisseur et de sa boucle de regulation. { stabilite au travers d'une fonction de Liaponov 1

{ linerarisation de la fonction de puissance, puis etude par multi-modeles.

La premiere approche etant tres compliquee, on s'est donc tourne vers la linerisation de la fonction de puissance. Cette methode consiste a decouper la courbe quadratique (P = v2

R_chauffe)

en une succession de droites associees a des domaines dans lesquels la puissance s'ecrit de la facon suivantePuissance = V , avec P la puissance, le coecient de linearisation (qui depend du domaine ou on se trouve) et V la tension en sortie de la cha^ne d'amplication. Sur chaque domaine on etablit la fonction de transfert puis on calcule la partie reelle du p^ole qui est notre critere de stabilite. En eet, si le p^ole est negatif le systeme est stable, par contre, des qu'il devient positif on rentre dans la condition d'instabilite. Pour notre etude il sut de faire varier le gain et de se deplacer de domaine en domaine pour atteindre la valeur ou le p^ole devien-dra positif. La gure 6.9 montre trois courbes : la premiere est la forme du p^ole lorsque le decoupage est grossier, la deuxieme presente un decoupage plus n ce qui assure un saut entre les domaines moins important. Enn si le decoupage est tres n on aboutit a la derniere courbe. La valeur theorique du gain maximum avant l'instabilite (obtenu gr^ace a la courbe 6.9) est proche de la valeur obtenu par le modele thermique-electrique. En eet, par simulation on trouve un gain maximum de 3750 tandis que theoriquement on trouve un gain de 3800.

Du point de vue mathematique le p^ole s'ecrit de la facon suivante : P ^ole = G(Gv),(1 +B):(A + Rc)

(1 +B):Rc: ^(6.13)

avec

G(Gv) = A:Rc:H(Gv) (6.14)

1Fonction de Liaponov: fonction de l'energie majorant le systeme etudie et qui doit converger pour assurer la stabilite du systeme.

6.3. MICRO-CONVERTISSEURA BARRIERES -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Valeur du Pole Gain

Valeur du Pole en fonction du gain. ModØle paramØtrique.

"stabilite2.txt" "stabilite.txt" -901+1/(0.21928-0.144512*x**0.050005)

Figure 6.9: Calcul du p^ole a partir de 2 decoupages. Le premier decoupage est grossier tandis que le deuxieme est plus n. Enn la derniere courbe s'obtient avec un decoupage tres n.

dont

H(Gv) = :N:G:Gv: ,1=C (6.15)

A, B, C sont les resistances thermiques des bras de mesure, de la plaque en oxyde et des barrieres. Rc modelise les pertes par convection,  est le coecient Seebeck, N est le nombre de thermocouples et le terme de linearisation de la puissance sur le domaine xe. G est le gain xe du premier ampli tandis que Gv represente le gain variable.

Remarque : le diagramme en bloc est du premier ordre car on a neglige la capacite thermique de la barriere. Cet oubli est sans importance car la resistance de la barriere est proche de la masse donc son eet est immediat sur le systeme de plus, la capacite thermique de la barriere est negligeable devant celle de l'ensemble. Dans ces conditions la simplication est valable, mais devient fausse si la capacite de la barriere est equivalent ou superieur au systeme.