3.2 Une m´ ethode de mesure de courant astucieuse
3.2.1 Origine d’un signal riche en information
Le positionnement de ce capteur est pr´esent´e figure (3.1) dans le cas d’un convertisseur `a 3-bras magn´etiquement coupl´es dans une topologie cascade cy- clique. Le capteur utilis´e est n´ecessairement un capteur non intrusif (par exemple `
a effet hall) ayant la capacit´e de capter un fort courant continu, typiquement 100A, pr´esentant une composante alternative `a haute fr´equence qui peut atteindre 3MHz.
Figure 3.1 – Positionnement du capteur de courant Ibras sur un convertisseur parall`ele
Cette m´ethode de mesure de courant a une incidence sur la structure du conver- tisseur car le capteur se situe sur la ligne de bus continu Vin entre les condensateurs de d´ecouplage et les interrupteurs “high-side” des cellules de commutation nomm´es hsi. Afin d’obtenir le signal d´esir´e, les condensateurs de d´ecouplage sont alors ´eloi- gn´es de leur cellule de commutation respective. Une topologie en ´etoile permettant d’optimiser l’´eloignement entre les condensateurs de d´ecouplage Cdeci et leur cellule
de commutation est pr´esent´ee figure (3.2). L’´electrode n´egative du condensateur est plac´ee au plus proche de sa cellule de commutation alors que son ´electrode positive est reli´ee `a un point commun sur lequel sont connect´es : la tension d’alimentation, le capteur de courant, et les ´electrodes positives des autres condensateurs. Elle peut ˆ
etre g´en´eralis´e quelque soit le nombre q de bras. Les q condensateurs peuvent ˆetre remplac´es par un condensateur de capacit´e ´equivalente q · Cdeci.
Des chronogrammes du courant mesur´e Ibras en fonction du rapport cyclique D et dans le cas du convertisseur pr´esent´e figure (3.1), sont pr´esent´es ci-dessous figure (3.3). Les ordres de commande ui des bras ne sont pr´esent´es que pour le cas o`u D < 1/3.
Figure 3.2 – Topologie en ´etoile permettant de diminuer l’´eloignement entre condensateur de d´ecouplage et cellule de commutation
sur le chronogramme) du courant dans cette phase. Lorsque deux interrupteurs hsi sont passants, alors pendant cet instant, Ibras est l’image de la somme de ces deux courants et reproduit la somme des composantes moyennes ainsi que la somme des composantes alternatives. On comprend ainsi que si le capteur avait ´et´e situ´e au niveau de la borne positive de la source de tension avant les condensateurs de d´ecouplage, alors celui-ci ne “verrait” pas les paliers de courant de Ibras. En effet, la composantes alternative de Ibras est fournie principalement par les condensateurs de d´ecouplages qui sont habituellement plac´es au plus proche de leur cellule de commutation respective.
On peut finalement g´en´eraliser la forme du courant Ibras en fonction du rapport cyclique. On se situe donc dans le cas g´en´eral o`u le rapport cyclique est d´efini tel que :
(k − 1)/q < D < k/q, avec q le nombre de bras et l’entier k[1..q] :
Le signal Ibras se compose donc d’une succession de paliers de courants, syn- chronis´es sur les ordres de commande des bras, qui sont alternativement “bas” puis “haut” et ainsi de suite. Les paliers “bas” ´etant compos´es de la somme de k − 1
courants, les paliers “haut” ´etant compos´es de la somme de k courants. D = k/q, avec q le nombre de bras et l’entier k[1..q] :
Le signal Ibras se compose donc d’une succession de paliers de k courants, syn- chronis´es sur les ordres de commande des bras.
L’exemple ci-apr`es pr´esente le signal Ibras synchronis´e sur les ordres de com- mande des bras dans le cas o`u le nombre de bras q = 6 et le rapport cyclique 2/6 < D < 3/6 (k = 3).
On peut v´erifier grˆace `a ce chronogramme que la succession des paliers de somme de courant fait bien apparaˆıtre, `a chaque changement de palier, l’infor- mation sur le courant instantan´e d’un courant de bras. En effet, le passage d’un palier “bas” `a un palier “haut” fait apparaˆıtre (fl`eche montante) l’information d’un courant Ii suite `a la fermeture de son interrupteur respectif hsi par l’ordre de com- mande ui. De mˆeme, le passage d’un palier “haut” `a un palier “bas” fait disparaˆıtre (fl`eche descendante) l’information d’un courant moyen Ij suite `a l’ouverture de son interrupteur respectif hsj par l’ordre de commande uj. Ainsi, par comparaison entre deux paliers successifs de courant on peut obtenir de fa¸con s´equentielle et cyclique l’information sur chacun des courants moyens des bras du convertisseur. En une p´eriode, la s´equence des 2 · q paliers “hauts” et “bas”, peut ˆetre consid´er´ee
Figure 3.4 – Forme d’onde de Ibras pour un convertisseur 6 bras et 2/6 < D < 3/6 (k = 3)
comme un syst`eme `a 2 · q ´equations et q inconnus. On peut d’ailleurs constater que toutes ces informations peuvent ˆetre r´ecolt´ees en une demi-p´eriode de d´ecoupage quelque soit le nombre de bras du convertisseur statique.
Dans le cas particulier, o`u D = k/q avec k[1..q], le passage d’un palier de k courants `a un nouveau palier de k courants, fait `a la fois apparaˆıtre l’information d’un courant Ii+1 et disparaˆıtre l’information d’un courant Ii−1. En une p´eriode, la s´equence des q paliers de k courants, peut ˆetre consid´er´ee comme un syst`eme de q ´equations `a q inconnus. On peut donc r´esoudre ce syst`eme d’´equation en une p´eriode de d´ecoupage.
Une r´ealisation pratique de cette mesure de courant a ´et´e r´ealis´ee dans le but de mettre en œuvre une ´emulation analogique des courants. Cette r´ealisation pr´e- sent´e figure (3.5) est h´erit´ee d’un convertisseur de puissance (buck `a 6-bras ma- gn´etiquement coupl´ees en cascade cycliques) r´ealis´ee lors de la th`ese de Valentin Costan [Cos07] et a ´et´e modifi´e pour satisfaire les besoins de notre technique de mesure de courant.
Ainsi les longueurs de pistes entre les condensateurs de d´ecouplage et les cel- lules de commutation sont volontairement d´egrad´ees. Le signal obtenu sur notre maquette de test est pr´esent´e figure (3.6) pour un rapport cyclique inf´erieur `a 1/6. La voie 1 repr´esente Ibras, les voies 2, 3 et 4 repr´esentent respectivement les ordres de commandes u4, u5 et u6. Cette mesure a ´et´e r´ealis´ee en boucle ouverte. On peut ainsi observer `a partir du signal Ibras le d´es´equilibre existant entre chacun des bras. Le d´es´equilibre le plus franc provenant du 5`eme bras.
Comme on peut le remarquer avec les figures (3.6) et (3.7) ce signal est forte- ment bruit´e et tr`es diff´erent du signal simul´e sous P-Spice. Ce bruit est constitu´e de fortes oscillations `a environ 10MHz provenant de la maille de commutation
Figure 3.5 – Positionnement de la pince de courant Tektronix TCP303 dans un convertisseur statique multi-phases `a inductances coupl´ees en cascade cyclique
Figure 3.6 – Mesure du courant Ibras sur le convertisseur 6-bras magn´etiquement coupl´es D = 8%, Iout= 3A
qui pr´esente des longueurs de cˆables importantes et variables selon les ordres de commutation
Figure 3.7 – Mise en ´evidence d’oscillations haute fr´equence sur la mesure du courant Ibras
La voie 1 repr´esente Ibras, les voies 2, 3 et 4 repr´esentent respectivement les ordres de commandes u4, u5 et u6.