Électronique de puissance GEL-4102
LABORATOIRE Nº8
Hacheur non isolé du type SEPIC
1. objectifs
Étudier le fonctionnement et les caractéristiques d’un hacheur dévolteur-survolteur non inverseur, du type SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter).
2. Mode opératoire
La figure 1 montre le montage de ce hacheur. Il est réalisé à l’aide d’un module LM2577 qui assure une régulation de la tension de sortie par modulation de largeur d’impulsion. La valeur de référence pour la tension de sortie est réglable à l’aide d’un rhéostat de 10 KΩ. Les composants passifs essentiels sont les deux inductances L1 et L2 de 100µH, le condensateur C1 de 10 µF et le condensateur de sortie C2 de 220µF. Les autres composants passifs sont des éléments de filtrage.
Il est possible d’observer les courants I1, I2, I3, I4 et I5 dans les principales branches du circuit, à l’aide d’une pince de courant. Il permet aussi d’observer les tensions aux bornes des éléments en utilisant les bornes V1, V2, Vin, Vout et GND.
Le montage ne comporte pas de fusible de protection! Il est important de respecter la polarité de la tension d’alimentation et de limiter le courant à l’entrée du montage.
Vin
GND GND
Vout
10 K
FB
Vin SW
GND
10 uF 220 uFC2
360 100 uHL2
I4 V2 I5 V1 I3
I1 I2 100 uHL1
10 uFC1
220 uF LM2577
2.2 uH
Figure 1 : Montage SEPIC (hacheur dévolteur-survolteur ou Buck-Boost)
Utiliser un bloc d’alimentation continue (30V-3A). La tension d’alimentation sera réglée à 14V mais ajuster d’abord la limitation de courant à 2A. Pour cela, il suffit de court-circuiter les bornes de la source et d’augmenter progressivement la référence de courant jusqu’à la valeur désirée.
Éteindre la source, enlever le court-circuit et brancher la source sur les bornes d’entrée du montage (Vin, GND) en respectant les polarités.
Électronique de puissance GEL-4102
La charge est réalisée à l’aide d’une boîte de résistances (120 V – 10A) qu’on peut connecter sur les bornes de sortie du hacheur (Vout, GND). Régler la résistance à 21.8 ohms (= 120//60//60//240 Ω).
Brancher un voltmètre DC aux bornes de la charge.
Brancher l’oscilloscope pour observer la tension V1 – GND et le courant I3 dans l’inductance L1. Mettre le montage sous tension. Vérifier que la tension de la source est ajustée à 14V. Vous pouvez agir sur le rhéostat du hacheur pour faire varier le rapport cyclique R et la tension de sortie Vout.
On mesure le rapport cyclique R en observant la tension V1. Il suffit de mesurer le temps de conduction du transistor ton et la période de modulation T.
ton
ℜ = T
1) Analyse du fonctionnement avec un rapport cyclique de R = 0.6
Régler le rapport cyclique à 0.6. Brancher un voltmètre DC entre V1 et V2 pour mesurer la tension aux bornes du condensateur C1 de 10µF. Vérifier que cette tension est toujours égale à la tension de source (vous pouvez faire varier légèrement la tension de source entre 8V et 14V pour le confirmer). Mesurer la tension moyenne aux bornes des inductances L1 et L2 et vérifier théoriquement la valeur de la tension mesurée aux bornes du condensateur en appliquant la loi des mailles.
Observer le courant I1 dans l’inductance L1 et mesurer sa valeur moyenne (= courant de source).
Observer le courant I3 dans le condensateur C1. Vérifier que sa valeur moyenne est nulle (expliquer pourquoi?). Observer le courant I2 dans le transistor et confirmer que sa valeur moyenne correspond à celle du courant de source.
Observer le courant I5 dans la diode et mesurer sa valeur moyenne (= courant de sortie). Observer le courant I4 dans l’inductance L2. Vérifier que sa valeur moyenne est négative et que sa valeur absolue correspond au courant moyen dans la diode (expliquer pourquoi?).
Tracer un schéma montrant les mailles parcourues par un courant lorsque le transistor est amorcé.
Tracer un autre schéma montrant les mailles parcourues par un courant lorsque le transistor est bloqué.
2) Mesure de la caractéristique Vout/Vin
Faire varier le rapport cyclique R et déterminer la valeur minimale qui permet d’obtenir une conduction continue dans l’inductance. Mesurer la fréquence de modulation fPWM et la tension de sortie Vout.
Calculer le rapport Vout/Vint.
Répéter l’expérience en augmentant le rapport cyclique par incrément de 5%. Tracer la caractéristique Vout/Vin (R) pour les régimes de conduction continue. Analyser vos résultats et vérifier que la tension de sortie Vout peut être plus faible ou plus grande que la tension d’entrée Vin.
T ton V1
Électronique de puissance GEL-4102 Comparer vos résultats à l’expression théorique :
out 1 in
V ℜ V
= ⋅
− ℜ
À partir de la valeur du rapport cyclique correspondant au régime de conduction critique, répéter cette expérience en diminuant le rapport cyclique par incrément de 5%. Tracer la caractéristique Vout/Vin (R) correspondant aux régimes de conduction discontinue et analyser vos résultats. Est-ce que l’expression théorique précédente est toujours valable?
3) Mesure de l’ondulation de courant dans l’inductance
Brancher l’oscilloscope pour observer la tension aux bornes de l’inductance L1 et le courant I1 qui la traverse. Mesurer l’ondulation de courant I1 pour un rapport cyclique de 60%. Utiliser la relation suivante pour estimer la valeur de l’inductance.
1
1 in
PWM
I V
L f
∆ = ℜ⋅
⋅
Vérifier que cette valeur d’inductance correspond approximativement à celle indiquée sur le schéma.
Brancher l’oscilloscope pour observer la tension aux bornes de l’inductance L2 et le courant I4 qui la traverse. Mesurer l’ondulation de courant I4 pour un rapport cyclique de 60%. Utiliser la relation suivante pour estimer la valeur de l’inductance.
1 4
2 2
C ìn
PWM PWM
V V
I L f L f
∆ = ℜ⋅ ≈ ℜ⋅
⋅ ⋅
Vérifier que cette valeur d’inductance correspond approximativement à celle indiquée sur le schéma.
Calculer l’ondulation de tension dans le condensateur C1 à l’aide de la relation suivante et vérifier expérimentalement qu’elle est très faible. C1 correspond à la capacité du condensateur de sortie.
3 1
8 1 C
PWM
V I
f C
∆ ≈ ∆
⋅ ⋅
Calculer l’ondulation de tension dans le condensateur de sortie C2 à l’aide de la relation suivante et vérifier expérimentalement qu’elle est très faible. C1 correspond à la capacité du condensateur de sortie.
5 2
8 2 C
PWM
V I
f C
∆ ≈ ∆
⋅ ⋅
4) Mesure du rendement du montage
Régler le rapport cyclique de 60%. Mesurer la valeur moyenne du courant de la source DC. Mesurer la valeur moyenne de la tension de sortie Vout et du courant dans la charge. En déduire le rendement du montage avec la relation suivante :
Électronique de puissance GEL-4102
out in
Vout Iout P
P Vin Iin
η= = ⋅
⋅
5) Mesure de la caractéristique de sortie Vout(Iout)
Régler le rapport cyclique de 60%. Faire varier la résistance de charge et mesurer la tension moyenne de sortie Vout ainsi que le courant moyen dans la charge Iout. Tracer la caractéristique Vout(Iout). Analyser vos résultats. Est-ce que la régulation de tension dans ce hacheur est performante?
