HAL Id: jpa-00249423
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Submitted on 1 Jan 1995
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Chargeur de batterie avec isolation galvanique et absorption sinusoïale
D. Rabasté, J. Malartre, C. Glaize
To cite this version:
D. Rabasté, J. Malartre, C. Glaize. Chargeur de batterie avec isolation galvanique et absorption sinusoïale. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1995, 5 (11), pp.1887-1904. �10.1051/jp3:1995232�.
�jpa-00249423�
J. Phys. III France 5 (1995) 1887-1904 NOVEMBER1995, PAGE 1887
Classification Physics Abstracts
12.10 83.60
Chargeur de batterie avec isolation galvanique et absorption
sinusdidale
D. Rabast6, J. M. Malartre et C. Glaize
LEM USTL, CC 079, place E. Bataillon, 34095 Montpellier cedex 5, France
(Regu le 2 aofit 1993, rdvisd le 27 juin 1995, acceptd le 19 juillet 1995)
Rdsum6. AprAs un bref rappel des structures classiquement utilisdes pour les chargeurs de
batteries, nous proposons l'Atude d'une nouvelle structure h absorption sinusdidale et isolement
galvanique par transformateur haute frAquence fonctionnant h une puissance de 1 kW. A la suite d'une prdsentation thAorique, nous passons h l'Atude des principaux problAmes liAs h la rAalisation de ce convertisseur, principalement les surtensions aux bornes des interrupteurs et le choix d'un rapport de transformation prAsentant le meilleur compromis. Une modAlisation de la partie puissance est ensuite dAcrite, avant de passer aux rAsultats obtenus.
Abstract. After a brief recall of converters conventionally used for battery chargers, this work stressed about a new structure with sinusoidal line current and galvanic insulation by a high frequency transformer working at 1 kW. The theoretical presentation is followed by the
design problems, particularly
over voltage on switches and transformations ratio choice. We describe next
a power part converter model, and at last the experimental results.
1. Introduction
L'intArAt grandissant pour les v6hicules 61ectriques amAne les chercheurs h s'interroger sur la conception de nouveaux types de chargeurs de batteries plus performants et d'utilisation plus
aisle que les pr6c6dentes gAnArations.
Les premiers montages Ataient composAs d'un pont redresseur commandA ou non, attaquA par un transformateur 50 Hz. Le dAveloppement de l'61ectronique de puissance a conduit h
l'utilisation de convertisseurs h dAcoupage. Pour des raisons 6videntes de poids et de volume.
on a supprimA le transformateur 50 Hz en le remplaqant ou non, suivant le cahier des charges,
par un transformateur haute fr6quence.
Nous ne nous intAresserons dans cet article qu'aux convertisseurs h commutation forcAe.
les systAmes h rAsonance demandant une approche particuliAre sortant de notre propos ici.
Aujourd'hui deux grandes classes de structures h d4coupage semblent se distinguer
La premiAre utilise deux convertisseurs continu-continu en cascade, alimentAs par le rAseau via un pont redresseur (Fig. 1). Un condensateur de forte valeur, placA entre les deux Atages h
Q Les Editions de Physique 1995
continu continu
tenskJn j ~
_~~~ Bad~ies
23o v
j
5o Hz continu continu
Fig. 1. St.ructure h deux convertisseurs.
[Two stages converters.]
d4coupage assure l'accumulation d'4nergie. On peut alors se permettre tout en absorbant un courant sinusoidal en entrAe d°avoir un courant lissA dans la batterie, limitant ainsi les Achauf- fements et le dimensionnement des composants de l'Atage de sortie. Cependant l'association de deux Atages conduit h un prix de revient important, des pertes supplAmentaires et donc un
rendement moindre. Le condensateur de stockage augmente quant h lui prix et volume.
La seconde grande Masse ne comporte qu'un seul Atage assurant la conversion continu continu, l'alimentation se faisant toujours par le rAseau, via un pont redresseur cette conversion se rAalise sans l'utilisation de capacitA d'accumulation basse frAquence. L'Aquation d'AgalitA entre les puissances d'entrAe et de sortie permet de dAterminer la forme du courant dans la batterie
en fonction de la forme du courant d'entr4e dAsirA sinusoidale (Fig. 2).
Suivant l'option choisie, on obtient un facteur de puissance plus ou moins bon comme le mentionnent les rAfArences [3] et [5], le cas le plus favorable de ce point de vue Atant Avidement
l'absorption sinusoidale qui impose un courant en sinus carrA dans la batterie. Un compromis
reste cependant h trouver entre le facteur de puissance et le dimensionnement des interrupteurs iii. Il faut Agalement remarquer que cette solution engendre dans la batterie un courant dont la forme provoquera
un Achauffement plus important, le rapport valeur efficace-valeur moyenne Atant AlevA, mais c'est le prix de la simplicitA de cette solution. La quantification de cet effet
sur la batterie dApasse l'objet de cet article. A ce courant de sortie se superpose d'autre part
une composante haute frAquence, dont l'importance dApend de la structure choisie, le courant pouvant Atre en effet dAcoupA (Fig. 2a par exemple) ou lissA (Fig. 2c par exemple) suivant le placement de l'inductance. Dans le deuxiAme cas le filtrage plus simple ne nAcessitera que
l'adjonction de condensateurs de faible valeur et pourra utiliser les inductances parasites de
ciblage par exemple.
Nous allons rappeler briAvement de maniAre qualitative les critAres qui justifient le choix d'une structure plut6t qu'une autre. Pour plus d'informations, nous renvoyons le lecteur aux rAfArences bibliographiques oh ce sujet est traitA en dAtail.
Parmi les structures les plus classiquement utilisAes pour ce genre de montage; on retrouve la topologie inverseuse (Fig. 3a), qui se prAte bien h l'introduction d'un isolement galvanique.
Cependant, le dAcoupage des courants d'entrAe et de sortie obligent h l'utilisation de deux filtres supplAmentaires (Fig. 3b) afin d'amAliorer le facteur de puissance et rAduire l'Amission de perturbations hautes fr6quences, tant du c6t6 secteur que batterie, celle-ci se trouvant g6n4-
ralement 410ign6, pour des raisons d'encombrement, du convertisseur. La topologie abaisseuse
(Fig. 3c) est int6ressante pour ce genre d'application, car elle nAcessite moins de composants que l'inverseuse, l'inductance servant de filtre de sortie. Cependant, le convertisseur ne pouvant
fonctionner que lorsque la tension d'entrAe est supArieure h la tension de sortie, on ne peut esp4-
rer un facteur de puissance supArieur h 0,9 dans le meilleur des cas iii, ce paramAtre dApendant
N°11 CHARGEUR BATTERIE ISOLE, ABSORPTION SINUS 1889
tension tension
batterie batwrie
al °~~~~~
tension courant bj
courant secteur bafierie
battede
t
>
tension
#ecteur tension
batterie
ccurant cteur
Cl
ccurant badede
Fig. 2. AmAliorations du facteur de puissance. a) Courant constant dans la batterie b) courant en sinusoide redressAe dans la batterie c) courant en sinus carrA dons la batterie.
[Power factor improvement. a) battery constant current; b) battery rectified sinusoidal current; c) battery square sinus current.]
tension
~'~~
tens~n
sgje~r jjj Bafl«rl«s secteur
jjj~
1 ~ Baflerl«a
MHz ~ #~f ~
~
~j b)
~sllz
j~ /~ia~i«ri«s i~i'i
11 ' -+~"'~~'
~~~ i
so Hz
ci ~j
Fig. 3. Structures classiques hAtage unique [Classical one stage converters.]
de l'Atat de charge de la batterie. La mAme remarque reste vraie pour les alimentations de type "forward". La structure AlAvatrice (Fig. 3d), bien que parfaitement adaptAe h l'absorption
sinusoidale [10], est limitAe quant h elle par la nAcessitA d'avoir une tension en sortie supArieure h l'entrAe, et par la diIficult6 d'introduction d'un isolement par transformateur haute frAquence.
2. Recherche d'une nouvelle structure
La description ci-dessus nous amAne h rechercher une nouvelle structure utilisable pour la rAalisation d'un chargeur de batterie, nouvelle structure prAsentant les avantages des deux descriptions prAcAdentes, sans en drainer tous les inconvAnients.
L'objectif Atant h terme de rAaliser un chargeur de batterie destinA aux particuliers, celui-ci doit pouvoir soutirer le maximum de puissance d'une prise domestique 230 V-16 A, afin de
recharger les batteries le plus rapidement possible. Aussi son facteur de puissance devra t-il Atre unitaire, son rendement le plus AlevA possible, avec une isolation galvanique pour des raisons Avidentes de sAcuritA. L'ensemble devra bien stir prAsenter un volume et un poids aussi rAduit que possible.
L'exigence d'un faible encombrement nous a fait opter pour un systAme sans capacitA de
filtrage basse frAquence, ce qui nous contraint h un courant en sinus carrA dans la batterie.
Pour obtenir un facteur de puissance sans adjonction de filtre (supplAment de poids et de
volume) nous avons utilisA un convertisseur h inductance en tAte. Pour les mAmes raisons, le fonctionnement devra Atre h commutation forcAe et en mode continu.
Dans un systAme traditionnel, l'utilisation d'une inductance en tAte, conduit s'il n'y a pas
d'autres A14ments destin4s h l'accumulation d'Anergie, h une AlAvation de tension en effet, aprAs la phase d'accumulation, la dAcroissance du courant dans l'inductance ne se fera que sous cette
condition. Ce problAme se rAsout par l'utilisation d'un transformateur haute frAquence qui permettra en plus de l'isolement, l'adaptation de la tension secteur h celle des batteries.
Afin d'utiliser ce transformateur dans les meilleures conditions, c'est h dire avec une valeur moyenne de flux uiagnAtique nul, il sera alimentA par deux bras de transistors.
Le courant altematif haute frAquence sortant du secondaire du transformateur doit Atre
redressA par un pont de diodes avant d'alimenter les batteries. Le sch4ma thAorique complet finalement retenu (Fig. 4), s'inspire du montage prAsentA en dans les rAfArences [2] et [4].
Le facteur de puissance unitaire est obtenu par l'asservissement du courant d'entrAe iE, de maniAre h lui donner la forme d'une sinusoide redressAe double altemance [2], dont la valeur
moyenne est fonction de la puissance demandAe. Nous avons alors un courant absorbA iR
sinusoidal en phase avec la tension rAseau DR.
= i~
~
i~
tension
~
~
v i~ ~
m_ V~
Secteur r
° P
Fig. 4. Structure adoptAe.
[Chosen converter.]
N°11 CHARGEUR BATTERIE ISOLt, ABSORPTION SINUS 1891
;
e
t
o --
DT~ T~
vt
it ,
o
§=ni
n =v~
,
i~
Va
t o
Fig. 5. Formes d'ondes h l'Achelle de la pAriode de dAcoupage.
[High frequency wave form.]
3. Description du montage
Les courbes thAoriques de fonctionnement sont donnAes figure 5 pour une tension d'entrAe continue VE dans un premier temps.
Contrairement h la commande prAsentAe dans la rAfArence [2], oh la succession de phases d'accumulation et de restitution h frAquences diifArentes nAcessitent une carte de contr61e com-
pliquAe (emploi de CNA, boucle h verrouillage de phase, etc..), nous avons opt4 pour une commande la plus simple possible compte tenu de la structure retenue. La pAriode de fonction-
nement TD prise comme rAfArence est la pAriode du courant dans l'inductance et correspond
h la moitiA de celle des grandeurs du pont et du transformateur. Si D est le rapport cyclique,
la premiAre phase de 0 h DTD correspond h l'accumulation de l'Anergie dans l'inductance les quatre interrupteurs sont fermAs et la moitiA du courant dans l'inductance passe dans chaque
bras de pont. La phase de restitution, de DTD h TD, arrive avec l'ouverture des interrupteurs
se trouvant sur la premiAre diagonale. Une partie de l'Anergie accumulAe darts l'inductance
est alors transmise h la batterie par l'intermAdiaire du transformateur et du pont de diodes.
Suit une nouvelle phase d'accumulation, puis l'ouverture des interrupteurs se trouvant sur la deuxiAme diagonale du pont courant et tension dans le transformateur sont alors de sens
opposAs.
La nullitA de la tension moyenne aux bornes de l'inductance en rAgime Atabli permet d'Acrire les relations suivantes entre les grandeurs en entrAe et en sortie
~~ nVE
1 D
v~
~
o t
nv~mv.
Va I
o t
.Va I
i~
Va
o
Fig. 6. Formes d'ondes h l'Achelle de la pAriode secteur.
[Line frequency wave form.]
1-D
<i~> = <ie>
oh D est le rapport cyclique et n le rapport du transformateur. Ce dernier Atant infArieur h 1, le courant absorbA est infArieur au courant dans la batterie, ce qui permet de diminuer la taille de l'inductance de lissage.
Une fois le systAme asservi, on obtient h l'Achelle de la pAriode secteur les chronogrammes de la
figure 6. La tension au primaire du transformateur est nulle pendant les phases d'accumulation,
et imposAe par la batterie via le pont de diodes pendant les phases de restitution. On peut remarquer Agalement la forme en sinus carrA du courant dans la batterie, l'AgalitA des puissances
entre l'entrAe et la sortie nous donnant
< 16 >"
~~ ~~@ ~~~ Sill~100~t
B
4. Conception du montage problkmes rencontrds
4.I. CHOIX DE LA FRLQUENCE ET DES INTERRUPTEURS. Ces deux options sont inti-
mement liAes en effet, afin de rAduire les pertes par conduction, nous avons optA pour des
transistors IGBT, composants qu'il est difficile de faire commuter en conduction continue pour des frAquences supArieures h 25 kHz, h cause en particulier du courant de trainage lors de
l'ouverture de l'interrupteur. Comme nous le verrons plus loin, un composant plus rapide tel que le transistor MOS n'est pas trAs bien adaptA h notre structure, h cause des problAmes trAs
aigus crAAs par les AlAments rAactifs parasites. Nous avons finalement optA pour une frAquence
N°11 CHARGEUR BATTERIE ISOLt, ABSORPTION SINUS 1893
o
n important 0
lams 20ms
Fig. 7. Evolution du rapport cyclique sur une pdriode secteur.
[Duty ratio evolution on line period.]
de fonctionnement du transformateur h 22 kHz, ce qui nous affranchi de tous les problAmes de nuisances sonores. Il est important de noter que ce choix implique une frAquence de 44 kHz pour l'inductance, diminuant ainsi son volume.
4.2. CHOIX Du RAPPORT DE TRANSFORMATION. Sous alimentation sinusoidale. le rapport
cyclique Avolue tel que le montre la Figure 7, afin de toujours vArifier la relation entre les tensions de sortie et d'entrAe
VB " ~~~j avec (
= VE maxi sin100~t(
Pour une puissance demandAe, l'amplitude de l'Avolution du rapport cyclique est fonction du rapport de transformation choisi. Une augmentation du rapport de transformation n, conduit h
une tension instantanAe plus faible au primaire du transformateur (up = VBIn lorsque les diodes du secondaire conduisent). D'autre part pour une puissance donnAe, toujours dans l'hypothAse
d'une augmentation du rapport de n, il est alors nAcessaire d'augmenter l'excursion du rapport cyclique, afin d'atteindre les faibles valeurs de D (Fig. 7). L'optimisation de la construction et du dimensionnement des diffArents AlAments va nous obliger h un compromis entre diffArents
critAres dont voici les grandes lignes
Remarquons tout d'abord que les valeurs maximales, moyennes et efficaces du courant sortant du pont de diodes cotA secteur ne dApendent que de la puissance absorbAe. En consAquence,
une fois la frAquence fixAe, le dimensionnement de l'inductance de tAte n'est plus fonction que de la puissance.
Il en est de mAme pour le courant de crAte dans les IGBT. Par contre, afin de diminuer la
tension collecteur Ametteur, on a intArAt h accroitre l'excursion du rapport cyclique et donc augmenter n (Fig. 8a). Ce demier point est en effet critique le montage Atant AlAvateur nous obtenons des tensions de l'ordre de 500 h 600 V au primaire. De plus, comme nous le verrons
plus loin, des oscillations au moment des commutations nous amAnent h choisir nos IGBT dans la gamme du kV.
Le calcul du transformateur s'effectue de maniAre classique, bien que son role soit h premiAre
vue la conversion d'une intensitA. En effet le primaire est attaquA par un gAnArateur de cou- rant, l'inductance L, et le secondaire charge la batterie par la mAme intensitA divisAe par le
rapport de transformation. Cependant, la difficultd de calcul qui en rAsulte peut Atre contour- nAe en considArant que lors de la phase de restitution, la tension secondaire est imposAe par la
batterie, via le pant de diodes. La fr4quence Atant imposAe par le choix des interrupteurs, les abaques des constructeurs de composants magnAtiques nous donnent la section de fer ainsi que
o o
volume de cuivre
tension importante important
sur (es IGBT 0
a) 1° mS t b) ~° ~'~
D limite maximale de D D fonct;onnement en
kl
jteur impossible
~
l'mauvawe immunitb
aux bruits
~~ d)
~ ~~~~#b$t~~~~~
D de cu~re important tension lmportante
sur lm IGBT fdnctionnementen 41bvateurimpomib~
lo ms t e)
Fig. 8. Limitations technologiques. a) limitation due aux interrupteurs b) limitation due au
transformateur c) limitations dues h la commaude d) limitation due h la structure e) ensemble des limitations.
[Technological limitations; a) switches limitation; b) transformer limitation; c) control limitations; d)
converter limitation; e) the whole limitations.]
l'induction maximale. La formule de Boucherot nous permet alors le calcul du nombre de spires secondaire N2 Pour le choix du rapport de transformation, nous avons une nouvelle fois intArAt h augmenter celui-ci, les calculs montrant [11] que les pertes joules dans les enroulements Avo- luent de maniAre inversement proportionnelle h la racine carrAe de ce paramAtre (Fig. 8b). Ces calculs Atant longs, car ils nAcessitent la dAtermination de la valeur elficace du courant dans le
N°11 CHARGEUR BATTERIE ISOLt, ABSORPTION SINUS 1895
j
L '~~_mm
~P ~ )LM~S
[
(b)Fig. 9. Modble haute frdquence des composants magn6tiques. a) Inductance b) transformateur.
[High frequency model of magnetic components; a) inductor; b) transformer.]
primaire d'un transformateur (courant obtenu par la modulation en largeur d'impulsion d'une
sinusoide), nous renvoyons le lecteur intAressA h la rAfArence citAe en bibliographie.
Il faut souligner enfin que, du point de vue de la commande, il est souhaitable afin d'amA- liorer l'immunitA aux bruits du montage de choisir une excursion importante. En effet du c6tA de la commande il est prAfArable de travailler avec un signal de dynamique AlevAe, le bruit
superposA devenant alors nAgligeable. Nous sommes de plus limitAs vers les valeurs voisines de l'unitA du rapport cyclique (Fig. 8c) la valeur 1 correspondant h la mise en parallAle per-
manente de l'inductance sur la source. Cependant, une fois la tension de batterie imposAe, on
ne peut augmenter le rapport de transformation que jusqu'h une valeur maximale. A cette valeur correspond une tension aux bornes du primaire (gale h la tension de crAte du rAseau, le montage Atant alors h la limite du fonctionnement en Aldvateur (Fig. 8d).
Toutes ces considArations sont rAsumAes sur la Figure 8. Nous avons finalement optA pour
une valeur n
= 0,115.
4.3. CONSTRUCTION DES COMPOSANTS MAGNETIQUES. Une attention toute particuliAre
doit Atre mise en oauvre pour la construction du transformateur et de l'inductance. Nous allons
dAvelopper maintenant les principaux problAmes lids h ces deux AlAments.
Les schAmas Aquivalent en haute frAquence [7,8] de ceux-ci sent donnAs figure 9a pour l'induc- tance, oh on trouve une capacitA parasite en parallAle sur l'inductance, cette derniAre devenant
nAgligeable, et figure 9b pour le transformateur on y reconnait l'inductance de fuite primaire Lp, l'inductance de fuite secondaire ramenAe au primaire Ls, l'inductance magnAtisante dont l'influence peut Atre nAgligAe h ces frAquences, ainsi que la capacitA des enroulements rame- nAs au primaire Cp. Pour ces deux schAmas, les AlAments rAsistifs ont AtA n6gligAs, ceux-ci ne
modifiant pas les frAquences de rAsonance, mais juste l'amortissement.
Lors de la phase d'accumulation, les quatre interrupteurs sont fermAs et le schAma haute
frAquence Aquivalent au montage est donnA sur la figure 10a oh CD reprAsente la capacitA
d'une diode h l'Atat bloquA et CB la capacitA Aquivalente des AlAments de batterie, d'influence
nAgligeable h ces frAquences. Nous aurons donc cotA source le schAma Aquivalent figure 10b oh
on peut prAvoir une sur-intensitA due h la charge de CL C0tA transformateur le schAma de la
figure 10c met en Avidence une oscillation due aux interactions entre Lp et Cp d'une part, et Ls
et Cp d'autre part, la capacitA ramenAe au primaire par les diodes Atant d'influence nAgligeable
h la vue des ordres de grandeurs.
Lors de la phase de restitution, les IGBT se trouvant sur une des diagonales s'ouvrent et le schAma haute frAquence devient celui de la figure 11a oh CT reprAsente la capacit6 d'un
transistor h l'Atat bloquA. Une fois arrangA, le schAma devient celui de lafigure I16 oh l'influence du circuit secondaire h AtA nAgligAe, en particulier h cause de la forte valeur de CB. Comme
