Alimentations à découpage à isolement galvanique

Alimentations à découpage à isolement galvanique

Plan de l'étude :

Alimentation à flux asymétrique :

1) alimentation de type FLYBACK ; 2) alimentation de type FORWARD ;

Alimentation à flux symétrique :

3) alimentation symétrique de type PUSH-PULL ; 4) alimentation symétrique montage en demi–pont ; 5) alimentation symétrique montage en pont ;

Bibliographie :

[LIVRE122] J.–P. FERRIEUX, F. FOREST, Alimentations à découpage - convertisseurs à résonance, 3e édition revue et augmentée, 1999.

[LIVRE025] R. BAUSIERE, F. LABRIQUE, G. SEGUIER, Volume 3. La conversion continu–continu, éditions TEC&DOC, 1997.

[LIVRE032] P.–T. KREIN, Element of power electronics, Oxford University Press, 1997.

[PAP146] [D3162][D3163], Alimentations à découpage - Convertisseurs continu- continu non isolés, FOCH H. et al, Techniques de l'Ingénieur, septembre 1990.

[PAP147] [D3164], Alimentations à découpage - Le transformateur dans les alimentations à découpage, FOCH H. et al, Techniques de l'Ingénieur, juin 1991.

[PAP110] [D3165], Alimentations à découpage - Convertisseurs continu–continu

isolés, FOCH H. et al, Technique de l'Ingénieur, mars 1992.

Alimentations industrielles : Solutions technologiques

Alimentation à découpage de type FLYBACK

Schéma de principe : Formes d'ondes :

T ^T

i

v T

Ve

i 1

v 1 v ₂ D

C R

v _D

i ₂

n ₁ n ₂

^+Ve

T T t

Vs

t

v (t)1

n .i (t)_{1 1} n .i (t)_{2 2} Vs

-m

Phases de fonctionnement :

T Ve

i

1

v

_D

i = 0

₂

Vs

T Ve

L

2

D

C R

v

_D

i

₂

Vs L

1

i = 0

1

2 1

2

m L

L  

Valeur moyenne de la tension de sortie

:

 

 



 m Ve 1 Vs

Ondulation de la tension de sortie : C F Vs Is



 

 

Ondulation du courant d'entrée : L F I Ve





 



1

1

Fonctionnement en conduction discontinue (FLYBACK)

Tension aux bornes du transistor et courant magnétisant

+Ve

t

0 _'T T _t

v (t) T

Ve+ Vs m

I _1max i (t) ₁₀

Tension aux bornes de l’enroulement « 1 » et courant magnétisant

0 T t

+Ve

- Vs m

v (t) ₁

I _1max

i (t) ₁₀

Caractéristique de sortie de l’alimentation FLYBACK

La tension normalisée vaut

mVe

y Vs . Le courant de charge normalisé vaut Is

Ve F L Is m Ve m

F

x L   



 

 ² ¹ .

a)

En régime continu,





  mVe1

Vs , donc





  y 1 .

b)

En régime discontinu, y vaut alors

y x



  2

2 qui est une hyperbole paramétrée en .

c)

La condition de passage d'un régime à l'autre est liée à la présence d'un courant moyen limite, noté Islimite égal au courant moyen dans la diode. Avec    

Vs Ve 1 m

' , on a :

Vs F L

Ve m

I m

I_{S ite} I









 

 

 

 



1 2 2 max 1

1

lim ' 2

' 2

2 de forme normalisée



1



²

2 y

x_limite y

 

Dans le plan courant/tension y(x), ceci se traduit par une courbe limite de forme hyperbolique. Cette courbe s'exprime aussi par :

 













 







1 2 1

ite lim

ite lim y x

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0 1 2 3 4 5 6

alpha = 0 alpha = 0.5 alpha = 0.66667 alpha = 0.75 alpha = 0.8 alpha = 0.83333

Contraintes sur les interrupteurs de l’alimentation FLYBACK

Le transistor T :

m Ve Vs V

Ie Is m I

F L

Ve Is

I m I

T

moy AV

T TM







 



 









 



M ) (

1 max

1

1 !

2 1

Transistor MOSFET : P₀ R_DSonI_DS² _(RMS). Bipolaire : P₀ R_DI_C²_(RMS)V_CEsatI_C(AV)

 

_^









  



 









 

 1 12

12 2 1

I Is

I m

I_{T RMS eff} avec m Is I _med I _moy

10

1  1 







Dans la cas ou l'ondulation est faible 1

min 1

1 

 I

I , I_1minI_10moy I_1max et I_TRMSI_10moy  .

Lorsque l'alimentation travail à I1min = 0, _{ }

3 3 ^1max

1

 

 

 I I

I_{T RMS} .

La diode D :

Vs mVe V

V

Is I

I

F mL

Ve I Is

I

DRM D

AV F Dmoy

FRM D















 



 



max inv

) (

1

max 1 2

Les pertes statiques dans la diode valent :

) AV ( F ) D

RMS (

D IF V I

R

P₀  ²  ₀

 



















 

 



 







 



 1

12 1

22 2

2 Is I

I I

I_{F RMS Deff eff} et

m I I

Is moy

med 10

1  2 





Si l'ondulation est faible 1

max 2

2 

 I

I , l'expression devient _{ } ^10moy 1 m

I_{F RMS} I .

Lorsque l'alimentation travail à I2min = 0 , IL = I2max et _{ }

   

3 1 m 3

1 m

max

1 1 

 



I I

I_{F RMS} .

Facteurs de dimensionnement de l’alimentation FLYBACK

Pour la diode D :

  ^{ }

 

  1

Ps I D V

Fd ^{RRM F AV}

Pour le transistor T :

  ^{T V Vs I Is}   ^{L m Ve F Is}

Fd

^{TM TM}







 





 



 

2

2

1 1

Choix de  – Contraintes sur le transistor

Si l’ondulation du courant magnétisant est faible : ^Fd   ^{T   }  ^{1 1  } 

^,

Dans cette configuration, la tension de sortie vaut Vs mVe  mVe





 

1

^.

La tension aux bornes du transistor est égale à 2Ve.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 2 4 6 8 10 12

dI10 = 0 et dI10 = 2.9538 A / m = 0.073846.

alpha

Facteur de dimensionnment Fd du transistor

Alimentation FLYBACK en régime auto–oscillant

Schéma de principe et formes d'ondes :

Valeur moyenne de la tension de sortie :

2 1

t Ve t m Vs   

Fréquence de commutation : 



 





 



Ve m I Vs

mL F Vs

max 1

1

1

Circuit de démagnétisation par pont

P.-T KREIN., Element of power electronics, page 34, figure 1.25:

Schéma de principe FLYBACK :

E

K

₁

K

₂

K

₃

K

₄

lf Vs

Alimentation à découpage de type FORWARD

Schéma de principe :

D

C i _S

R

T

v _S

i T

v T

v _D i D

i L v ^L L Dtr

v 1

v 2

i ₂

Dm v 3

n 1 n2 n3

v _E

C _E i _E

230V 50Hz

5V 10A

3 phases de fonctionnement :

Alimentation FORWARD – Formes d'ondes

Valeur moyenne de la tension de sortie : Vs  m    Ve

Ondulation du courant de sortie :  

F L

Ve 1 m

I _L



 









Ondulation de la tension de sortie :  

₂

F LC 8

Ve 1 m

Vs 

 









Caractéristique de sortie de l’alimentation FORWARD

La caractéristique de l’alimentation FORWARD est identique à celle du hacheur série, en remplaçant Ve par mVe.

La tension normalisée vaut

mVe

y Vs . Le courant de charge normalisé vaut

Is mVe x  LF 

.

a)

En régime continu, Vs = mVe, donc y = .

b)

En régime discontinu y vaut alors

2

x 1 2 y 1



 

 qui est une hyperbole paramétrée en .

c)

La condition de passage d'un régime à l'autre est liée à la présence d'un courant moyen limite, noté Islimite égal à une demi ondulation du courant dans l'inductance IL/2. On a donc :



^







 

 1

LF 2 mVe 2

Is_limite I^L de forme normalisée

 

2 y 1 x_limite  y 

Dans le plan courant/tension y(x), ceci se traduit par une courbe limite de forme parabolique correspondant à la forme de IL(). Cette courbe s'exprime aussi par :

 

















ite lim

ite lim

y

2 x 1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

alpha = 0.5 alpha = 0.4 alpha = 0.3 alpha = 0.2 alpha = 0.1

Contraintes sur les composants

Interrupteur :

 



 









 









 L F

Ve F

L 2

Ve 1 m

Is m I

1 max

T

' Ve m 1 1

V_Tmax 



 

 



Diode Dtr : ' Ve m V_RRM  m

Is I

I_moy  _F(AV) 

Diode Dm :



1 m'



Ve

V_RRM   

' m F L

Ve 2 I 1

1 moy







 

 (ok) (faible)

Diode D : Ve m V_RRM  



1



Is I

I_moy  _F(AV)  

Facteur de dimensionnement - Choix de m'

Le facteur de dimensionnement de l'interrupteur vaut :



 













 



 

  

 

 m '

1 1 Is

Ve m

Is m ' Ve

m 1 1

P I

Fd V ^{K max K max}

Ce facteur est majoré d'un coefficient ^



 

   ' 1 1

m par rapport à celui du hacheur série. Ceci est la conséquence de la démagnétisation qui impose une tension de blocage du transistor supérieure.

Pour le régime nominal de fonctionnement (rapport cyclique maximal) et pour exploiter au mieux l'alimentation et le circuit magnétique, on à intérêt à ce que la démagnétisation complète de l'inductance L

1

correspond avec la période de découpage, soit :

 

' m 1 1 1

' m T

L 1 E n T n L

I E _max

1 3 1 1

max

10                

Le facteur de dimensionnement devient alors

_max

 1

_max



Fd 1







  . Cette fonction passe par un minimum pour 

max

= 0,5.

On en déduit que pour minimiser le dimensionnement de l'interrupteur, il faut choisir cette

valeur particulière du rapport cyclique et donc prendre m' = 1, soit n

1

= n

3

. Dans cette

configuration, la tension aux bornes des composants primaires sont égales à 2Ve.

Circuits de démagnétisation pour le montage FORWARD

Par diode zener :

Ve

Vs

Tp Dm Dz

Par réseau RCD :

Ve

Vs

Tp Dm

R C

Par pont asymétrique :

Ve Vs

Tp 1

Dm 1 Tp2

Dm2

Alimentation à découpage symétriques montage "PUSH-PULL"

Schéma de principe : Formes d'ondes en charge :

Fonctionnement à vide :

Alimentations à découpage symétriques

Schéma de principe du montage en demi-pont :

Montage en pont :

Formes d'onde en

charge :