EXAMEN 2 Document autorisé : 1 feuille recto verso écrite à la main Durée : 1h50 Exercice 1 : Circuit de commande d’un transistor de puissance (25 pts)

Électronique de Puissance Mardi 18 décembre 2012 EXAMEN 2

Document autorisé : 1 feuille recto verso écrite à la main Durée : 1h50

Exercice 1 : Circuit de commande d’un transistor de puissance (25 pts)

a) État des transistors BS250, IRFD9113, BUF410A et IRFD1Z3 lorsque le transistor du circuit intégré (PWM) est amorcé.

Le transistor BS250 est un Mosfet du type Canal P : Il est amorcé puisque sa tension |VGS| atteint 17V.

Le transistor IRFD9113 est aussi un Mosfet de canal P. Il reste bloqué car le transistor BS250 impose sa tension |VGS| a une valeur proche de zéro.

Le transistor IRFD1Z3 est aussi un Mosfet de canal N. Il s’amorce car le transistor BS250 impose sa tension

|VGS| a une valeur proche de 17V.

Le transistor BUF410A est du type NPN. Il reste bloqué puisque on extrait de sa base un courant négatif.

b) Rôle de la diode BYW100 : Estimez (approximativement) le courant maximal qui pourrait la traverser, dans ce circuit, ainsi que sa tension VRRM minimale.

Cette diode est associée à la diode d’anti-saturation BYT11-1000. Elle permet d’ajuster la chute de tension sur le circuit de base pour régler la tension VCEsat avec la diode d’antisaturation.

Le courant dans la diode BYW100 est limité par la résistance de 18 ohms. On peut estimer sa valeur maximale en supposant que la tension VDS du transistor IRFD9113 est égale à 0.5V lorsqu’il est amorcé et que la tension VBE du transistor de puissance est aussi de 0.5 V. On peut aussi fixer la tension VAK de la diode à 0.6V.

12 12 1.6 0.58

DS BE AK 18

V V V

I A

R

− − − −

= ≈ =

Cette diode doit bloquer une tension faible du même ordre de grandeur que l’alimentation du circuit de commande (12V). Si les transistors IRF9113 et IFRD1Z3 fonctionnent correctement, de manière complémentaire, cette diode n’est pas polarisée avec une tension négative (sauf au moment des commutations).

c) Rôle de la diode BYT11-1000 : Estimez (approximativement) le courant maximal qui pourrait la traverser dans ce circuit ainsi que sa tension VRRM minimale.

Dans le circuit de base, c’est la diode d’anti-saturation. Elle permet de régler la tension VCEsat en ajustant le courant de base pour éviter une saturation importante du transistor. Cela permet d’augmenter sa vitesse de commutation .

Elle doit supporter la tension du circuit de puissance : VRRM > 300V.

Son courant ne peut pas excéder celui de la diode BYW100 : 0.58 A d) Tension que doit supporter le condensateur de 680 pF?

Elle correspond à la tension du circuit de puissance : 300 V

e) Courant maximal qui va traverser le condensateur de 680 pF lorsqu’on amorce le transistor BUF410A ?

Ce courant est limité par la résistance de 560 ohms. Si on néglige la tension VCE lorsque le transistor BUF 410A est amorcé, on obtient :

max 300 0.53 I =560= A

f) La durée minimale de conduction du transistor BUF410A ? (Justifier votre réponse) Il faut assurer une décharge complète du condensateur de 680 pF qui sert de circuit snubber.

On considère généralement que la décharge est complète au bout de 3 fois la constante de temps :

min 3 3 560 68010 12 1.1 t > ⋅RC= ⋅ ⋅ ⁻ = ms

g) Puissance minimale de la résistance de 560 ohms si la fréquence de modulation est de 15kHz.

La résistance doit dissiper toute l’énergie stockée par le condensateur, à chaque période de modulation :

2 12 2

1 0.5 68010 300 30.6

E=2CV = ⋅ ⁻ ⋅ = mJ

0.46 P E f= ⋅ = W

Exercice 2 : Questions de cours

1) Schéma d’un onduleur monophasé à transistors IGBT (partie puissance seulement).

2) Deux méthodes d’isolation pour la commande d’un transistor

Par exemple les fibres optiques et les opto-coupleurs. On pouvait citer aussi les transformateurs d’impulsion

3) Schéma d’un circuit PFC et expliquer sa fonction

Il sert à faire un redresseur monophasé à absorption sinusoidale. Il permet d’augmenter contrôler la forme du courant d’entrée et son déphasage par rapport à la tension. Cela permet d’augmenter le facteur de puissance par rapport au redresseur classique à diodes en réduisant le contenu harmonique du courant d’entrée.

4) Expliquer l’intérêt d’un redressement synchrone

Dans les redresseurs basse tension, il est possible d’utiliser des mosfets à la place des diodes pour diminuer les pertes par conduction et augmenter leur rendement. En effet la chute de tension dans les mosfets basse tension est généralement plus faible que celle des diodes. En le placant en parallèle sur les diodes, on peut les amorcer et les laisser conduire en sens inverse pour réduire les pertes par conduction. Cette technique nécessite une méthode de commande particulière pour éviter les risques de court-circuit.

Exercice 3 : Dimensionnement d’un hacheur dévolteur

On souhaite réaliser le dimensionnement d’un hacheur dévolteur pour le cahier des charges suivant : La tension d’entrée E = 50 V, la tension de sortie Vch = 15 V et le courant de charge Ich = 2A.

1) Schéma du circuit de puissance d’un hacheur dévolteur

V

E V

R

I

V

C

2) Valeur minimale de l’inductance pour obtenir un fonctionnement en conduction critique si on fixe la fréquence de modulation à 40 kHz

La valeur moyenne du courant de sortie est de 2A. Comme on est en conduction critique, on a :

2 4

L L

I I A

∆ = ⋅ = On déduit le rapport cyclique de l’expression suivante:

Vch= ℜ⋅E et 15 0.3 ℜ = 50= On déduit l’inductance de l’expression suivante:

3) Valeur minimale du condensateur pour limiter l’ondulation de tension aux bornes de la charge à 0.5 V.

4) Déterminer les caractéristiques des composants de puissance (transistors et diodes); VCEmax, VRRM, ITrms, ITmax, IDrms, IDmoy.

VCEmax= E = 50 V VRRM = E =50 V

max max 4

T L

I =I = A I_Trms = ℜ ⋅I_{L oym} =1.095A

(

)

Dmoy L oy

I = − ℜ ⋅I = A I_Drms = 1− ℜ ⋅I_{L oym} =1.67A

5) Est-ce qu’on peut faire une version isolée de cette alimentation. Dans l’affirmative, tracer un schéma de cette alimentation isolée.

Oui, on peut faire une alimentation isolée: cela s’appelle un Forward.

Différents schémas sont possibles suivant la méthode utilisée pour démagnétiser le transformateur. Par exemple, on peut utiliser un enroulement de démagnétisation.

Exercice 4 : Analyse de circuit

On veut étudier le fonctionnement en régime permanent et en conduction continue de l’alimentation à découpage de la figure 2. Le transistor T est amorcé avec un signal de commande à fréquence constante f = 1/T, avec un rapport cyclique  =ton/T.

Figure 2 C

T

D +

I1 I2

( ) ( )

IL 1 1 66

L

E L E H

L F I F m

∆ = ℜ⋅ − ℜ ⋅ ⇒ ≥ ℜ⋅ − ℜ ⋅ =

⋅ ∆ ⋅

8. .^L 8. . ^L 12.5

C I I

V Vch C F

F C F Vch m

∆ ∆

∆ = ∆ ≈ ⇔ ≥ =

∆

1) Étude du fonctionnement.

a) Séquence 1 : À t = 0, on amorce le transistor T. Le condensateur est chargé avec Vc=+VM.

VAKD =-Vc <0 La diode est bloquée

2 ( ) 2

C c M

dV I

Ic C I V t t V

dt C

= = − ⇒ = − ⋅ + Le condensateur se décharge

0 ( )

T D c

V = V = −V t

1 2 0

T D

I = +I I I =

b) Passage de la séquence 1 à la séquence 2 : À t = ton, on ouvre le transistor T.

Les sources de courant produisent des surtensions qui entraînent l’amorçage de la diode D

c) Séquence 2 :

La diode est amorcée

( )

1 ( ) 1

C c m

dV I

Ic C I V t t ton V

dt C

= = ⇒ = ⋅ − + Le condensateur se charge

( ) 0

T c D

V =V t V =

1 2

T 0 D

I = I = +I I

C

T D

+

I1 I2

Ic

IT

ID +

-

T D

+

I1 I2

IT + ID

-

Ic

d) Passage de la séquence 2 à la séquence 1 : A t = T, on réamorce le transistor T.

Cela provoque l’apparition d’un courant de court-circuit pour le condensateur. Ce courant fait augmenter rapidement le courant dans le transistor et fait diminuer rapidement le courant dans la diode. Lorsque le courant dans la diode est nul, on peut l’ouvrir pour calculer la tension à ses bornes.

On trouve que VD=-Vm <0. Cela veut dire que la diode se bloque et que le transistor conduit seul. On retrouve la séquence initiale.

2) Tracer au propre les formes d’ondes sur deux périodes de fonctionnement pour les variables suivantes:

IC, VC, IT, VT, ID, VD. Préciser clairement les échelles sur vos graphiques; les instants pour lesquels on observe des transitions et les amplitudes caractéristiques.

ton

T T

I

I1

ton T

t

V

toff

t

-I2

ton

T T

I

I1+I2

ton T

t

V

toff t

0

ton

T T

I

ton T

V

toff t

0

Condensateur Transistor Diode

I1+I2

3) Caractéristique I2=f(I1,) de cette alimentation,  étant le rapport cyclique.

Il suffit d’écrire que le condensateur ne peut pas accumuler de l’énergie en régime permanent. Cela veut que la valeur du courant qui le traverse, doit être nulle sur une période de fonctionnement.

( )

2 1

2 1

0 1

1

IC I I

I I

= ⇔ ℜ⋅ = − ℜ ⋅

= − ℜ⋅ ℜ

4) Schéma de ce montage avec une source de tension et une charge résistive, en rajoutant les éléments nécessaires.

C

T

D

L + L

R