Etude et Réalisation d’un convertisseur Buck régulé en tension

1. Etude et Réalisation d’un convertisseur Buck régulé en tension Systèmes & Energies - ESME SUDRIA

2. SOMMAIRE • Présentation et objectifs du projet • Partie puissance • Partie régulation • Résultats pratiques • Conclusion Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

3. Présentation et objectifs du projet Cahier des charges : • Alimentation régulée en tension 60 à 70 W • Tension d’entrée 20 à 30 V • Tension de sortie 15 V • Rendement > 90% • Sans isolation galvanique Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

4. Présentation et objectifs du projet Alimentation à découpage 1. Généralités • Apparue dans les années 70 • Fréquences comprises entre 20 et 200kHz • Isolée / non isolée • Avantages : • Tension de sortie > ou < à la tension d’entrée • Réduction taille des composants de filtrage • Réduction de la taille des transformateurs d’isolement inversement proportionnelle à la fréquence de découpage Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

5. Présentation et objectifs du projet 1. Généralités • Choix de l’alimentation à découpage : • Sans isolation galvanique • Abaisseur de tension Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

6. Présentation et objectifs du projet 2. Convertisseur Buck Mosfet Fréquence de découpage: 80kHz Diode de roue libre Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

7. Présentation et objectifs du projet Interrupteur MOSfet à l’état passant MOSfetbloqué Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

8. Présentation et objectifs du projet 2. Convertisseur Buck Dimensionnement générale Rendement 𝞰 > ou égale à 85 %. 𝞰 *Ve*Ie = Vs*Is rapport cyclique : α = Vs/ 𝞰 Ve = 0,59 Pour 30V Ie=Pe/30 = 2,74 A Pour 20V Ie=Pe/30 = 4,12 A ondulation maximale de ce courant de 10% de sa valeur nominale : ΔI= 0,27 A ou ΔI= 0,41 A Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

9. Présentation et objectifs du projet 2. Convertisseur Buck • Conduction continue et discontinue Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

10. Dimensionnement Partie puissance Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

11. Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance • L= 285 µH Expression ondulation de courant dans la bobine Expression de l’inductance Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

12. Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance • Dimensionnement du tore. Principales grandeurs utiles: • L’induction magnétique B • L’intensité du champ magnétique H • Le flux magnétique ɸ • La perméabilité magnétique µ Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

13. B Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance Dimensionnement du tore. H Matériau doux cycle d’hystérésis étroit Produit des aires (théorique): Produit des aires du tore ferrite: Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

14. Partie puissance – Dimensionnements des composants 1 Dimensionnement de l’inductance Nombres de spires: Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

15. Partie puissance – Dimensionnements des composants 2. Dimensionnement du condensateur • Cth= 2,8 µF On prendra C = 15O µF avec ESR = 0,05Ω Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

16. Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs MOSFET Transistor a effet de champ 3 broches : grille, drain, source Commande du transistor réalisé par la tension Vgs Transistor bloqué si |VGS| < |VTH| Transistor passant plus |VGS| > |VTH| Etat passant Rdson Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

17. Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs MOSFET Canal P Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

18. Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs MOSFET Puissance absorbée en commutation Puissance absorbée en conduction Puissance dissipée Pd = Pon + Pc Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

19. Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs Pertes joules Chaleur Rthra + Rthjb + Rthbr= (Tj - Ti)/P Rthra = (Tj- Ti)/P  - Rthjb - Rthbr Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

20. Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs Diode : continuité du courant • 3 caractéristiques fondamentales pour dimensionner une diode : • sa tenue en tension • le courant • et le seuil de tension. Diode Schottky Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

21. Partie puissance – Dimensionnements des composants 3. Dimensionnement des interrupteurs Snubbers Réduire oscillations parasites Minimiser les pertes Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

22. Partie régulation Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

23. Partie régulation 1. Objectifs Réguler tension de sortie avec la variation de la tension d’entrée (30 – 20 V) • Asservir rapport cyclique MOS • Pour commander MOS : signal carré dont rapport cyclique varie selon entrée Technique utilisée: PWM ou MLI Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

24. Partie régulation 2. PWM ( Pulse Width Modulation ) 2 signaux: • une dent de scie et un signal de référence • Ces deux signaux sont injectés dans un comparateur tout ou rien pour en extraire un signal carré qui sera ensuite injecté dans des bascules. Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

25. Partie régulation 3. L’asservissement • Perturbations: échauffement des composants, rayonnement, CEM… • Système asservis en tension et en courant • Shunt : une résistance de faible valeur permettant de mesurer le courant la traversant • Utilisation d'un correcteur PI Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

26. Partie régulation 4. Utilisation d’un contrôleur Difficultés : • Limités en rapport cyclique • Limités en fréquences • Pas d’étage de commande du MOS Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

27. LTC3824 Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

28. Partie régulation 5. Simulation LTspice Tension d’entrée à 30V Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

29. Partie régulation 5. Simulation LTspice Tension de sortie du Buck Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

30. Partie régulation 5. Simulation LTspice Courant de sortie du Buck Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

31. Partie régulation 5. Simulation LTspice Tension dans la Gate du MOSFET Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

32. Partie régulation 5. Simulation LTspice Courant dans la bobine Ondulation de courant De 250 mA Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

33. Résultats pratiques Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

34. Résultats pratiques 1. Simulation BUCK régulé tension de sortie Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

35. Résultats pratiques 1. Simulation BUCK régulé tension Vgs Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

36. Conclusion Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

37. Bilan financier Conclusion Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone