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8/11/2019 AlimentationsFerrieux.pdf

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1

Les Alimentations de PuissanceAvances rcentes

Tours, le 10 mars 2005 Jean-Paul FERRIEUX

Journe technique sur les Alimentations de Puissance

Conversion absorption sinusodale

Convertisseurs rsonanceConvertisseurs sortie basse tensionConvertisseurs entre basse tension

Intgration en lectronique de PuissanceConclusions


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2


Conversion absorption sinusodale

Structure deux tagesStructure mono-tage

Objectifs :Rduire les harmoniques basses frquences

sur le rseauGnrer une tension continue rgule


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3

Convertisseurs PFC

Structure deux tages :

Prrgulateur non-isol

iL

iL

Convertisseur DC-DC isol

Rseau50 Hz

Filtrage100 Hz


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4

Exemple de PFC : structure Boost

Tension secteur88-264V AC50-60Hz

Secteurredress

Tensiondrain(MLI)

Tensioncontinue

Tensions

Courants


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5

PFC : Convertisseur Boost

Commande MLI Conduction continuevT

veiT

t

Tr /2Td

= 1VV

2LV

PM

M2s

r( )sin cos

Dformation invitableau voisinage de zro

Trs bon facteur de puissance (>0,99)Rgulateurs standards


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7/57

7

PFC : Convertisseur BoostAvantages :

Convertisseur simpleRgulation du bus intermdiaireRespect des normes BF

Inconvnients :Filtrage CEM dlicat

Montage lvateur (bus > 375 V)Volume des composants passifs


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8

Convertisseurs PFC

Structure mono-tage :

Filtre CEM+

Redresseur

StructureDC-DCisole

Rseau50 Hz

Filtrage100 Hz

Un seul convertisseur pour:Le contrle du courant dentreLa rgulation de sortie

Filtrage 100 Hz en sortie


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9

PFC : structure mono-tage

Exemple du Flybackl e

ie

Cevr

i2

Vsve

i1

Asservissement du courant dentre contrl par

la rgulation de la tension de sortieAbsorption sinusodale naturelle si :Frquence fixeRapport cyclique constant


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10


Mode de conduction mixte

0

0.5

1

1.5

2

0 0.005 0.01 0.015 0.02

C o u r a n

t ( A

)

Temps ( s )

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.005 0.01 0.015 0.02

C o u r a n

t ( A

)

Temps ( s )

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 0.005 0.01 0.015 0.02

R a p p o r t c y c l

i q u e

Temps ( s )

Courant dentre

Courant magntisantRapport cyclique

(Thse dHassan BENQASSMI, LEG)


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11


Exemple dune structure rsonance

VsVe filtrageC

eargch R

LR

CR


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12

Progrs attendus :MOSFET (mdmesh, coolmos)

Diodes Shottky SiC

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500 600Vitesse de commutation dI/dt (A/s)

n e r g

i e d e c o m m u

t a t i o n

( J )

E n erg ie d e co m m uta tio n d e la ce llu le de co m m u ta ti on (d iode + M O S F E T )

en fonc t ion de l a v i t e s se de com muta t ion (d I /d t)

STTA806D

STTH8R06STTH806TTISiC 0,75mm 2 g2

(Thse de Martin COYAUDLEG, ST Microelectronics Tours)

Convertisseurs PFC

limination duRecouvrement inverseMonte en frquence


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13

Convertisseurs PFCProgrs attendus :

Composants magntiquesPoudre de fer, nanocristallins

(Thse dHerv CHAZAL, LEG, LLN, Imphy Ugine Precision)


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14


Convertisseurs rsonance

Structures asymtriquesForward ZCS et ZVS

Structures symtriquesRsonance srie

Rsonance srie- parallle


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15


Forward Quasi-RsonantCommutation en mode ZCS

Frquence variableDmagntisation rsonante

Ve

D

n 1 n 2

Co

Lo

ATA2

vco

DTRIs

v1

vT

i1 i2

iD

iDTR


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16


t

t

Ve

-Is -I2MA

vT

2mV e

Ve -V2 /mVe

i1

i2

ico

I2MA

-I2MA

vco

Is

tiDTR

t2 t3t1

Is

V2

tdm = L2Co t4

o

- o

(t)

I2MA

I2MACoL2

m

I2MACoL2

o

2o

LL

21

+11FF

oeS F

FmVV

ForwardQuasi-Rsonant


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17


Forward Quasi-RsonantCommutations en mode ZVSFrquence fixe

1V

V eCr

L3

E

L4

Cr

Co

D3

D4 C R

T1T2

Lf

L1

mis

Vs

eS V.m.V


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18


Rsonance srie

VsE filtrageC

eargch R

LRCR


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19


Rsonance srie-parallle

m

lo co

TD1

TD2

DS1

DS2

Ls1

Ls2

Vs

E/2

E/2

(Thse de Christophe ANDRIEU, LEG, Alcatel Converters)


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20


Convertisseurs sortie basse tension

Redressement synchroneConvertisseurs de faible puissance

Hacheurs commutations synchronesAlimentations capacits commutes


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21

Conversion DC-DCAlimentations dcoupage sortiebasse tension : redresseurs de sortie

m m

m m

Point milieu inductif Redressement 4 diodes

Redressement asymtrique Point milieu

deux enroulements


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22

Redressement synchrone

Vs

filtrage L

filtrageC eargch R

Secondaire de Forward

Vs

Secondaire point milieu inductif


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23

Redressement synchroneCaractristiques

Gain sur les pertes parconductionCommutationsdlicates,synchronisation

Pertes de commandeExemple :hacheur abaisseur

12 V 3,3 VMosfet STD40NF3LL30 V - 0,0095 40 A

Temps mort = 100ns

6 .105

8 .105

1 .106

1.2 .106

1.4 .106

1.6 .106

1.8 .106

2 .10675

80

85

90

95

100Comparatif rendements

Frequence (Hz)

R e n

d e m e n

t ( % )

Rendement redresseur synchrone

36W 100W 1W 36W 100W1W

Rendement hacheur srie


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24

Redressement synchrone

Exemple :

hacheur abaisseur12 V 3,3 VMosfet STD40NF

Influence du temps mort

0 20 40 60 80 1000

50

100

Puiss = 100WPuiss = 36WPuiss = 1W

temps mort (ns)

r e n

d e m e n

t ( % )

(Thse de Jean-Marc BOGGETTO,LEG, ST Microelectronics, Tours)


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25

Convertisseurs basse tension

Convertisseurs DC-DC non-isolsEntre basse tensionSortie trs basse tension

ProcesseursTlphonie mobile

Emploi de:Mosfet en commutation synchroneEntrelacementPossibilit dabaisser ou dlever selon la tensiondentre (batteries)


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26


Redressement synchroneHacheurs entrelacs

E

R C


27/57

27

Convertisseurs basse tensionRedressement synchrone: circuit de commande


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28


Structures accumulation

Association de deux structures directesVe

Tp D

C RL, R L

L1, R 1Ve

C

RCsDTpL2, R 2

es V1V

=

Vs

Vs

Buck-boost

Ck


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29


StructureSEPIC

TL1

L2VeC

RCs vsiL2

iL1

iT

vC D

L1

L2

VeC

RCs vs

iL1

vC

D

T iL2StructureZETA


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30


Structure prfre+ : une seule inductance : deux Mosfets et deux diodes (ou 4 Mosfets)

E VS

(Thse de Ccile HAMON, LEG, ST Microelectronics Grenoble)


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32/57

32


Rendement

0.01 0.1 14042444648505254

5658606264666870727476

7880828486889092949698

100

Is (A)

(%)

Convertisseur fonctionnant

toujours en mode continu

Gestion du modediscontinu

Vbat=2V

Vbat=3V

Vbat=5.5V


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33

Convertisseurs basse tensionAlimentations capacits commutes

Vs

f C 1

Vbat Cs

Req=

VsVbat

f

C CsVc

( )

( )f .C

1R

TVVC

tQi

VV

VV

e

batsiVV

eq

batse

sfinaleC

batinitialeC

==

==

=

=


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34

Alimentations capacits commutes

Principe

Cs

C

VbatIc

Vs

Is

12

Ic

Ic

t

Ich T T

Rendement thorique

Vbat Vs

IchVbat IchVs

Ibat Vbat IsVs

PePs =

=

==


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35

Structure doubleur de tension

Vbat

1 2C

Cs Vs

1

2 Vc

i = k.Ich

Vbat Vs

=21

Ibat

C3 R

23

4 9 IsC2

C1

C3 R

213

4

5

6

8 9

7

Vbat

Vs

i = k.Ich

i = k.Ich

Structure globale

0,5

1 1,5 2



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36

Rendement thoriqueVs = 2,2 V

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Vbat

0.5

1

1.52



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38/57

38

Convertisseur entre basse tensionExemple de la Pile Combustible

Conversion DC-DC

Caractristiques dune cellule :- Tension nominale : 0,6V- Tension vide : 1V- Densit de courant : 0,6A/cm 2

Constitution dun stack :- Association en srie des cellules ( 100) : monte en tension- Augmentation de la surface : amliorer la capacit en courant

Problmatique :- Fort courant : pertes dans les SC et les passifs- Ncessit dlever la tension : sorties 350 V ou 700 V- Introduction ventuelle dun transformateur

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Densit de courant, [A/cm]

T e n s

i o n ,

[ V ]

Caractristique statique d'une cellule


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39

Convertisseur Boost

Conversion DC-DC pour PaC

V PACC

V s

mbranches

T

DL

R

Avantages :-Entre inductive-Entrelacement possible-Montage lvateur(< 5 6)

Inconvnients :-Semi-conducteurs haute tension-Mise sous tension-Rendement dgrad lorsque Vs/Ve trop lev


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40

Variante : Double-BoostConversion DC-DC pour PaC

R

V PAC

L

Dk1

C

C

iPAC Tk1

Tk2

V Tk1

V Tk2

Dk2

iLk m

branches

2Vc

2Vc

Particularits :

- Dimensionnement en courant rduit des composants- Filtrage plus facile- Tension de dimensionnement 2 fois plus faible- Structure symtrique : point milieu disponible

Exemple :PPAC = 120 kW

6 stacks de 100 cellulesVPAC = 330V590V DCVS = 600V800V DC

4 branches

100 litres 60 kgProjet Europen FEBUSSSchneider-Electric


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41

Conversion DC-DC pour PaC

Structure isole

=

1V

mV PACC

R

V PAC

I PAC

L 1

L 2

L f

C

m

C E

L E

Ecrteur rcupratif permettant lefonctionnement pour < 0,5

5,0

(Thse de Guillaume LEFVRE, LEG, Axane Air Liquide Grenoble)


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42

Conversion DC-DC pour PaCForme dondes

T . T 2 / T

m / V S

m / V S m / V S

2LI

EI

t

1 MOS I

1 MOS V

Tr V

mosI


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43

Conversion DC-DC pour PaCVariante : structure commutation douce

VPAC

IPAC

L1

L2

Lf

CE

m

M1 M2

D1 D2

D3 D4

M4M3

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450

1

2

3

4

5

6

7

8

2

=

=

=

=

=

=

= = = =

Rsultats de simulation sous PSIM

Points obtenus analytiquement

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450

1

2

3

4

5

6

7

8

2

=

=

=

=

=

=

= = = =

Rsultats de simulation sous PSIM

Points obtenus analytiquement

Ecrteur rversible (M3-M4)Commutations en ZVS pour3 zones de fonctionnementsur 4


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44


Intgration en lectronique de Puissance

Mutualisation des noyaux magntiquesIntgration L- T

Intgration des composants passifsIntgration L- C- TIntgration complte

Intgration sur SiliciumIntgration de refroidisseurs


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45

Intgration en lectronique de PuMutualisation des noyaux magntiques

Hacheur de CUK : Annulation possible desondulations de courants dentre et de sortiesi m = k entre :

- L1 et le primaire- L2 et le secondaire

D

Ve

Tp

C R

L1 L2


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46


Exemple du Forward

Vs

E

filtrageC eargch R


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47


Flyback entrelacs

Tp1

Tp 2

D1

D2

C R

Vevs

iT1

iT2

iD1

iD2

i

n2n1

Bobinage Transf. 2

Bobinages Transf. 1

t

t

t

iT2

iD2

iT1

iD1

i

T T (1 + )T 2T

=2

mVV es


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48

Intgration en lectronique de PuIntgration des composants passifs

Principe du LCT :Primaire bifilaire formant un condensateurInductance de fuite entre primaires et secondaire

P 1

S 1

S 2

P 1

P 2

P 2

E LR

CR

P1

P2

P 2

S 2

S2

l d


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49

Intgration en lectronique de PuIntgration des composants passifs

LCT = Inductance Condensateur transformateur

Bobin Planar

I i l i d P


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50

Intgration en lectronique de Pu

LCT : prototype bobin

32mm

20.3mm

13mm

SecondairePrimaire

Entrefer

Ferrite usin

Ferrite normal

(Thse de Philippe GOUBIER, LEG)

I i l i d P


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51

Intgration en lectronique de PuLCT : prototype planar

V I A Se n t e r r s

P a s t i l l e s d ec o n n e x i o n

P a s t i l le s d ec o n n e x i o n

L e s c o u c h e sg r i s e s e tt u r q u o i s e sd o i v e n t t r ei s o l e s .

C o u c h e 1

C o u c h e 2

C o u c h e 3

C o u c h e 4

C o u c h e 5

C o u c h e 6

C o u c h e 7

C o u c h e 8

C o u c h e 9

C o u c h e 1 0

I i l i d P


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52


Intgration complte dune structure

48 V 5 V 12 A 500 kHz

Filtre CEM dentre TransformateurFiltre de sortie

(Thse de Franck Wilmot, SATIE, Cachan)


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Intgration dun inductance sur Silicium


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54

4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires

L = 1.25HBmax = 0.6T

4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires

L = 1.25HBmax = 0.6T

4 mm

3 mm

100m

100m15m

100m

15m

10 spires

L = 1.25HBmax = 0.6T

Intgration dun inductance sur Silicium

L

C RSW2

SW1

Vin Vout

Iout

Commande

ILIin

Ralisation au LAAS : paisseur des couches 10m

L = 1HImax = 1AF = 500kHz

FeNi

CuProjetINDUCSIL



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55

Intgration en lectronique de PuIntgration de refroidisseurs :

Micro-canaux

Cuivre Silicium

limination de linterface thermique

Refroidisseur double-face(Alstom)



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56

Intgration en lectronique de PuIntgration de refroidisseurs :

CaloducsSilicium rainures (CNES-LETI)

Silicium picots (LAAS-CIME)Rainures 80 m sur 300 m

Puissances de qq dizaines de W

(Thse dYvan AVENAS, LEG)

Conclusions


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57

Conclusions

Autres aspects importants de lEln de Pu :

Systmes de fortes puissances :Multiniveaux, mise en srie, systme Katium

CEM

Modlisation :Semi-conducteurs, cblages, composants magntiquesConception :

Outils doptimisation (volume, choix de la frquence,)

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