etude et réalisation d’un convertisseur buck régulé en tension

Etude et Réalisation d’un convertisseur Buck régulé en tensionSYSTÈMES & ENERGIES - ESME SUDRIA

Clara Degorce-Dumas Elodie Legeais Laetitia Marcone

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SOMMAIREI. Présentation et objectifs du projetII. Partie puissanceIII. Partie régulationIV. Résultats pratiquesV. Conclusion

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• 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

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I. Présentation et objectifs du projet

Cahier des charges :

Alimentation à découpage

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• Apparue dans les années 70• Fréquences comprises

entre 20 et 200kHz• Isolée / non isolée

1. Généralités

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

I. Présentation et objectifs du projet

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Choix de l’alimentation à découpage :

• Sans isolation galvanique • Abaisseur de tension

I. Présentation et objectifs du projet

1. Généralités

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2. Convertisseur BuckMosfet

Fréquence de découpage:

80kHz

Diode de roue libre

I. Présentation et objectifs du projet

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Interrupteur MOSfet à l’état passant

MOSfet bloqué

I. Présentation et objectifs du projet

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Dimensionnement générale Rendement > ou égale à 85 %.𝞰

𝞰 *Ve*Ie = Vs*Israpport cyclique : α = Vs/ Ve = 0,59𝞰

Pour 30V Ie=Pe/30 = 2,74 APour 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

I. Présentation et objectifs du projet

2. Convertisseur Buck

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Conduction continue et discontinue

I. Présentation et objectifs du projet

2. Convertisseur Buck

Dimensionnement Partie puissance

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

1 Dimensionnement de l’inductance

Expression ondulation de courant dans la bobine

Expression de l’inductance

L= 285 µH

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

Dimensionnement du tore. Principales grandeurs utiles:

• L’induction magnétique B• L’intensité du champ magnétique H• Le flux magnétique ɸ • La perméabilité magnétique µ

1 Dimensionnement de l’inductance

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

Dimensionnement du tore.

B

H

Matériau doux cycle d’hystérésis étroit

Produit des aires (théorique):

Produit des aires du tore ferrite:

1 Dimensionnement de l’inductance

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

Nombres de spires:

1 Dimensionnement de l’inductance

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

2. Dimensionnement du condensateur

Cth= 2,8 µF

On prendra C = 15O µF avec ESR = 0,05Ω

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

3. Dimensionnement des interrupteurs MOSFET

Transistor a effet de champ3 broches : grille, drain, sourceCommande du transistor réalisé par la tension

VgsTransistor bloqué si |VGS| < |VTH| Transistor passant plus |VGS| > |VTH| Etat passant Rdson

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

MOSFETCanal P

3. Dimensionnement des interrupteurs

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

MOSFET

Puissance absorbée en commutation

3. Dimensionnement des interrupteurs

Puissance absorbée en conduction

Puissance dissipée Pd = Pon + Pc

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

Pertes joules Chaleur

Rthra + Rthjb + Rthbr= (Tj - Ti)/P

3. Dimensionnement des interrupteurs

Rthra = (Tj - Ti)/P - Rthjb - Rthbr

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

Diode : continuité du courant

3 caractéristiques fondamentales pour dimensionner une diode :

• sa tenue en tension • le courant• et le seuil de tension.

Diode Schottky

3. Dimensionnement des interrupteurs

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II. Partie puissance – Dimensionnements des composants

Snubbers

Réduire oscillations parasites

Minimiser les pertes

3. Dimensionnement des interrupteurs

Partie régulation

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III. Partie régulation

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

1. Objectifs

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III. Partie régulation

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.

2. PWM ( Pulse Width Modulation )

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III. 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

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III. Partie régulation

4. Utilisation d’un contrôleur

Difficultés : • Limités en rapport cyclique • Limités en fréquences• Pas d’étage de commande du MOS

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LTC3824

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III. Partie régulation

5. Simulation LTspice

Tension d’entrée à 30V

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III. Partie régulation

Tension de sortie du Buck

5. Simulation LTspice

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III. Partie régulation

Courant de sortie du Buck

5. Simulation LTspice

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III. Partie régulation

Tension dans la Gate du MOSFET

5. Simulation LTspice

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III. Partie régulation

Courant dans la bobine

Ondulation de courantDe 250 mA

5. Simulation LTspice

Résultats pratiques

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IV. Résultats pratiques

tension de sortie

1. Simulation BUCK régulé

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IV. Résultats pratiques

tension Vgs

1. Simulation BUCK régulé

Conclusion

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• Partie puissance

• Partie régulation

Théorie

• LT Spice

Simulations• Conception

du circuit• Tests

Réalisation pratique

Conclusion

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MOSFET 3,66€

DIODE 4 ,92€INDUCTANCE 4 ,63€

CONDENSATEUR 0,30€

CONDENSATEUR DE FILTRAGE 4€

RADIATEUR 0 ,76€

SHUNT 1,37€

CONTROLLEUR 5,61€

TOTAL 28 ,26€

TOTAL COMPROMIS 17,20€

Bilan financier