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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
Journe technique sur les Alimentations de Puissance
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
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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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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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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PFC : structure mono-tage
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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PFC : structure mono-tage
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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Journe technique sur les Alimentations de Puissance
Convertisseurs rsonance
Structures asymtriquesForward ZCS et ZVS
Structures symtriquesRsonance srie
Rsonance srie- parallle
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15
Convertisseurs rsonance
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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Convertisseurs rsonance
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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Convertisseurs rsonance
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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Convertisseurs rsonance
Rsonance srie
VsE filtrageC
eargch R
LRCR
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Convertisseurs rsonance
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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Journe technique sur les Alimentations de Puissance
Convertisseurs sortie basse tension
Redressement synchroneConvertisseurs de faible puissance
Hacheurs commutations synchronesAlimentations capacits commutes
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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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Redressement synchrone
Vs
filtrage L
filtrageC eargch R
Secondaire de Forward
Vs
Secondaire point milieu inductif
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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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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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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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Convertisseurs basse tension
Redressement synchroneHacheurs entrelacs
E
R C
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Convertisseurs basse tensionRedressement synchrone: circuit de commande
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Convertisseurs basse tension
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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Convertisseurs basse tension
StructureSEPIC
TL1
L2VeC
RCs vsiL2
iL1
iT
vC D
L1
L2
VeC
RCs vs
iL1
vC
D
T iL2StructureZETA
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Convertisseurs basse tension
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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Convertisseurs basse tension
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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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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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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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
Alimentations capacits commutes
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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
Alimentations capacits commutes
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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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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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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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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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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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Journe technique sur les Alimentations de Puissance
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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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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Intgration en lectronique de PuMutualisation des noyaux magntiques
Exemple du Forward
Vs
E
filtrageC eargch R
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Intgration en lectronique de PuMutualisation des noyaux magntiques
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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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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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 en lectronique de Pu
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
Intgration en lectronique de Pu
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55
Intgration en lectronique de PuIntgration de refroidisseurs :
Micro-canaux
Cuivre Silicium
limination de linterface thermique
Refroidisseur double-face(Alstom)
Intgration en lectronique de Pu
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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,)