Soutenance mémoire
Cahier des charges
Le présent cahier des charges se concentre sur le chargeur DC/DC pour l’interfaçage d’une source d’énergie (batterie, panneaux photovoltaïques) avec le bus continu du système, soit la batterie de stockage intermédiaire.
Description
Dans le cadre d’une collaboration avec un partenaire industriel, le Laboratoire d’Electronique Industrielle (EoI) est en charge de réaliser un dispositif d’alimentation afin de connecter un système d’imagerie médicale (Radiographie) à un réseau électrique monophasé basse tension. Le but est de garantir la fonctionnalité et l’autonomie du système grâce à des éléments d’accumulation d’énergie et cela indépendamment de l’état du réseau (même en l’absence de tension réseau pour une durée déterminée).
Un bus batterie (DC) intermédiaire permet de découpler le réseau du système d’imagerie médicale. Afin de charger la batterie connectée au bus, deux chargeurs sont utilisés : le premier permet la recharge de la batterie grâce au réseau (AC/DC) et le second (DC/DC) doit être réalisé afin de l’utilisation d’une autre source d’énergie de type continue. Ce projet se concentre sur le deuxième type de convertisseur (DC/DC).
Les sources d’énergie sont principalement de trois types différents :
• Bus continu (DC) d’une installation photovoltaïque
• Installation photovoltaïque directe
• Batterie auxiliaire .
La commande ainsi que la régulation du chargeur sont réalisées grâce à un processeur de signal numérique (DSP – Digital Signal Processor) qui contrôle le système de manière globale. Le chargement de la batterie sur le bus continu peut être effectué par le chargeur AC/DC et/ou par le chargeur DC/DC. Un algorithme de contrôle du système complet (chargeur AC/DC et DC/DC) doit permettre de contrôler les deux convertisseurs mais ne fait pas l’objet de ce projet.
Spécifications et contraintes
Les spécifications concernant le chargeur DC/DC sont :
• Plage de tension de la source d’énergie : 12. .48[𝑉] (La plage pouvant être réduite à 24. .48[𝑉] si la première est trop ambitieuse).
• Sources de type différentes : Bus continu de panneaux PVs, panneaux PVs en liaison directe, batterie auxiliaire.
• Tension du bus continu : 48[𝑉].
• Capacité de la batterie sur le bus continu : 20[𝐴ℎ].
Tâches à réaliser
Voici les tâches principales devant être réalisées :
• Définition de la topologie du chargeur DC/DC :
o Définir une stratégie pour réduire le coût du convertisseur (topologie minimale nécessaire), obtenir un rendement maximal et charger la batterie de manière optimale (contrôle du courant de charge).
o Choix de la topologie selon les critères à respecter (cf. Spécifications et contraintes).
• Dimensionnement de la partie puissance :
o A l’aide d’un logiciel de simulation (« Simplorer ») :
• Mise en équations du sous-système.
• Calcul des valeurs d’inductances, condensateurs et du transformateur (contrôle à l’aide de simulations).
• Stratégie de commande et de régulation (tension et courant de sortie, contrôle de la puissance prélevée).
• Machine d’état pour les mises sous/hors tension ainsi que les modes de fonctionnement (via le DSP).
• Choix des fréquences de commutations.
• Calcul des valeurs de tension et courants sur les éléments (contrôle à l’aide de simulations).
o A l’aide d’un logiciel de simulation en temps réel (« Typhoon HIL ») :
• Contrôle du fonctionnement du code (DSP), formes d’ondes.
• Choix des composants et conception du/des PCBs :
o Recherche de composants répondants aux critères définis dans les tâches précédentes.
o Calcul des pertes pour identifier le rendement (et simulations pour le contrôle des calculs) : dans un premier temps avec les valeurs de composants usuels (approximation) puis avec les valeurs des composants commandés.
o Schémas électriques
o Conception du/des PBCs à l’aide d’un logiciel de routage (« Altium Designer »).
o Dimensionnement du dissipateur thermique et contrôle de sa température.
• Tests et mesures :
o Etablissement d’un protocole de test afin de vérifier le bon fonctionnement du dispositif.
o Mesures sur un banc d’essai si le temps le permet.
Première sélection
Le premier critère du cahier des charges qui permet de retirer une grande partie des convertisseurs est la séparation galvanique. Les topologies Buck, Boost, Buck-Boost, 2-Quadrants, SEPIC (sans séparation galvanique), résonant, CUK et 4-Quadrants Full- ou Half-Bridge sans séparation galvanique (2 variantes) peuvent être exclues. Ces structures ne sont soit pas prévues pour recevoir un transformateur (ou n’en n’ont pas), soit asymétriques en tension et donc à risque de saturation sur le transformateur. Les structures Buck et Boost ne répondent également pas au critère « élévateur et abaisseur de tension » du cahier des charges. Ensuite, une topologie monodirectionnelle suffit. Il serait inutile de considérer la bidirectionnalité car elle fonctionnerait mais élèverait le coût du dispositif. Les variantes 4-Quadrants réversibles en courant et/ou tension sont ainsi écartées du choix. Cette première sélection réduit donc le choix aux convertisseurs suivants : SEPIC, Forward, Push-Pull, Flyback, 4-Quadrants (6 variantes). Tous disposent d’une séparation galvanique.
Condensateur d’entrée
La valeur minimale du condensateur d’entrée est prévue à 800[𝜇𝐹]. Sur le PCB de puissance sont intégrés deux condensateurs chacun ayant une capacité de 100[𝜇𝐹]. Il reste donc théoriquement à placer (en externe au PCB) une capacité minimale de 600[𝜇𝐹]. Les premiers tests seront réalisés à l’aide d’une alimentation DC sans condensateur d’entrée. La mesure des courants prélevés à la source permettra de définir plus précisément quelles ondulations de courant le condensateur externe au dispositif doit pouvoir supporter et fournir.
Capteur de courant
Les capteurs de courant utilisent des capteurs à effet Hall afin de déterminer le courant du système. Ceux-ci offrent une séparation galvanique et peuvent mesurer des courants positifs et négatifs. Pour le courant primaire, un LEM LTSR25-NP (𝐼𝑛𝑜𝑚,𝑐𝑎𝑝𝑡𝑒𝑢𝑟 = 25[𝐴]) est choisi. Les contraintes maximales en courant se trouvent dans la plage +/−50[𝐴] et le capteur peut mesurer jusqu’à +/−80[𝐴]. Lorsque le système régule le courant de sortie entre 2[𝐴] et 8[𝐴] le courant primaire se situe entre +/−8[𝐴] et +/−32[𝐴]. Le choix d’un capteur ayant comme valeur nominale une valeur entre 8[𝐴] et 32[𝐴] fait sens.
Pour le courant de sortie du système, un LEM LTSR15NP câblé pour obtenir une valeur nominale du capteur à 5[𝐴] fait également sens. Le courant maximal en sortie peut atteindre les 28[𝐴] en boucle ouverte et le capteur peut mesurer jusqu’à 45[𝐴].
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Table des matières
1 Introduction
2 Cahier des charges
2.1 Introduction
2.2 Description
2.3 Objectifs
2.4 Schéma fonctionnel
2.5 Spécifications et contraintes
2.6 Tâches à réaliser
2.7 Planning prévisionnel
2.8 Remarques
3 Phase 1 : Spécification
3.1 Choix de la topologie
3.2 Première sélection
3.3 Deuxième sélection
3.4 Synthèse et décision sur la topologie
4 Phase 2 : Conception
4.1 Système en boucle ouverte
4.1.1 Equations liés à la topologie
4.1.2 Formes d’ondes
4.1.3 Dimensionnement des éléments principaux
4.1.4 Contrôle par simulation
4.1.5 Valeurs numériques
4.1.6 Modèles pour le calcul des pertes
4.2 Régulation du dispositif
4.2.1 Schéma de principe
4.2.2 Régulation du courant de sortie
4.2.3 Régulation du courant magnétisant
4.2.4 Codage de la régulation
4.3 Synthèse de la phase de conception
5 Phase 3 : Simulation
5.1 Boucle fermée
5.1.1 Régulation du courant de sortie
5.1.2 Régulation du courant magnétisant
5.1.3 Saut de tension en entrée du dispositif
6 Phase 4 : Intégration
6.1 Contraintes sur les composants
6.1.1 Diodes du redresseur
6.1.2 Interrupteurs
6.1.3 Inductance de sortie
6.1.4 Transformateur
6.1.5 Condensateur d’entrée
6.1.6 Capteur de courant
6.1.7 CPLD et autres composants actifs
6.2 Calcul des pertes
6.2.1 Diodes
6.2.2 Interrupteurs
6.2.3 Inductance
6.2.4 Transformateur
6.2.5 Rendement estimé
6.2.6 Dissipateur thermique
6.3 Schémas électriques
6.3.2 Routage
6.4 Codage et régulation
6.4.1 Codage du CPLD
6.4.2 Codage du DSP
6.5 Synthèse de la phase d’intégration
7 Conclusion
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