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LES DIFFICULTÉS LIÉES AUX MESURES DANS LES CONVERTISSEURS DE PUISSANCE
REVUE DE LA LITTÉRATURE
La construction et la modélisation des convertisseurs de pmssance impliquent des connaissances dans plusieurs domaines de l’ingénierie. Dans son ensemble, il s’agit d’un très vaste domaine d’expertise qui englobe l’analyse électromagnétique, thermique, mécanique, l’analyse des semi-conducteurs et finalement la modélisation et l’analyse des circuits électriques. La majorité des publications que l’on retrouve se concentrent sur l’une de ces analyses, mais rarement sur la totalité. En d’autres termes, une revue de la littérature sur « comment construire un bon convertisseur» n’est tout simplement pas possible.
Ce qui ajoute également un niveau de difficulté important à la modélisation et la fabrication des convertisseurs de puissance c’est la dimension publication. En effet, si l’on désire publier dans des journaux consacrés à l’électronique de puissance tel que Power Electronics ou Industrial Electronics, il faut démontrer les concepts proposés de la manière la plus simple qui soit, en utilisant des applications qui intéressent les éditeurs. En réalité, il est très difficile ces années-ci de faire accepter une publication qui ne parle que de la modélisation d’un convertisseur, car aux yeux de beaucoup de gens, la conception et la construction d’un convertisseur de puissance sont des tâches triviales.
Un problème typique de circuit imprimé
Cette seconde mise en situation présente un problème de conception de circuit imprimé qui expose bien les difficultés rencontrées lors de la mise au point d’un convertisseur de puissance. À la base, il s’agit d’un problème d’électromagnétisme couplé avec un problème de nature électrique. Ce type de problème est très complexe à régler, car il présente plusieurs facettes qui sont difficilement quantifiables, particulièrement lorsque l’on se retrouve devant le montage expérimental et qu’il faille prendre des décisions rapidement. Généralement, il faut faire appel à l’intuition pour déterminer la cause de dysfonctionnement d’un circuit électrique accablé par des problèmes de circuit imprimé. Cette intuition se développe avec les années d’expérience, mais elle ne devient jamais infaillible.
Il est donc d’un grand intérêt d’éviter les problèmes de circuit imprimé à la base en utilisant des méthodes appropriées telles que celles qui sont présentées dans ce document. Débutons par une brève description du contexte dans lequel ce problème est apparu. Le problème de circuit imprimé présenté dans cette section a été observé sur un hacheur élévateur utilisé en charge active. Il s’agit d’un véritable circuit destiné à l’industrie, assemblé sur une plaquette de circuit imprimé possédant quatre couches. En variant le rapport cyclique du convertisseur, il est possible de contrôler le courant moyen tiré des batteries .
Calcul des pertes de conduction de la diode
L’objectif du calcul vise à déterminer la résistance de la diode pour différents points d’opération en courant. À tort, la résistance est souvent calculée par le rapport direct de la tension sur le courant. Cette méthode de calcul est valide seulement pour les résistances linéaires. En fait, la résistance est définie par la relation R= dv/di Si la relation est constante, tout comme dans le cas d’une résistance, le rapport tension sur courant est approprié. Par contre, la diode étant un dispositif non linéaire, il est impératif d’utiliser la relation précédente. Puisque la résistance est calculée à partir d’une dérivée et que la courbe utilisée est tabulée à partir de données extraites visuellement de la fiche technique du fabricant, il faut effectuer l’approximation de la relation par une fonction plus lisse qui est dérivable facilement. Les fonctions présentant des plateaux se prêtant mal à 1 ‘utilisation des polynômes (Gerald et Wheatley, 2004), des spline cubiques ont été utilisées pour interpoler la courbe du fabricant.
Il est possible d’observer sur cette figure que la conductivité de la diode augmente radicalement lorsque le courant augmente dans le dispositif, ce qui confirme la présence de la modulation de la conductivité. Également, puisque la résistance de la zone centrale de diode est inversement proportionnelle au nombre de charges emmagasinées, on observe que le nombre de charges augmente en fonction du courant. Au blocage de la diode, il est donc normal que le temps de recouvrement inverse dépende du courant qui circule en direct dans la diode.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 MISE EN SITUATION
1.1 Mise en situation 1 : un petit détail, une grosse différence
1.2 Mise en situation 2 : un problème typique de circuit imprimé
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1 Publications dédiées à l’analyse des problèmes de bruit dans les convertisseurs
2.2 Les convertisseurs matriciels
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 LES DIFFICULTÉS LIÉES AUX MESURES DANS LES CONVERTISSEURS DE PUISSANCE
3.1 Introduction
3.2 Problèmes liés au couplage magnétique .
3.3 Problèmes liés aux retards des capteurs
3.4 Compromis sur la résolution de l’oscilloscope
3.5 Problèmes mécaniques
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 RÉDUCTION DES INTERFÉRENCES ÉLECTROMAGNÉTIQUES PAR ORIENTATION DU CHAMP MAGNÉTIQUE
4.1 Avant propos
4.2 Introduction
4.3 Concept de réduction du bruit électromagnétique
4.4 Expérimentation de la cellule
4.5 Résultats expérimentaux
4.6 Calcul du champ magnétique d’un conducteur rectangulaire
4. 7 Conclusion
CHAPITRE 5 ÉTUDE DU COMPROMIS ENTRE L’ÉCHAUFFEMENT THERMIQUE ET LE BRUIT ÉLECTROMAGNÉTIQUE DES CONVERTISSEURS DE PUISSANCE
5.1 Avant propos
5.2 Introduction
5.3 Méthodologie utilisée
5.4 Requis du modèle du MOSFET
5.5 Considérations électromagnétiques
5.6 Le modèle thermique
5.7 Calcul des pertes de commutation de la diode
5.8 Calcul des pertes de conduction de la diode
5.9 Résultats de l’analyse
5.10 Conclusion
CHAPITRE 6 FORMULATION DES ÉQUATIONS D’ÉTAT ADAPTÉE AUX CONVERTISSEURS DE PUISSANCE
6.1 Historique des travaux
6.2 Fondements théoriques de la méthode
6.3 Processus de modélisation des convertisseurs de puissance sous forme de variables d’état.
6.3.1 Règles d’application de la méthode
6.4 Considération supplémentaire
6.5 Écriture des équations d’état du hacheur abaisseur
6.6 Application de la méthode: instabilité de commutation
6. 7 Simulation du hacheur abaisseur et résultats expérimentaux
6.8 Conclusion
CHAPITRE 7 IDENTIFICATION DE L’INDUCTANCE DE FUITE
7.1 Avant propos
7.2 Introduction
7.3 Influence de l’inductance de fuite sur le fonctionnement du convertisseur
7.4 Méthode intuitive d’identification de l’inductance de fuite
7.5 Approche d’identification formelle
7.5.1 Résultats expérimentaux
7.6 Cas particuliers des inductances de fuite
7.6.1 Impact du courant inverse sur l’inductance de fuite
7.7 Impact de l’inductance mutuelle
7.8 La modélisation d’un convertisseur de puissance: un problème complexe
7.9 Conclusion
CHAPITRE 8 MODÈLES ÉLECTROMAGNÉTIQUES PRÉCALCULÉS
8.1 Avant propos
8.2 Introduction
8.3 Mode d’opération du EMI radié
8.3.1 Bases théoriques des modèles EM précalculés
8.4 Conception des modèles électromagnétiques précalculés
8.4.1 Définition de la structure métallique
8.4.2 Application des conditions aux frontières
8.4.3 Calcul des densités de courant dans le conducteur
8.4.4 Calcul du champ magnétique
8.4.5 Emmagasinage des modèles
8.4.6 Orientation de la structure dans l’espace
8.5 Application 1 :Validation de la zone de champ orienté
8.6 Application 2 : Calcul des pertes de commutation par inductance mutuelle
8. 7 Conclusion
CONCLUSION
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