Note d`application

Note d’application
Conception d’un convertisseur DC/DC de type boost
Critères de choix et dimensionnement des composants
Benoît Issartel - Projet P10AB04
Gestion intelligente des transferts d’énergie d’un pylône d’éclairage public éolien
Client : entreprise WINDELA représentée par M. AUDUBERT
Tuteur Industriel : M. JOUANNET
Tuteur Technique : M. PASQUIER
Responsable projet : M. LAFFONT

Conception d’un convertisseur DC/DC de type boost
Sommaire
1 Introduction 4
2 Étude du fonctionnement 4
2.1 Présentation du circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Conduction continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Conduction discontinue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Conduction critique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Caractéritiques de sortie statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6 Limitation du gain en tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Étude de la commande 13
3.1 Signal de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Élaboration du signal de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Dispositifs de sécurité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4 Dimensionnement des composants 15
4.1 Cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2 Cellule de commutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3 Interface de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.4 Éléments réactifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.5 Dissipateur thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5 Bibliographie 21
Liste des figures
1 Schéma de principe d’un hacheur boost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Signal de commande de l’interrupteur T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Schémas équivalents lors des séquences 1 (à gauche) et 2 (à droite) . . . . . . 6
4 Formes d’ondes obtenues en conduction continue . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5 Allure du courant traversant l’inductance en conduction discontinue (T=Td) 11
6 Caractéristiques de sortie paramétrées par α. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
7 Caractéristiques de transfert paramétrées par RL. . . . . . . . . . . . . . . . . 13
8 Diagramme puissance-fréquence des composants . . . . . . . . . . . . . . . . 16
9 Pot RM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
10 Modèle thermique statique de la cellule de commutation . . . . . . . . . . . . 20
Note d’application - Projet P10AB04 2 Benoît ISSARTEL

Conception d’un convertisseur DC/DC de type boost
Notations utilisées
Symbole Unité Définition
<s>valeur moyenne du signal s(t)
SMAX valeur maximale du signal s(t)
SMIN valeur minimale du signal s(t)
Srms valeur efficace du signal s(t)
iBA intensité du courant traversant l’élément B
vBV tension aux bornes de l’élément B
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Conception d’un convertisseur DC/DC de type boost
1 Introduction
Cette note d’application traite de la conception d’un convertisseur DC/DC de type boost
(appelé également hacheur survolteur ou parallèle). Ce type de convertisseur statique per-
met de convertir une tension continue en une autre tension continue de plus forte valeur.
Dans un premier temps, nous étudierons le fonctionnement de cette structure afin de
déterminer les relations entre les différents signaux électriques. Puis, nous expliquerons
comment dimensionner les différents éléments qui la composent à partir des spécifications
d’un cahier des charges.
2 Étude du fonctionnement
2.1 Présentation du circuit
Le schéma de principe d’un hacheur boost est donné par la figure 1. Cette structure est
composée principalement d’une inductance Let de deux interrupteurs Tet D. selon l’état
de ces deux interrupteurs, on peut distinguer deux phases de fonctionnement :
- la phase active lorsque l’interrupteur Test fermé et l’interrupteur Dest ouvert. Durant
cette séquence, le courant traversant l’inductance Lva augmenter linéairement et une
énergie WLest stockée dans L. Le condensateur Cfournit de l’énergie à la charge R.
- la phase de roue libre lorsque l’interrupteur Test ouvert et l’interrupteur Dest fermé.
Durant cette séquence, l’énergie emmagasinnée dans l’inductance Lest restituée au
condensateur et à la charge R. Lors de cette phase, le fait que l’inductance Lsoit en
série avec la source de tension d’entrée permet d’obtenir un montage survolteur.
VE
iELiD
D
vT
iT
TC
iC
R
iS
vS
vLvD
Figure 1: Schéma de principe d’un hacheur boost
La figure 2 présente l’allure du signal de commande appliqué à l’interrupteur T. C’est
un signal rectangulaire de fréquence fdont la largeur de la durée à l’état haut (durée de
conduction de l’interrupteur T, notée TON ) est ajustée par le paramètre α. Ce paramètre,
appelé rapport cyclique, est défini comme étant le rapport entre la durée de conduction de
l’interrupteur Tet la période de découpage Tdde celui-ci :
α=TON
Td
(1)
On a : Td=TON +TOFF , où TOFF correspond à la durée de blocage de l’interrupteur T.
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Conception d’un convertisseur DC/DC de type boost
La durée de conduction TON est compris entre 0 et Tddonc, le rapport cyclique est compris
entre 0 et 1. On peut exprimer la durée de conduction et de blocage de l’interrupteur Ten
fonction de αet Td:
- Durée de conduction : TON =αTd
- Durée de blocage : TOFF = (1−α)Td
Figure 2: Signal de commande de l’interrupteur T
Dans l’étude qui suit, nous ferons les hypothèses suivantes :
- la tension d’alimentation VEest parfaitement continue et constante
- la valeur du condensateur Cest suffisamment grande afin de pouvoir considérer la
tension de sortie VScomme continue
- les composants sont idéaux
L’étude de la structure se fera en régime permanent. Néanmoins, nous aborderons en
partie 3.3 quelques aspects du régime dynamique.
On peut distinguer trois régimes de conduction :
- la conduction continue qui correspond au cas où le courant iLtraversant l’inductance
ne s’annule jamais
- la conduction discontinue qui correspond au cas où le courant iLtraversant l’inductance
s’annule avant la prochaine phase active
- la conduction critique qui définit la limite entre les deux modes de fonctionnement
précédents
La suite de ce document explique le comportement de la structure en fonction de ces
trois régimes de conduction. L’objectif principal est de déterminer les relations reliant les
grandeurs électriques d’entrée et de sortie du convertisseur ainsi que les formules permet-
tant de dimensionner les différents composants.
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