Note d`application

Note d’application
Carte puissance pour le moteur brushless de la voiture solaire
Par: EL RHAZZALI Badreddine
GE3/ 2007-2008
Note d’application
Convertisseur de puissance pour moteur Brushless
Cette note traite les points suivants :
•
INTRODUCTION
•
DESCRIPTION DU PRODUIT
•
PRISE EN MAIN DE DIFFERENTES PARTIES DANS LA CARTE
•
L6386 : CHOIX DE LA CAPACITE DE BOOTSTRAP.
•
L6386 : COMMENT GERER LES PICS NEGATIFS AU NIVEAU DE LA PIN « OUT »
(PIN N°12).
•
L6386 : ASTUCES ET SUGGESTIONS POUR LA CAO.
•
L6386 : GESTION DU « SIGNAL GROUND(PIN 7) » ET « POWER GROUND(PIN 8)».
•
CAPTEUR DE COURANT : CHOIX DU FILTRE PASSE BAS
INTRODUCTION
Les machines brushless regroupent l’ensemble des machines synchrones autopilotées associées à
leur commande. Le convertisseur de puissance utilisé dans cette famille de machine joue le rôle du
collecteur utilisé dans les machines à courant continu.
Dans ce cas, on dit que la continuité de courant se fait électroniquement.
Les différents composants utilisés pour développer cette carte sont les suivants :
Tableau 1 : Listes des composants du convertisseur de puissance
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DESCRIPTION DU PRODUIT
Il s’agit d’un convertisseur de puissance pour les moteurs triphasés. A partir d’une alimentation
continue, ce convertisseur permet de générer une tension alternative exploitable pour alimenter les
trois phases du moteur. Afin d’assurer cette fonction, des transistors IGBT, formant un onduleur
triphasé, sont utilisés et ils sont commandés via des drivers de haute tension. L’utilisateur n’aura
qu’à fournir une tension continue à l’entrée ainsi les signaux logiques pour commander les
transistors.
En outre, ce montage peut être utilisé pour les différentes applications se basant sur le contrôle des
moteurs triphasés quel que soit le type de ce dernier.
Il présentera les caractéristiques suivantes :
•
Pilotage des moteurs de puissance élevée (600V et un courant allant jusqu’à 75A).
•
Adaptable avec les différentes stratégies de commande des moteurs à courant alternatif.
•
Limitation du courant de surcharge.
•
Protection contre les surintensités.
•
Linéarité du courant de retour.
INFORMATIONS GENERALES
PARAMETRES
VALEUR
COMMENTAIRE
Courant
PUISSANCE D'ENTREE
Tension continue pour alimenter le pont onduleur
Le courant dépendra de la tension d'entrée ainsi que
Jusqu'à 75A
de la charge
Vdd_c
Vdd_p
ALIMENTATION AUXILIARE
0-5V
Tension de commande pour alimenter les isolateurs
0-15V
Tension puissance pour alimenter les drivers
Bus d'alimentation
0-600V
LES ENTREES DE CONTRÔLE
0- Vdd_c
Niveau CMOS
0- Vdd_p
Niveau CMOS
CONDITION DE FONCTIONNEMENT
Température ambiante maximale 40°C
CIRCUITS INTEGRES DANS LA CARTE
Drivers de haute tension
L6386
IGBTs
2MBI75N-120
Isolateurs
ADUM2400
CHAINE DE RETOUR
Capteur de courant à effet hall
ACS750XCA-75A Capteur à effet hall [-75A +75A] et alimenté par Vdd_c
Hin1/Lin1/Hin2/Lin2/Hin3/Lin3
Entrée Shut Down (SD)
Tableau 2 : Les différentes caractéristiques de la carte puissance
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PRECAUTIONS
Cette carte pourra être utilisée pour tout type basé sur le contrôle des moteurs triphasés et quelle que
soit la stratégie de commande adoptée. Il suffit donc de prévoir un temps mort entre la commande
des interrupteurs du même bras dans certaines stratégies afin de ne pas court-circuiter la tension
d’alimentation.
Des précautions doivent être prises pendant que l’utilisateur manipule cette carte en raison de la
haute tension et du fort courant qui peuvent être présentés dans ses différentes parties non isolées.
Eviter le contact humain immédiat avec la carte (même après avoir la déconnecter de son
alimentation, il faut attendre un certain temps).
PRISE EN MAIN DE DIFFERENTES PARTIES DANS LA CARTE
L6386 : CHOIX DE LA DIODE ET DE LA CAPACITE DE BOOTSRAP
Le composant L6386 peut être alimenté par une tension comprise entre 12.5V et 17V. Il utilise la
capacité de bootstrap qui permet de produire une tension flottante susceptible d’alimenter l’étage du
haut de chaque demi-pont utilisé (figure 1) ainsi il intègre une structure de diode de bootstrap.
Figure 1: Utilisation de la capacité de bootstrap et la diode externe ou interne
Si la diode de bootstrap interne du driver est utilisée, la capacité de bootstrap se charge pendant que
l’entrée du bas (Lin) du driver est à l’état haut et le potentiel de la sortie OUT est inférieur à la
tension d’alimentation du circuit. (Figure 1b).
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Cette capacité ne peut se décharger que si l’étage du haut est passant (la capacité représente
l’alimentation de la section haute du driver).
Suite aux résultats des expériences réalisées au laboratoire GE, l’utilisation d’une diode externe
s’avère nécessaire afin que l’étage du haut fonctionne (Figure 1a).
Ceci est expliqué par le point suivant :
•
Selon la stratégie de commande adoptée, le temps de chargement de la capacité se révèle
insuffisant. C'est-à-dire que l’entrée Lin ne prend pas le niveau haut, qui permet à la capacité
de se charger via la diode interne, pour une durée suffisante.
Passons maintenant au choix de la valeur de cette capacité: ce raisonnement est valable pour des
montages sans ou avec diode externe.
Le premier paramètre à prendre en compte est la chute de tension maximale à garantir quand le
transistor du haut est passant.
Ce paramètre (dVBoot) dépond de la tension minimale d’entrée (pour le transistor du haut) qu’on
veut maintenir. Si Vgs-min est la valeur minimale, la chute de tension au niveau de la capacité est
donnée par :
∆Vboot = Vcc – VF – Vgs_min
Vcc : Alimentation du driver
VF : tension de la diode Bootstrap à l’état passant
La taille de la capacité est donnée par la formule suivante :
Qtot : Charge totale fournie par la capacité. Elle est évaluée en prenant en compte les facteurs
suivants :
I. Qgate
: High side switch total gate charge
II. Ilk_gs
: High side switch gate-source leakage current
III. Ilk_cap : Bootstrap capacitor leakage current
IV. Iqbs
: Bootstrapped section quiescent current
V. Ilk
: Bootstrapped section leakage current
VI. Qls
drivers)
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:Charge required by the internal level shifter (3nC for all L638x
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VII. Ton
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: High side switch on time
VIII. Ilk_diode: External diode leakage current (si utilisée).
La charge totale fournie pa la capacité de bootstrap sera:
Qtot = Qgate + (Ilk_cap + Ilk_gs + Iqbs + Ilk + Ilk_diode) · Ton + Qls
N.B: Le courant de fuite dans la capacité peut être négligé si on utilise une capacité en céramique.
Si la diode interne est utilisée, Le Dmos Rdson introduit une chute de tension supplémentaire qui
sera moins importante si la fréquence de commutation est moins élevée. En augmentant cette
fréquence, la valeur de cette chute pourra être évaluée comme suit:
Icharge : capacitor charging current.
Rdson : Dmos drain-source typical on resistance.
Tcharge : capacitor charging time (It is the low side turn on time).
Cette chute de tension doit être prise en compte si la valeur maximale de dVboot est calculée.
L’utilisation d’une diode extérieure est envisageable si cette valeur est très élevée ou la topologie du
circuit ne permet pas d’avoir un temps suffisant pour la charger.
L6386 : COMMENT GERER LES PICS NEGATIFS AU NIVEAU DE LA
SORTIE « OUT » DU DRIVER (pin n°12):
A- Test du driver L6386 avant amélioration du circuit de puissance :
Le premier test effectué sur les composants L6386 ont conduit à relever les résultats suivants :
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1er test sur le driver L6386 avant amélioration
L’allure en bas représente l’entrée du composant, sa valeur est entre 0V et 5V. Pour la deuxième, il
s’agit de la sortie récupérée et qui varie entre 0V et 15V.
On remarque que cette sortie présente des pics importants lorsque l’entrée change d’état.
Après une étude approfondie, j’ai pu constater que ces pics sont dus à la variation rapide de la
tension (dV/dt). Cette variation se présente au niveau de la boucle formée par le transistor et la
charge résistive sur laquelle sont effectués les tests.
Un remède pour limiter ces pics, selon les documents du constructeur, est d’introduire une résistance
au niveau de la sortie OUT du driver et dont la valeur est comprise entre 10 et 220 Ohms.
B- Test du driver L6386 après amélioration du circuit de puissance
Après avoir placé une résistance de 100 Ohms au niveau de la sortie OUT de driver (Pin n°12), j’ai
réussi à éliminer les pics au niveau de la sortie OUT.
2ème test sur le driver L6386 après amélioration
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Il est primordial de contrôler le potentiel de la sortie OUT du driver L6386 quand l’étage du haut du
demi-pont devient passant.
La différence de potentiel entre la sortie OUT et la masse signal (signal ground) est l’une des
premières tensions à analyser avec un oscilloscope quand les sorties ne suivent pas les signaux
logiques d’entrées ou lors de l’apparition d’un disfonctionnement au niveau de la sortie OUT.
Il est important de placer la masse de la sonde de l’oscilloscope au point le plus prêt possible de la
masse signal (signal ground) et non à la masse générale.
Si la masse de la sonde n’est pas bien connectée, des parasites et de forts pics auraient lieu.
Afin de pouvoir mesurer la valeur de ces pics (undershoot spike), la figure suivante illustre la
procédure :
Figure 2: Emplacement de la sonde pour mesurer les pics négatifs (undershoot spikes)
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L6386 : GESTION DE « SIGNAL GROUND » ET « POWER GROUND »
Les drivers L6386 dispose de deux connexions masses :
•
Power ground: référence pour la partie interne de l’étage du bas du driver. Dans cette masse
circule le courant issu de la boucle de cet étage.
•
Signal ground: référence pour tous les signaux logiques du circuit.
Le schéma suivant représente une présentation simplifiée du circuit :
Figure 2: Schéma simplifié : masse du signal et masse de puissance
Le fait d’avoir ces deux masses évite que le courant de puissance circule dans la masse dédiée aux
signaux de commande ainsi il représente une immunition aux bruits entre la partie logique du circuit
et sa partie puissance. (Chaque partie gardera le bruit qu’elle génère de son côté).
Deux solutions sont envisageables :
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•
Connexion des masses.
•
Séparation des masses.
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Connexion des masses : Signal ground et Power ground
Figure 3: Schéma pour la connexion des deux masses
Avantage :
•
Limitation du bruit au niveau de la masse du signal à cause du courant généré dans l’étage du
bas du circuit pendant la phase de l’extinction.
•
Le différentiel de potentiel entre les deux masses peut être minimisé. Il n’y a pas de tension
continue entre les deux masses mais une tension transitoire que se produit pendant que
l’étage du bas s’ouvre. Et il est important de contrôler ce phénomène pour ne pas
endommager le circuit de puissance.
Inconvénient :
La taille des boucles peut causer des problèmes si le choix n’est pas bien fait. Dans ce cas, il faut
prendre en considération l’influence de la résistance et l’inductance des lignes de masse.
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Séparation des masses : Signal ground et Power ground
Figure 4: Schéma de séparation des deux masses
Avantages :
•
Limitation du bruit au niveau de la masse du signal à cause du courant généré dans l’étage du
bas du circuit pendant la phase de l’extinction.(pareil que précédemment)
•
La boucle de courant dans l’étage du bas est courte par rapport à la solution précédente.
Inconvénient :
Le différentiel de potentiel est proportionnel au courant de charge. Cette tension est élevée et peut
induire à un disfonctionnement du circuit intégré. Pour protéger ce dernier, une résistance (RG2_off)
est prévue afin de limiter le potentiel dans cette broche.
L6386 : ASTUCES ET SUGGESTIONS POUR LA CAO
Le driver peut supporter des pics négatifs allant jusqu’à -18V (mesurée entre la sortie OUT et le pin
« signal ground » pour un temps qui ne dépasse pas 100ns. Les constructions à suivre pour faire face
aux pics négatifs de la masse et éviter le disfonctionnement du circuit sont :
•
Noter que la valeur des inductances et résistances exhibées est directement proportionnelle à
la longueur de la piste et inversement proportionnelle à sa largeur.
•
Il faut avoir une connexion large et la plus courte possible entre la source (émetteur) de
chaque demi-pont et le point commun de la masse.
Rappel : tous les courants de charges passent dans la masse « power ground » !
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Figure 5 : Parties à optimiser lors de la CAO
Astuces :
Une bonne astuce pour gérer le niveau des pics négatifs produits dans la masse est d’ajouter une
résistance au niveau de la sortie « OUT ».elle assurera une bonne immunité en limitant le courant
absorbé par le circuit intégré.
Sa valeur est entre 10 et 220 Ohms.
CAPTEUR DE COURANT : Choix du filtre passe-bas
Ce sont des capteurs à effet hall de très faible résistance présentant une bonne précision de la mesure
et intégrant une isolation galvanique, ils sont moins sensibles aux bruits mais nécessitent la mise en
place d’un filtre passe bas au niveau de leur sortie pour avoir une bonne immunité contre les
parasites.
On calcule les paramètres R et C du filtre adopté de telle sorte à avoir une fréquence de coupure de
24KHZ donnée par le constructeur. Avec cette valeur, on limitera le bruit à 7mV.
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J’utilise donc la formule suivante :
Le choix s’est porté sur les valeurs suivantes : R= 4.7k et C=1.2nF.
N.B : Avec ces valeurs la fréquence de coupure est de l’ordre de 23KHZ approximativement.
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