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GPA667
CONCEPTION ET SIMULATION
DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES
ALIMENTATIONS C.C. COMMUTÉE OU À DÉCOUPAGE
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
1
29/09/2013
ALIM. À DÉCOUPAGE

Circuit abaisseur de tension (« Buck
converter »)

Circuit élévateur de tension (« Boost
converter »)

Circuit inverseur de tension
(« Inverter »)
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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29/09/2013
ALIM. À DÉCOUPAGE



Théorie et calcul des composants pour le
convertisseur abaisseur ou «Buck Converter»
en mode continu et discontinu.
Principe de fonctionnement du convertisseur
élévateur de tension ou «Boost Converter»
Théorie et calcul des composants pour le
convertisseur inverseur ou
«Inverter Converter»
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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29/09/2013
ALIM. À DÉCOUPAGE




Transistor en commutation dissipe moins de
puissance.
La diode doit être plus rapide que celle
utilisée dans un redresseur classique.
Nécessite une bonne compréhension des
phénomènes magnétiques et le calcul d’une
inductance.
Peut présenter des problèmes d’instabilité
surtout pour le convertisseur élévateur.
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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29/09/2013
ALIM. À DÉCOUPAGE
Rendement plus élevé que les régulateurs
linéaires.
Fréquence 25 kHz-50 kHz au lieu de 60 Hz
donc réduction du poids.


Nécessite un circuit de commande et
une inductance donc plus complexe.
 Fonctionne mieux avec une charge
minimale.

ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR



Diminue la tension
Stable et fonctionne bien dans les modes
continu ou discontinu.
Bon compromis pour obtenir un rendement élevé
lorsque le courant de sortie est élevé de même
que la différence de tension entre l’entrée et la
sortie.
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
CIRCUIT
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
FORMES D’ONDES
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
Rendement
(excluant les pertes de commutation)
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
Influence de la fréquence (1/T)
Ton s’ajuste par rapport à T pour obtenir Vo. On serait tentés
d’augmenter la fréquence ou réduire T pour avoir des pièces
moins lourdes ou moins encombrantes.
On aura une limite sur la vitesse de commutation du transistor
et de la diode. Les pertes auront tendance à augmenter
rapidement lorsque l’on commute à haute vitesse. En pratique,
les alimentations à découpages fonctionnent entre 25 kHz et
50 kHz
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
COMMUTATION
(CAS IDÉAL)
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
Rendement incluant les pertes de
commutation (cas idéal)
P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) =
Rendement (cas idéal)
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
COMMUTATION
(PIRE CAS)
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CAS PIRE
CIRCUIT ABAISSEUR
Rendement incluant les pertes de
commutation (pire cas)
P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) =
Rendement
(pire cas)
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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29/09/2013
CIRCUIT ABAISSEUR

La pente de
charge du courant
est fixe parce
qu’elle ne dépend
que de (Vdc – Vo)
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
Inductance
+I1
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CIRCUIT ABAISSEUR
Mode discontinu

Lorsque Io diminue
jusqu’à (I2 – I1)/2, le
courant dans
l’inductance devient nul
et on obtient le mode
« discontinu »
Io nom = 5A et Iomin = 1 A
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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29/09/2013
CIRCUIT ABAISSEUR
Mode discontinu

Même si le mode discontinu
n’est pas prohibé, nous
assumerons un courant Io min =
0.1 x Ion (out nominal). Nous
pourrons donc fixer une valeur
pour L
Io nom = 5A et Iomin = 1 A
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
Calcul de l’inductance L

dI est la variation de courant durant le temps de
conduction Ton pour rester à la limite du mode discontinu
avec une charge Io min.
Comme
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
alors
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CIRCUIT ABAISSEUR
Calcul de l’inductance L

Le courant dans L varie de ± 10% autour de la valeur centrale. En
supposant que la valeur de L demeure constante avec un courant
I2 = 1.1 Io nom., la rampe sera linéaire. On doit donc concevoir
l’inductance pour ne pas qu’elle sature même lorsque le courant
C.C. qui y circule vaut 1.1 Io nom.
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CIRCUIT ABAISSEUR
Choix du condensateur Co : Le condensateur Co est en fait
constitué de Co, Ro et Lo en série. On peut négliger Lo pour la plage
de fréquence qui nous intéresse. On doit minimiser Ro, la résistance
équivalente en série ou « ESR ».
Habituellement, pour les condensateurs couramment disponibles, le
produit Ro x Co = 50 à 80 x 10-6
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ABAISSEUR
La tension de ronflement à la sortie Vor (« ripple ») aux bornes de la
charge est due à Co (Vcr) et à Ro (Vrr). Vr = Vcr + Vrr. La contribution
de Vrr est habituellement beaucoup plus significative que celle de
Vcr
Exemple pratique nous permet de le constater. Concevoir une
alimentation à découpage de type abaisseur avec les spécifications
suivantes :
Vdc = 20 V, Vo = 5V, Ion = 5A, f=25Khz et Io min. = 0.1 x Io nom. = 0.5 A.
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CIRCUIT ABAISSEUR
Supposons un ronflement Vor = 0.05V dû principalement à Ro, i,e Vor ≈
Vrr. = Ro x (I2 – I1) où (I2 – I1) = 1A et Ro = 0.05 Ω. En assumant que
RoCo = 50 x 10 -6 alors C0 = 1000 uF
Calcul de la crête positive de Vcr
Vcr (crête-crête) = 2x Vcr = 0.01 V
Comme on peut le constater Vcr est environ 4 fois plus petit que Vrr
Calcul de Co = 1300 uF en assumant un valeur moyenne de RoCo = 65 x 10
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-6
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CIRCUIT ABAISSEUR
Pour une telle alimentation, quel sera le rendement ?
Calcul du rendement η
Supposons Ts/T = 2% et le rendement sera 5/(5+1+2*20*0.02) ≈ 74 %
Avec un régulateur linéaire, on dissiperait environ
(20-5)*5 = 75 W et on ne pourrait espérer un
rendement excédant environ (5*5)/(5*5 + 75) = 25 %
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ÉLÉVATEUR




Augmente la tension
Possibilité d’oscillation si fonctionnement en
mode continu
Utile pour produire des tensions C.C. élevées à
partir de piles (tensions basses)
En remplaçant l’inductance L par un
transformateur avec plusieurs enroulement
secondaires, on produit un circuit « Flyback »
utilisé dans la plupart des alimentations à haute
tension.
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CIRCUIT ÉLÉVATEUR
E = 0.5 L1 Ip2
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ÉLÉVATEUR
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ÉLÉVATEUR
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT ÉLÉVATEUR
On s’assure d’avoir un temps mort Tdt pour que l’énergie emmagasinée
soit complètement transféré à la charge. Tdt = 0.2 T (empirique)
A chaque cycle, l’énergie moyenne dans l’inductance est nulle. Il n’y a
pas de courant continu dans l’inductance.
On résout pour trouver Ton en fonction de Vo et de Vdc.
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CIRCUIT ÉLÉVATEUR
CONCEPTION
À partir de Ton, Vdc, Ro (pour un courant de charge maximum ) et k=0.8, on
trouve L1 avec
On calcule ensuite Ip pour choisir le bon transistor.
Si la charge dépasse la valeur maximale permise (< Ro) ou que Vdc
diminue, Ton augmentera au détriment de Tdt qui sera réduit. Pour
éviter cette situation, on peut empêcher Ton d’augmenter en
verrouillant la tension d’erreur Vea.
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT INVERSEUR
CIRCUIT
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT INVERSEUR
FORMES D’ONDES
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT INVERSEUR
Lorsque Q1 conduit, le courant augmente linéairement dans
l’inductance Lo jusqu’à une valeur maximale Ip. Lorsque Q1 est
bloqué, la polarité aux bornes de Lo s’inverse. Le courant dans
D1 diminue linéairement en chargeant Co avec une polarité
négative. Si le courant devient nul avant que le prochain cycle
de conduction débute, la puissance transmise à la charge sera :
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT INVERSEUR
Sachant que
On obtient la relation
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT INVERSEUR
CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
Afin de s’assurer que toute l’énergie emmagasinée
dans l’inductance Lo soit transmise à la charge,
nous devons être dans le mode discontinu. Nous
assumerons donc un temps mort « dead time, Tdt
entre le temps de charge Ton et le temps de
décharge Tr. Un temps Tdt = 0.2T est acceptable.
On obtient la relation
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT INVERSEUR
CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
Quand toute l’énergie emmagasinée dans Lo est
transférée à la charge Ro, on a :
Combiné avec l’équation
On obtient :
ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE
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CIRCUIT INVERSEUR
CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
En spécifiant les valeurs suivantes :
On calcule Ton avec
On calcule ensuite Lo avec
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CIRCUIT INVERSEUR
CONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
Le choix de T, du condensateur Co et du
rendement η s’effectuent comme pour le
convertisseur abaisseur
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