Amortissement actif d’un convertisseur à découpage DC/DC

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23565
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Amortissement actif d’un convertisseur à découpage DC/DC

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Amortissement actif d’un convertisseur à découpage DC/DC La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 61 Amortissement actif d’un convertisseur à découpage DC/DC FABIEN ROCHER, BRUNO CARVES-BIDEAUX fabien.rocher@mbda-systems.com, bruno.carves-bideaux@mbda-systems.com, MBDA , Le Plessis Robinson 1. Introduction Cet article présente une solution innovante d’amortissement des filtres d’entrée sur les convertisseurs de puissance. Le système composé d’un filtre d’entrée de type L-C et d’un convertisseur de puissance régulé est instable et nécessite l’ajout d’un circuit d’amortissement. Celui-ci est usuellement composé de composants passifs, volumineux et coûteux. L’alternative consiste à remplacer ce circuit passif par un circuit actif. Les objectifs sont d’obtenir à la fois un gain de volume et de coût sur cette fonction sans dégradation des performances. 2. Problématique Les convertisseurs de puissance à découpage nécessitent en entrée un filtre CEM composé de cellules L-C. Dans sa bande passante, le convertisseur, consommant une puissance constante, présente une impédance négative. L’association du filtre CEM L-C et l’impédance négative du convertisseur de puissance crée un système instable. 3. L’amortissement passif de type R-C Un circuit R-C en aval du filtre CEM permet la stabilisation, la résistance R permettant de contrer l’impédance négative et le condensateur C de couper toute consommation continue dans R DC DC Ve Figure 1 : principe de l’amortissement passif R-C Cette solution éprouvée est contraignante : le condensateur doit avoir une capacité élevée et tenir la tension maximale d’entrée du système. Des normes CEM militaires imposent des essais en susceptibilité conduite sur les lignes d’alimentation. Lors de l’injection de perturbations autour des fréquences de résonance du filtre, la puissance dissipée par le circuit d’amortissement peut être importante. La résistance et le condensateur du circuit doivent donc être dimensionnés pour tenir ces stress. 4. Principe de l’amortissement actif L’amortissement actif est un substitut au circuit R-C. Il s’agit d’un convertisseur à découpage présentant une impédance similaire au circuit passif R-C dans la bande de fréquence d’instabilité du système. Le circuit utilisé est basé sur un convertisseur à découpage de type boost réversible. Vin Vout B A Ie = Figure 2 : principe de l’amortissement actif La fonction principale de la boucle de régulation est de garantir un courant consommé Iin: Iin = Vin R + 1 Cp = Vin. Cp 1 + RCp Avec R et C : résistance et capacité du circuit d’amortissement passif équivalent. Un filtrage passe-haut de la tension d’entrée, permet de réaliser cette fonction IREF = Vin. K. ( τp 1 + τp ) avec τ = RC et K = 1 R Le courant d’entrée du circuit est asservi par une boucle de régulation classique (correcteur PI et PWM) afin de suivre cette consigne IREF La consigne IREF est variable à des fréquences élevées. La bande passante de la boucle de courant doit donc être suffisante pour suivre cette consigne. Une boucle de tension permet de réguler la tension de sortie du circuit d’amortissement actif. La tension de sortie doit être stabilisée à une valeur supérieure à la tension d’entrée sans impacter la fonction d’amortissement. La bande passante de la boucle de tension est très faible. La sortie du correcteur de la boucle de tension est additionnée à la référence de courant et permet ainsi de réguler la tension de sortie. Le synoptique ci-dessous décrit le schéma global de régulation du circuit d’amortissement actif : Résumé : L’instabilité naturelle des convertisseurs de puissance associés à leurs filtres d’entrée peut être solutionnée par l’ajout d’un réseau de stabilisation passif ou, plus astucieusement, par une solution active basée sur une structure boost réversible. Amortissement actif d’un convertisseur à découpage DC/DC La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 62 PI Vout Vref Vin + + Iref PI PWM A B Figure 3 : principe de régulation de l’amortissement actif 5. Dimensionnement 5.1. Fréquence de découpage La boucle de régulation du courant doit avoir une bande passante élevée. La fréquence de découpage est choisie bien supérieure à cette bande passante et conditionne le volume de l’inductance et les pertes du convertisseur boost. qui fonctionne même en l’absence d’agression 5.2. Courant d’amortissement maximal Dans les applications militaires, les essais d’agressions conduites induisent un courant important dans le circuit d’amortissement actif qui doit donc être dimensionné pour supporter cette puissance. Durant ces agressions, le courant dans le circuit d’amortissement est injecté dans le condensateur de sortie, faisant varier la tension à ces bornes. Le dimensionnement de ce condensateur est donc un compromis entre la tension maximale à ces bornes, impactant également les MOSFETs, et la valeur de la capacité. 5.3. Tenue aux coupures Un circuit actif peut garantir une tenue aux coupures courtes de l’alimentation d’entrée. Le convertisseur boost réversible permet d’utiliser l’énergie stockée dans le condensateur de sortie pour alimenter le convertisseur principal. Résultats : Après validation de la fonction d’amortissement actif par simulation, une maquette a été réalisée : Figure 4 : maquette d’un circuit d’amortissement actif Des essais d’agressions conduites sur l’entrée du convertisseur de puissance ont été réalisés sans amortissement puis avec amortissement actif afin de valider la stabilisation du système. Les courbes ci- dessous montrent le courant d’entrée du convertisseur (courbe du haut) ainsi que la tension d’entrée (courbe du bas), dans les 2 cas : Figure 5 : courant et tension d’entrée sans et avec amortissement La stabilisation du système est validée sur toute la plage de fréquence de fonctionnement du circuit d’amortissement actif. 6. Conclusion Un amortissement actif peut remplacer un amortissement passif. La stabilisation du convertisseur par ce circuit a été validée par simulation et par essai. Le gain de volume et de coût est dépendant des applications et des normes CEM applicables. La complexité supérieure à celle d’une solution passive, implique une fiabilité moindre. L’amortissement actif augmente également les pertes dans le système, même en l’absence d’agression CEM. Référence :A. Jusoh, H. Baamodi, S. Mekhilef “Active damping network in DC distributed power system driven by photovoltaic system.