MODÉLISATION DES PERTES DANS LES

CONVERTISSEURS STATIQUES POUR LA

COMMANDE DES MACHINES RAPIDES

Khaled ALMAKSOUR

Institut de Recherche en Electrotechnique et Electronique

de Nantes Atlantique

Saint-Nazaire

Encadrants:

Nicolas BERNARD

Jean-Cristophe Olivier

Le plan

Introduction

Interrupteur idéal et réel

Les pertes dans l’interrupteur

Modèle des pertes en commutation et en

conduction

L’évolution des pertes et l’écart relatif

L’effet de la fréquence de découpage

Influence de l’ondulation

Influence de la variation de tension de bus DC

L’effet de temps morts

La planification future

2

Contexte

Optimisation de la commande des machines rapides

Problématique Trouver un modèle analytique simple et assez

précis pour calculer les pertes dans les convertisseurs statiques

3

Un bras de pont

La commande est réalisée par MLI

Udc

K1

K2

+ -

Ich

Vt

Comparateur

Vcde

Vch 1

4

Interrupteur idéal et réel Dans l’interrupteur idéal la commutation est instantané( produit

tension-courant est nul)

La chute de tension est nulle aux bornes du transistor pendant la conduction

Dans l’interrupteur réel les pertes existe car la commutation n’est pas instantanée

La chute de tension est existe pendant la conduction

vk ik

t

ik vk

temps temps 5

Formes d’ondes simplifiée Phase

1

Phase 3

t

t

VT1 on

Irrm

it1

Phase 2

Irrm

- Udc

Udc

Ich

id2

vce

1

VD2 on

Ich

ik1 vk1

ik2 vk2

Phase 4

vd2

6

Plan des pertes

pertes

Transistor

Commutation

Ouverture Fermeture

Conduction État bloqué

Diode

État bloqué Conduction Commutation

Ouverture Fermeture

7

Des approximations considérées

Les pertes été calculées avec les

approximations suivantes:

L’ondulation du courant de charge est

nulle (Δi=0)

La tension de bus continue est constante

L’effet de temps morts est négligeable

8

Calcule des pertes

Les pertes dans une période de

découpage suit la règle suivante:

9

Les pertes à la fermeture

du transistor

tr

Udc

Irrm

ic

t

Ich

ic , vce

vce

Pertes en commutation

Pertes en conduction

Vce= rf Ic + vce0

Les pertes en conduction du transistor :

10

L’évolution des pertes et l’écart relatif

L’écart relative mois de 14%

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16

ε%

Ich (A)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

les

perte

s (w

att

)

Ich (A)

pertes calculées pour fd=20

kHz

pertes mesurées pour

fd=20 kHz

11

La répartition des pertes

dans le transistor pour fd=20 kHz

Les pertes en conduction sont plus importante

pour des valeurs faibles de courant et de la

fréquence de découpage

Ich A PT conduction (W) PT fermeture (W) PT ouverture (W)

1.82 78% 5% 17%

4.65 85% 6% 9%

7.45 85.5% 7% 7.5%

10.3 86% 7% 7%

12

L’effet de la fréquence de découpage

Pour les basse fréquences et les courants faibles

(10A) les pertes en commutation restent faibles

Pour les hautes fréquences et les courants forts

(50A) les pertes en commutation deviennent plus importantes

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60

perte

s %

fd (kHz)

pertes en

conduction %

pertes en

commutation %

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60

perte

s %

fd (kHz)

13

Influence de l’ondulation

l’écart relative des pertes reste faible

pour des valeurs faibles de l’inductance de

charge (Lch=3mH , Lch=6mH)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

∆ P

%

ρ

14

Influence de la variation de tension

de bus DC

Chute de tension existe à cause de

l’impédance interne de la source de la

tension continue

86

88

90

92

94

96

98

100

102

0 5 10 15

Ud

c (

v)

Ich (A)

0

5

10

15

20

25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

ε %

ρ

15

L’effet de temps morts

Le rapport cyclique réel est de (ρ - ρm) au

lieu de ρ

ρ.Td (1-ρ).Td

1

0 t

t

Udc

-Udc

Vch

ρ.Td (1-ρ).Td

Commande sans temps morts

1

t

1

0

(ρ- ρm)Td

(1-ρ+ ρm)Td

ρm.Td t

Udc

-Udc

t

Vch

Commande avec temps morts

Vch

Udc

T1

Ich

D1

T2 D2

16

L’erreur à cause de temps mort

Les temps morts dans notre montage est

égale 1.5 µs

17

fd kHz 3.45 10 20 40

ρm .Td 0.5% 1.5% 3% 6%

Pour fd = 3.45 kHz

ρthéorique 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1

ρréel 0.1 0.3 0.5 0.69 0.89 1

Pour fd = 40 kHz

ρthéorique 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1

ρréel 0.17 0.36 0.49 0.65 0.85 0.95

La planification future

Validation pratique du modèle pour des

courants forts

18