Extension de la plage de fonctionnement à rendement élevé des alimentations à découpage

1. Extension de la plage de fonctionnement à rendement élevé des alimentations à découpage François COSTA, SATIE UMR8029, IUFM de Créteil Alain CUNIERE, SATIE UMR 8029, Lycée Pierre de Coubertin, Meaux Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

2. Plan • Contexte actuel des alimentations DC-DC, évolutions en cours • Analyse des pertes dans une structure à commutation commandée • Stratégies pour la réduction des pertes • Actions sur la commande de grille • Considérations sur les pertes au niveau « composants » • Enjeux et conclusion Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

3. 1- Contexte actuel des alimentations DC DC Domaines d’application Traitement de l’information, télécom Applications grand public, produits blancs et bruns, éclairage, automobile, aéronautique Contraintes électriques • Électronique numérique forte densité VLSI, en accroissement • Diminution des tensions d’alimentation 3,3 – 2,5 – 1,8 – 1,5 – 1,2 –1 – 0,8 – 0,5V • Accroissement des fréquences d’horloge (quelques GHz) accroissement de la consommation • Courants très élevés : > 100A • Ondulation très faible : < qqes mV • Comportement dynamique : dI/dt à fournir de l’ordre du 1kA/µs  nécessite un volume très élevé de condensateur de stockage : contrainte forte en coût et volume. Contraintes d’usage • Rendement élevé sur une large plage de marche • Compacité • Fiabilité • Modularité (évolutivité) • Coûts limités car grandes séries Domaine de la conversion statique en fortes évolutions en termes de concepts et de technologies Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

4. AC 240V Bus DC 12 ou 48V +/- 5% DC 15V, 1% AC 240V DC -15V, 1% DC 5V, 1% DC 3,3V- 1% DC 2,7V- 1% DC 1,8V- 1% Architectures des alimentations DC-DC Avantages • Simplicité, coût, solutions éprouvées • Isolation galvanique, régulation aisée Inconvénients • Défaillance généralisée en cas de défaut sur une des sorties • Structure figée en cas d’évolution du système alimenté • Coût élevé si nécessité de redondance • Gestion de la thermique centralisée : critique parfois • Problèmes en cas de connectique de sortie longue • Rendement faible à basses tensions de sortie (<80%) Distribuée Centralisée Avantages • Meilleure gestion de la fiabilité et de la redondance • Mise en œuvre plus souple • Meilleure gestion des connections longues : le courant élevé est délivré au plus près de la charge meilleure réponse dynamique • Évolutivité aisée par remise à niveau du module correspondant • Optimisation possible de chaque module • Gestion distribuée de la thermique  plus facile Inconvénients • Coûts plus élevés • Le rendement global est difficile à optimiser Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

5. D l p V d I d I C , r o e C U I dc k L, r L V k C p 2- Cas d’une structure simple : analyse des pertes Pertes dans la cellule de commutation Tendances actuelles • Accroissement de la dynamique des convertisseurs • Miniaturisation des composants magnétiques Dépendance à Io, Fsw, Udc Pertes dues aux composants passifs Dépendance à Io, Fsw, Bmax Pertes dues aux effets parasites et à la connectique Pertes totales Dépendance à Io, Fsw, Udc Fsw Facteurs d’accroissement importants des pertes • Décroissance des tensions de sortie à Ps conservée Io Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

6. 3- Stratégies pour la réduction des pertes • Mode de commutation • Nouvelle organisation d’interrupteur • Entrelacement de structures • Redressement synchrone • Réduction des contraintes statiques sur les interrupteurs • Couplages magnétiques entre structures • Structures isolées adaptées Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

7. Cr Lr Da rendement du convertisseur 100 99 98 97 96 95 Commutation commandée 94 Commutation ZCS 93 92 91 90 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 puissance de sortie en watts A- Evolution des pertes selon le mode de commutation Exemple de la structure BOOST L D Vs Vred Ta T Gain sensible • Intérêt de la commutation douce au point nominal • Intérêt de mixer les modes de commutation en fonction du niveau de puissance (ou du courant) de sortie Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

8. B- Réduction des pertes liées au courant de charge • Adaptation du calibre en courant de l’interrupteur avec le courant de charge Io Pertes totales Io Existence d’un optimum du nombre d’interrupteurs élémentaires selon le courant Io Mesure courant Commande distribuée • Dispositif concevable dans l’hypothèse de l’intégration de la commande avec la puissance les travaux débutent seulement dans ce domaine (G2E lab, LAAS) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

9. 30 25 Ve = 12V Ve = 5V 20 pertes en W 15 10 5 0 Pcond_haut Pcond_bas Pcom_haut_on Pcom_haut_off Pcom_bas Pcde E- Réduction des contraintes statiques (1) Influence de la tension Udc : cas du hacheur de Buck à redresseur synchrone • Au bilan : rendement amélioré si Udc est réduite • Pertes par conduction croissent avec √k • Pertes par commutation décroissent davantage Vin Vin/k Réduction de Vin d’un facteur k à Vs et Io conservés Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

10. E- Réduction des contraintes statiques (2) Principe L’idée consiste à réduire les contraintes statiques sur l’ interrupteur le plus sollicité et d’accroître le rapport cyclique [d’après K. Yao, Virginia Tech. PhD thesis, 2005.] Inconvénients • Cellule de commutation « éclatée » commande plus difficile (red. synch.) • Commutation sur une maille inductive (surtension) Structure Buck à inductance à point milieu Gain en tension Rapport de spires Contraintes sur les composants À même gain en tension, le rapport cyclique augmente et les contraintes statiques diminuent Exemple pour Vin=12V, Vo=1,5V, Io=10A, n=3 et G=0,125, on obtient VK1=15V (12V), IK1=7,2A (10A), VK2=8,7V (12V), IK2=10A (10A) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

11. E- Réduction des contraintes statiques (3) Structure modifiée La cellule de commutation est insérée dans l’inductance : commande facilitée Un écrêteur non-dissipatif limite les surtensions Gain en termes de rendement Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

12. F- Couplage magnétique entre structures (1) • L defortevaleur pour • réduire les pertes fer • réduire les pertes au blocage des MOSFET hauts • réduire les pertes en conduction • réduire les pertes cuivre • L defaiblevaleur pour • augmenter la réponse dynamique à un échelon de charge (régulation) • augmenter la réponse dynamique à un échelon de consigne (asservissement) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

13. (L-M)/2 2(L+M) (L-M)/2 Vh Vd V0 I1c I1d I1h V1d V2d I2c I2d I2h Vh V0 F- Couplage magnétique entre structures (2) Principe coupler les phases entre elles pour résoudre la contradiction sur la valeur de L, séparer les termes dont dépendent l’ondulation de courant et ceux dont dépendent la dynamique de sortie Représentation des inductances couplées par un schéma équivalent Décomposition en série de Fourier des tensions des q phases Régime statique -Vo est commune à toutes les phases -Les termes de rang k multiples de la fréquence de découpage, hormis celles multiples de q forment un système équilibré -Les termes multiples de q forment un système homopolaire Régime différentiel : détermine l’ondulation du courant dans les cellules, intéressant si M>0 et proche de L Régime homopolaire : il détermine la dynamique du courant de sortie, intéressant si M>0 et proche de L Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

14. F- Couplage magnétique entre structures (3) • Bénéfices attendus • Réponse dynamique améliorée à mêmes contraintes  conséquence importante pour réduire le stockage capacitif de sortie • Réduction des pertes cuivre grâce à l’absence d’entrefer dans le coupleur • Réduction du volume total des composants magnétiques et capacitifs du convertisseur Comparaison à mêmes contraintes d’ondulation dans les cellules et à mêmes pertes dans les interrupteurs (cas non couplé et couplé) Des travaux émergent dans ce domaine (LAPLACE, IES, SATIE) Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

15. E E I I k k C G- Structures isolées basse tension, fort courant Quel choix de structure ? Doubleur de courant Entrelacement des courants IL1 et IL2, réduction de l’ondulation dans Cs. Répartition de Io durant Toff dans D1 et D2, réduction des pertes en conduction Phase de roue libre secondaire moins de pertes dans le transformateur Intégration possible des inductances et du transformateur sur un seul circuit magnétique Redresseur simple Filtre volumineux Pertes par conduction dans les redresseurs Redresseur à point milieu doublement de la fréquence de l’ondulation, filtre plus réduit Répartition de Io durant Toff dans D1 et D2, réduction des pertes en conduction (Rd.I²eff) et au blocage Utilisation de la technique de redressement synchrone Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

16. 4- Réduction des pertes de commande de grille • Quelques idées pour réduire la consommation de commande de grilleet assurer une commande sûre • Recyclage de l’énergie stockée dans Cgs pour assurer l’inversion de tension •  commande résonnante • Fournir la quantité de charge juste nécessaire pour atteindre Vgsmax en un temps donné •  commande en impulsion de courant Les pertes de grille minimales sont données par Le gain en puissance consommée est donné par Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

17. 5- Considérations sur les pertes au niveau « composants » • Composants actifs • Packaging et connectique • Composants magnétiques Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

18. B- Évolution technologique du packaging Amélioration du packaging des MOSFET D2PAK DPAK SO-8 MLP DirectFETTM nouvelle génération Ancienne génération [doc. ON semi-cond. A.N. 1520] Inductance de connexion dans le boîtier Résistance de connexion dans le boîtier Influence des matériaux de connectique Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

19. C- Les composants magnétiques Bilan des pertes • Effet joule dans les conducteurs, effets de proximité et de peau  importance de la topologie du bobinage et de la nature des conducteurs • Pertes magnétiques  importance du matériau et de ses conditions de fonctionnement magnétique Dimensionnement géométrique L=Fsw.Bmax Facteur de mérite du matériau Résistance en AC et Pertes X 2,5 Paradoxe : à pertes données, le volume peut décroître avec la fréquence Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

20. 6- Enjeux et conclusion • Nécessité de la prise en compte de la fonction d’usage du convertisseur  choix de la structure et de la commande • Analyse globale des pertes choix optimal des composants et des matériaux • Vers une conception intégrée qui optimise les pertes, le volume et la CEM Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable

21. Journées de la section Electrotechnique du club EEA, 14, 15 mars 2007, Ker Lann - Energie et développement durable