Alimentation à découpage Haute puissance

[lbk]

Bonjour,

Je dois réaliser une alim à découpage haute puissance 5 Kw en mode élévateur de tension (Ve= 14V et Vs = 30V). Ma première interrogation se trouve dans le choix du montage à utiliser. J’ai vu que le montage Boost n’était pas adapté pour de telle puissance. Je ne vois cependant pas d’autre structure satisfaisante (flyback, forward = puissance < 300W)

Je dois également réaliser un montage Buck (Ve=30V pour Vs=14V) P=5kW, dans le sens inverse. Je pense donc utiliser la même structure puisque les 2 alim ne fonctionnent pas au même moment.

J’ai également une autre interrogation quant à la fréquence de découpage, doit -elle se situer à 30 kHz ou s’approcher du MHz ? Je n’ai pas trouvé de calcul sur l’augmentation des pertes électromagnétiques en fonction de la fréquence de découpage, j’ai juste réussi à calculer la diminution des composants du montage (inductance, condensateur) quand la fréquence augmente.
Si quelqu'un peut m’éclairer au niveau de ces deux questions, ca serait vraiment très sympa.
Merci d’avance
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[gcortex]

5KW avec 14V c'est quasi-impossible

plus la fréquence est élevée, plus le transistor va chauffer
(à cause de sa capacité)

pour une telle puissance 10KHz çà serait déjà pas mal

[DAUDET78]

Je ne te cache pas que les chiffres me font un peu peur. 5KW en 30V, c'est un courant de sortie de 167A et d'entrée de 430A en entrée ........ Tu parts à la pêche au gros !
Tu as déjà réalisé des convertisseurs de puissance? tu as un labo bien équipé?
Pour moi, c'est du convertisseur symétrique avec tranfo à point milieu.

[lbk]

Oui, ca parait effectivement dur à mettre en place mais je n'ai pas le choix. Je vais du coup regarder du coté des alim symétriques push pull... Pour vous ce n'est pas possible avec un simple Boost dimmensionné en conséquence (l'inductance sera en effet assez importante)?

Au niveau de la puissance, pour le boost elle sera surement de 3 kW(ce qui est déja plus réalisable), en revanche pour le buck elle avoisinera 5 kW

[A voir en vidéo sur Futura]

[Fred des montagnes]

Salut,

Tu aurais peut être plus de chance du côté des alimentation boost multi-canaux (plusieurs branches en parallèles), par contre les éléments de commutations pour ces courants risque de ne pas être donnés (je crois que semikron fait des IGBT supportant plusieurs centaines d'ampères).

Pour ce qui est de l'inductance tu peux la faire toi même avec de fils de Litz (tressé pour éviter l'effet pelliculaire à ces fréquences).

[lbk]

pour infos (et pour répondre à Daudet78) jai déja réalisé un flyback 100w et jai le materiel pour réaliser cette alim. Au niveau des interrupteurs de puissance, je comptais en mettre plusieurs en parallele commandés simultanément par un driver. Ainsi le courant appliqué sur un interrupteur sera plus faible.

Merci a vous tous pour vos réponses si rapides... si vous avez d'autres suggestions, n'hésitez pas

[Fred des montagnes]

Je sais pas si c'est bien des les commander simultanément avec un seul driver, je pense que si les inductances de lignes ou autre résistances internes qui diffèrent d'une branche à l'autre, il peut y avoir des retour de courant.

Dans les multi-canaux (par exemple trois branches en parallèles ici un buck) on commute chaque branche l'une après l'autre. Donc chaque branche à un courant de crête qui vaut le courant total pendant 3 fois moins de temps. Donc au final on a un courant efficace divisé par 3 dans chaque branche. Je crois que comme ça on évite les recouvrements et les retours de courant.

[lbk]

Sinon il y a surement une soulution en utilisant une alim a découpage quasi resonnante. J'ai vu que ce type de montage était adapté pour les fortes puissances. Quelqun à une idée de la difficultée de mise en place?

[Tropique]

Sinon il y a surement une soulution en utilisant une alim a découpage quasi resonnante. J'ai vu que ce type de montage était adapté pour les fortes puissances. Quelqun à une idée de la difficultée de mise en place?

Ces alimentations permettent entre autres, un gain de rendement au prix d'une augmentation des courants de crête.
Pour une alim fonctionnant sur 300V ou même 48V, c'est tolérable, dans ton cas augmenter encore le courant serait délirant.
Il faut au contraire réduire le plus possible les courants individuels des composants, la solution multiphases me parait la seule praticable. Et encore, pas facilement. Perso, j'y regarderais à deux fois avant de m'embarquer dans une galère pareille.
Demande à Hulk ce qu'il en pense, je crois que c'est le principal de son boulot...

[lbk]

Ok merci a toi, je vais lui demander...

[invite03481543]

Bonjour lbk,

Bonjour,

Je dois réaliser une alim à découpage haute puissance 5 Kw en mode élévateur de tension (Ve= 14V et Vs = 30V). Ma première interrogation se trouve dans le choix du montage à utiliser. J’ai vu que le montage Boost n’était pas adapté pour de telle puissance. Je ne vois cependant pas d’autre structure satisfaisante (flyback, forward = puissance < 300W)

La structure a utiliser ici sera plutôt du push-pull.

J’ai également une autre interrogation quant à la fréquence de découpage, doit -elle se situer à 30 kHz ou s’approcher du MHz ?

La règle est simple, plus la puissance est grande plus la fréquence doit être faible.
La raison est liée au fait que les pertes dans les commutateurs augmentent proportionnellement à la fréquence.
Mais plus cette fréquence est basse plus les éléments inductifs sont gros, donc le choix est fait en priorité par rapport aux pertes des commutateurs.

Je n’ai pas trouvé de calcul sur l’augmentation des pertes électromagnétiques en fonction de la fréquence de découpage, j’ai juste réussi à calculer la diminution des composants du montage (inductance, condensateur) quand la fréquence augmente.
Si quelqu'un peut m’éclairer au niveau de ces deux questions, ca serait vraiment très sympa.
Merci d’avance

Le problème se pose un peu différemment de la théorie.
Les matériaux ferromagnétiques ont évolués mais leurs disponibilités est très relatives, rien qu'en France il est devenu très compliqué de se fournir normalement.
Les matériaux 3F3 par exemple sont très biens mais hormis quelques références il est quasi impossible de s'approvisionner en ce moment.

Si on prend des matériaux pour des fréquences de travail jusqu'à 100KHz on trouve plus de choix (B52 ou 3C85).

Il faut également bien voir que plus la fréquence augmente plus les difficultés augmentent également (stabilité de boucle, température plus élevée, contraintes plus importantes des éléments parasites (câblages, routage, capacité et self de fuite, etc).
Pour des puissances de cet ordre une fréquence de 30KHz~50KHz est un bon départ.
A+

[lbk]

Merci Hulk pour ta réponse rapide. Après avoir étudier tous les montages possibles en alim à découpage, deux me paraissent possibles pour les fortes puissances "le full bridge (varainte du push pull adapté aux fortes puissance)" et le buck ou boost multiphase (expliqué plus haut par Fred des montagnes)

J'ai souvent lu que le Buck ne pouvait pas etre utiliser en forte puissance mais je n'arrive pas à trouver les inconvénients majeurs.

[invite03481543]

Oui les quelques pistes données par Tropique ou Fred des montagnes sont possibles également.

Si j'ai pensé au push-pull dans un premier temps c'est avant tout à cause du 14V en entrée et du transformateur qui reste simple à réaliser et l'attaque des commutateurs qui reste plus simple aussi.
C'est d'ailleurs ce qui est couramment employé dans les convertisseurs DC-AC de forte puissance.

[invite03481543]

Merci Hulk pour ta réponse rapide. Après avoir étudier tous les montages possibles en alim à découpage, deux me paraissent possibles pour les fortes puissances "le full bridge (varainte du push pull adapté aux fortes puissance)" et le buck ou boost multiphase (expliqué plus haut par Fred des montagnes)

J'ai souvent lu que le Buck ne pouvait pas etre utiliser en forte puissance mais je n'arrive pas à trouver les inconvénients majeurs.

Le Full-bridge est une structure plus coûteuse à mettre en oeuvre vu qu'elle nécessite une commande flottante des Mos supérieurs, comme ici on est en 14V, le push-pull s'impose de lui même.

Le Buck classique à forte puissance est délicat pour au moins 2 raisons:
1/ En cas de défaillance du commutateur la tension d'entrée se retrouve intégralement sur la charge.
2/Selon les caractéristiques voulues on peut se trouver limiter sur les bornes du rapport cyclique et rencontrer des instabilités surtout à fortes puissance.

On peut aussi dire que les contraintes exercées sur le commutateur exigent un dimensionnement particulier et un coût prohibitif en regard d'une solution polyphases par exemple ou multi-synchrone.
Actuellement on cherche à optimiser le rendement en se plaçant le plus souvent possible dans une configuration optimale selon la demande de la charge.
C'est aussi pour cela que les solutions polyphasées ont spécialement la côte en DC/DC avec des électroniques à alimenter de plus en plus faibles en tension 1,2V, 0,9V mais forcément gourmande en courant avec des di/dt très importants.

Je connais mieux les solutions de chez Linear Technology pour travailler avec eux, et je pense ne pas me tromper pour dire qu'ils sont en pointe dans ce domaine depuis quelques temps.
http://www.linearnews.com/press/LTC3819/LTC3819-fr.pdf
A+

[lbk]

Ca devient plus clair, merci pour tes explications! je pense m'orienter plutot vers un Buck classique pour pouvoir utiliser une structure bidirectionnelle. Je m’explique : le montage est en mode Boost pendant un certain intervalle de temps, puis dans un second temps en mode Buck dans l’autre sens (la charge devient alors la source et vice et versa). Etant donné que les topologies de ces deux montages sont très proches, il est possible d’utiliser le même montage en commutant 2 interrupteurs de puissance. Pour ceux qui sont intéressé, je vous laisse ci-joint un schéma très simplifier du montage en PJ.

Ainsi le montage peut fonctionner dans les quatre quadrants (Buck ou Boost dans les deux sens).

Pour l’instant, j’ai réalisé les tests sous matlab et les résultats sont très concluants. Je pense en revanche qui il est très difficile de le mettre en pratique étant donné les forts courants traversant le montage.

[Antoane]

Bonjour,
Une petite question concernant ces alimentations "toutes comandées", dans les-quelles la traditionelle Schottky est remplacée par un transistor :
Comment être sûr que les transistors (Mos, IGBT...) vont commuter au bon moment ? comment être sûr de ne pas cour-circuiter l'alim, ni d'attendre trop longtemps, ce qui ferait apparaître des surtension (selfs) ?
Merci.

[Tropique]

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Pour l’instant, j’ai réalisé les tests sous matlab et les résultats sont très concluants. Je pense en revanche qui il est très difficile de le mettre en pratique étant donné les forts courants traversant le montage.

500A à commuter en 1µs (disons que ce sont des transistors Helvètes).
500A/µs, aux bornes de 1.5mm de fil, piste, (barre?), ça fait 0.5V.
Faut pas trop de sections de 1.5mm dans le circuit, sinon les 14V vont disparaitre à toute vitesse.

[lbk]

Antoane pour te répondre, je ne suis pas expert de commandes simultanées des Mosfets. Je pense le faire avec DSP et utilisation de driver. Après, je n’ai pas encore d’idée du montage à utiliser (multiphase ou non etc)… Si tu as d’autres infos la dessus, n’hésite pas.

Hulk, sais tu si il est possible d’utiliser un Push Pull dans les deux sens (en abaisseur et en élévateur en inversant la sortie et l’entrée) ?