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Buck avec demi pont en H : deux interogations

  1. black templar

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    février 2004
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    Lille
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    669

    Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Bonjour à tous,

    Je suis en train de faire des tests sur les hacheurs et notamment avec une topologie buck classique. J'ai d'abord testé avec un mosfet et une diode pour bien saisir le principe du hacheur. Dans la version actuelle, j'ai remplacé la diode par un second NMOS pour réduire la tension perdue. J'ai donc un demi pont en H (IRFZ14) commandé par un driver (IR S2004). (le schéma est en pj (photo 1)).
    J'envoi du 20V à l'entrée du buck, 12V pour le driver et 0/5V pour la commande PWM à 100kHz.
    Tout se passe comme prévu et je peux calculer mon rendement (90% pour une pwm à 50% avec une charge consommant 1.1W ; 95% pour une PWM à 80% avec une charge consommant 3W). Néanmoins, je constate deux choses qui m'embêtent un peu.

    > La première, c'est la tête de la tension au niveau de la gate du NMOS du haut (photo 2) : il y a des oscillations de fortes amplitudes lors des commutations. Chose qui ne se retrouve pas au niveau de la gate du NMOS du bas (photo 3). Je ne comprend pas trop le phénomène et du coup, je n'ai pas de piste pour l'éliminer. Le problème vient donc de la capa de bootstrap ?? ou de l'implémentation (c'est des tests sur platine d'essai : photo 4) ??

    > La seconde, c'est que lorsque la PWM est à 100% (Vin toujours à 5V), la capa de bootstrap ne peut plus se charger pour driver correctement le NMOS du haut (logique, il lui faut des impulsions qu'elle n'a plus). Or, dans mon application, il est crucial que le rapport cyclique puisse atteindre 1. Du coup, j'aurai voulu avoir des conseils quant au design du hacheur pour permettre ça. Faut-il que j'utilise un PMOS en haut et un NMOS en bas ? Mais dans ce cas là, il n'existe pas de driver et ça me parrait compliqué de gérer les delais et retards à la main...

    Voila,
    Si vous avec des suggestions concernant ces deux points, je suis prenneur.

    -----

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  2. Vincent PETIT

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    juin 2010
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    Pas de Calais
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    218

    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Salut,
    Pour ta première question, je crois aussi que ça vient de la capa bootstrap puisque son rôle, en gros, est de fournir du jus à la gate du MOSFET highside et on voit bien sur l'image de l'oscilloscope que le problème intervient à ce moment précis.

    Je pense à une inductance parasite liée au câblage ou à la breadboard. Si tu reserts le câblage ? Aucune amélioration ?

    Pour la question 2, je ne sais pas du tout.
    Là où il n'y a pas de solution, il n'y a pas de problème.
     

  3. Antoane

    Date d'inscription
    août 2007
    Localisation
    IDF
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    11 234

    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Bonsoir,

    Il faut diminuer toutes ces inductances parasites :
    - l'inductance de maille résonne avec la capa de sortie du demi-pont, tu devrais retrouver des oscillations similaires au niveau du point milieu ;
    - l'inductance créée par la boucle de masse de la sonde amplifie les oscillations et te montre des parasites qui n’existent pas.

    Ton circuit de commande de grille est également fortement inductif, mais les 100Ohm amortissent énormément de LC (Q~0.1), on ne voit donc pas d'oscillations.

    Conclusion :
    - il faut découpler les alimentations :
    * alimentation de puissance, entre le drain du high-side et la source du low-side ;
    * alimentation du driver, directement entre ses broches d'alimentation ;
    - il faut laisser la breadboard de côté et passer à un vrai circuit, au moins sur plaque à pastilles ;
    - il faut diminuer l'inductance de la fiche de masse de ta sonde :
    * prendre la masse le plus près possible du point de mesure ;
    * minimiser la surface de la boucle formée par le corps de la sonde et la pince de masse, en particulier en enroulant cette dernière autour du corps de la sonde.
    http://www.analog.com/media/en/analo...asurements.pdf
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.
     

  4. black templar

    Date d'inscription
    février 2004
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    Lille
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    Messages
    669

    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Bonjour, merci pour vos réponses.

    Citation Envoyé par Vincent PETIT Voir le message
    Je pense à une inductance parasite liée au câblage ou à la breadboard. Si tu reserts le câblage ? Aucune amélioration ?
    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    Il faut diminuer toutes ces inductances parasites :
    - l'inductance de maille résonne avec la capa de sortie du demi-pont, tu devrais retrouver des oscillations similaires au niveau du point milieu ;
    - l'inductance créée par la boucle de masse de la sonde amplifie les oscillations et te montre des parasites qui n’existent pas.
    J'ai refait le montage (toujours sur platine d'essai) avec un cablage un peu plus propre. J'ai rapproché les alimentations des composants et j'ai enrouté le cable de la pince de masse de la sonde autour de cette dernière. Les oscillations n'ont pas disparus mais ont bien diminués.
    Merci !

    Du coup, j'ai testé une topologie boost, toujours avec mon demi pont en H, cette fois-ci avec 5V en entrée. J'ai testé avec une charge de 73ohm et j'ai pu calculé le rendement (77% pour une pwm à 20% avec une charge consommant 4W ; 91% pour une pwm à 50% avec une charge consommant 1W ; 94% pour une PWM à 20% avec une charge consommant 0.5W).
    Les relevés à l'oscillo sont plus propres, exceptés les paliers intermédiaires lors des commutations. Là aussi, je ne vois pas trop d'où ça peut venir.
    J'ai mis en pj une photo de la tête de la tension au niveau de la gate du haut (photo 1) et une autre avec la tension pour la gate du bas (photo 2). On voit que le palier (à 9V) apparait lorsque les deux NMOS sont bloqués et disparait lorsque le NMOS du bas devient passant. J'ai mis le schéma du montage boost en pj (photo 3).
    Si vous avez une idée pour interpréter ces paliers, je suis preneur

    Sinon, même problème qu'avec le buck : j'aimerai pouvoir atteindre une PWM de 100% (où le NMOS du haut est toujours passant et celui du bas, toujours ouvert).
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  5. Antoane

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    août 2007
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    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Bonjour,

    > J'ai rapproché les alimentations des composants et j'ai enrouté le cable de la pince de masse de la sonde autour de cette dernière.
    Photo !

    > http://forums.futura-sciences.com/at...-high_side.jpg
    Le palier à ~ 7V devrait correspondre au dead time, lorsque la tension au point milieu du demi-pont est égale à la tension de sortie + la tension de seuil de la diode de body du mos high-side. Avec un rapport cyclique de 20% et une tension d'entrée de 5V, on attend ~6.25V en sortie, auquel on ajoute les 0.7V de la tension de seuil : ça fait bien 7V.

    > j'ai pu calculé le rendement
    Attention : les mesures de rendement de ce genre de circuit ne sont pas triviales : vérifier en particulier la précision et la bande passante des instruments employés.

    Avec un boost, on arrive plus aisément à faire un quasi-100% de rapport cyclique car la diode (éventuellement schottky) placée en parallèle du high-side mosfet peut prendre le relais si besoin.
    Sinon, il y a plusieurs solutions :
    - utiliser, comme tu le proposes, un PMOS -- attention alors à ce que les tensions en jeu soient suffisantes pour le commander : Vgs = - Vin ;
    - si tu as une alim 12V de disponible et que ton buck doit laisser passer une tension valant 5V max, alors il suffit de commander le N-mosfet high-side en Vgs=Vg-Vs=12-5 = 7V.
    - utiliser un circuit fabriquant le rail haute-tension sans utiliser le point milieu du convertisseur mais une pompe de charge (par exemple) externe. On doit pouvoir trouver des convertisseurs intégrés en étant capables (j'ai pas trouvé) ; il faut sinon fabriquer cette pompe de charge "à la main", à partir d'un oscillateur et de quelques composants discrets.
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.
     


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  6. black templar

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    février 2004
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    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    > J'ai rapproché les alimentations des composants et j'ai enrouté le cable de la pince de masse de la sonde autour de cette dernière.
    Photo !
    Arf, j'ai démonté le montage pour pouvoir tester le boost et le buck-boost. J'aurai du prendre une photo de l'oscillogramme (je referai peut-être le montage plus tard).

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    > http://forums.futura-sciences.com/at...-high_side.jpg
    Le palier à ~ 7V devrait correspondre au dead time, lorsque la tension au point milieu du demi-pont est égale à la tension de sortie + la tension de seuil de la diode de body du mos high-side. Avec un rapport cyclique de 20% et une tension d'entrée de 5V, on attend ~6.25V en sortie, auquel on ajoute les 0.7V de la tension de seuil : ça fait bien 7V.
    Hum, ok, je pense comprendre. Je ferai des tests en simulation.

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    > j'ai pu calculé le rendement
    Attention : les mesures de rendement de ce genre de circuit ne sont pas triviales : vérifier en particulier la précision et la bande passante des instruments employés.
    C'est à dire ? J'ai mesuré tension et courant de l'alim 20V ainsi que le courant et la tension au niveau de la charge. Les deux tensions sont continues (je néglige les oscillations vu la faible charge et les fortes valeurs des capa/self/fréquence). À partir de ça, j'ai calculé les puissances en entrée et en sortie et j'ai calculé le rendement.

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    Avec un boost, on arrive plus aisément à faire un quasi-100% de rapport cyclique car la diode (éventuellement schottky) placée en parallèle du high-side mosfet peut prendre le relais si besoin.
    Sinon, il y a plusieurs solutions :
    - utiliser, comme tu le proposes, un PMOS -- attention alors à ce que les tensions en jeu soient suffisantes pour le commander : Vgs = - Vin ;
    - si tu as une alim 12V de disponible et que ton buck doit laisser passer une tension valant 5V max, alors il suffit de commander le N-mosfet high-side en Vgs=Vg-Vs=12-5 = 7V.
    - utiliser un circuit fabriquant le rail haute-tension sans utiliser le point milieu du convertisseur mais une pompe de charge (par exemple) externe. On doit pouvoir trouver des convertisseurs intégrés en étant capables (j'ai pas trouvé) ; il faut sinon fabriquer cette pompe de charge "à la main", à partir d'un oscillateur et de quelques composants discrets.
    Hum ok. Je testerai avec une pompe externe pour voir.
    En gros, je cherche à réaliser un buck-boost qui puisse fonctionner en buck, en buck-boost ou en boost en fonction de la tension d'entrée.
    Si Vin > 13V on travail en buck (1). Si Vin < 11V, on travail en boost (3). Sinon, en buck-boost (2). (je n'ai pas encore défini les seuls, 11 et 13V, c'est pour l'exemple. Et en plus, j'intégrerai des hystérésis pour les transitions 1->2 / 2->1 et 2->3 / 3->2).
    D'où l'obligation de travailler avec une PWM en 100% pour la partir buck lorsque l'on est en mode boost et PWM 100% pour la partie boost lorsque l'on est en mode buck.

    J'aurai une autre question du coup. Connais-tu un petit CI tout en 1 permettant de générer une PWM de 0 à 100% et de fréquence à 100kHz ou plus commandable en tension ?
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  7. black templar

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    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Petite avancée, j'ai testé la topologie buck-boost.
    5V en entrée, une PWM variant de 20 à 80% et un rendement allant de 70% aux extrêmes à 84% vers un rapport cyclique de 0.45.
    Je retrouve mon problème d'oscillation sur la gate du NMOS de la partie buck, mais je n'ai pas pris le temps de faire attention aux cablages (on verra ce problème d'oscillation lorsque je testerai le montage sur plaque à pastilles).
    J'ai mis des photos des tensions aux quatre gates du pont en H ainsi que la tension de sortie (la tension du haut sur toutes les photos correspond au signal d'entrée envoyé au driver du côté buck (le même signal inversé est envoyé sur la partie boost)).

    Prochaine étape, c'est d'intégrer une pompe externe qui remplacerait la pompe de charge du driver afin de pouvoir atteindre le 100% de rapport cyclique. Ceci me permettra de passer à la partie commande pour configurer mon hacheur en mode buck, buck-boost ou boost.
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  8. black templar

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    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Bon, vu que je n'ai pas pu posté toutes les photos dans le post précédent, voici les deux dernières : le schéma et le montage associé
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  9. Antoane

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    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Bonjour,
    C'est à dire ? J'ai mesuré tension et courant de l'alim 20V ainsi que le courant et la tension au niveau de la charge. Les deux tensions sont continues (je néglige les oscillations vu la faible charge et les fortes valeurs des capa/self/fréquence). À partir de ça, j'ai calculé les puissances en entrée et en sortie et j'ai calculé le rendement.
    1. Lorsque le rendement s'approche de 1, la précision des appareils fait que les barres d'incertitude prennent des tailles folles, et tu te retrouve rapidement à annoncer un rendement dont la valeur mesurée (typique, nominale) vaut 90%, mais avec une marge d'erreur de +/- 5 ou 10 points.
    2. Il y a effectivement le problème de l'ondulation haute fréquence, invisible du point de vue de nombreux appareils. Mais si tu filtres correctement, c'est ok.
    En gros, je cherche à réaliser un buck-boost qui puisse fonctionner en buck, en buck-boost ou en boost en fonction de la tension d'entrée.
    Si Vin > 13V on travail en buck (1). Si Vin < 11V, on travail en boost (3). Sinon, en buck-boost (2). (je n'ai pas encore défini les seuls, 11 et 13V, c'est pour l'exemple. Et en plus, j'intégrerai des hystérésis pour les transitions 1->2 / 2->1 et 2->3 / 3->2).
    D'où l'obligation de travailler avec une PWM en 100% pour la partir buck lorsque l'on est en mode boost et PWM 100% pour la partie boost lorsque l'on est en mode buck.
    La connexion du demi-pont en mode buck et boost ne sera pas la même (Vin au point milieu pour le boost vs. Vout au point milieu pour le buck). De plus, un buck boost peut directement convertir Vin en Vout, quel que soit le ratio Vin/Vout (tant qu'il reste raisonnable).
    Je ne comprend pas tout.

    J'aurai une autre question du coup. Connais-tu un petit CI tout en 1 permettant de générer une PWM de 0 à 100% et de fréquence à 100kHz ou plus commandable en tension ?
    Tu veux pas la régulation intégrée avec (l'ampli d'erreur et la tension de référence) ?
    Un générateur seul : http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/69921234fc.pdf
    Citation Envoyé par LT6992-1
    Pulse-Width Modulation Input. The voltage on the MOD pin controls the output duty cycle. The linear control range is between 0.1•V and 0.9•V (approximately 100mV to 900mV). Beyond those limits, the output will stop oscillating (0% or 100% duty cycle).
    Sinon, les utils de sélection sur les sites des fondeurs aident à rapidement choisir un régulateur. Ex : http://www.linear.com/products/switching_regulator

    Avec un contrôleur plus récent et un routage approprié, tu peux attendre une forte amélioration des performances :
    - augmentation de la vitesse de commutation (diminution des Rg) => diminution des pertes par commutation ;
    - diminution des dead-times => diminution des pertes par commutation ;
    - augmentation de la fréquence de découpage => miniaturisation et diminution attendue des pertes globales ;
    - a priori : amélioration de la dynamique (meilleurs contrôle de Vout).
    Avec un régulateur tout intégré, tu n'as pas besoin de gérer de manière externe la génération du signal PWM : il suffit de renvoyer le Vout au convertisseur pour qu'il génère tous les signaux de commande. Ex. http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3780ff.pdf.
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.
     

  10. black templar

    Date d'inscription
    février 2004
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    669

    Re : Buck avec demi pont en H : deux interogations

    Bonjour,

    Merci pour ta réponse.

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    1. Lorsque le rendement s'approche de 1, la précision des appareils fait que les barres d'incertitude prennent des tailles folles, et tu te retrouve rapidement à annoncer un rendement dont la valeur mesurée (typique, nominale) vaut 90%, mais avec une marge d'erreur de +/- 5 ou 10 points.
    2. Il y a effectivement le problème de l'ondulation haute fréquence, invisible du point de vue de nombreux appareils. Mais si tu filtres correctement, c'est ok.
    Ok. En effet, je ne suis peut-être pas super précis, mais c'était surtout pour avoir un ordre de grandeur (savoir si la topologie, de base a un rendement de 50 - 70 ou 90% en fonction du rapport cyclique).

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    La connexion du demi-pont en mode buck et boost ne sera pas la même (Vin au point milieu pour le boost vs. Vout au point milieu pour le buck). De plus, un buck boost peut directement convertir Vin en Vout, quel que soit le ratio Vin/Vout (tant qu'il reste raisonnable).
    Je ne comprend pas tout.
    Si en mode buck, j'envoie la pwm sur le driver buck et 1 sur le driver boost, j'ai bien Vout au point milieu.
    Si en mode boost, j'envoir la pwm sur le driver boost et 1 sur le driver buck, j'ai bien Vin au point milieu.
    (Moyennant que j'ai une pompe de charge externe pour driver les gates des NMOS du haut en continue).
    En effet le mode buck-boost permet de convertir Vin en Vout quelque soit le ratio, mais le rendement d'un buck-boost est plus faible que le rendement d'un buck ou d'un boost. C'est pourquoi j'aurai souhaité utiliser le buck-boost uniquement lorsque Vin se trouve autour de Vout.

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    Merci pour la référence !

    Citation Envoyé par Antoane Voir le message
    Tu veux pas la régulation intégrée avec (l'ampli d'erreur et la tension de référence) ?
    [...]

    Sinon, les utils de sélection sur les sites des fondeurs aident à rapidement choisir un régulateur. Ex : http://www.linear.com/products/switching_regulator

    Avec un contrôleur plus récent et un routage approprié, tu peux attendre une forte amélioration des performances :
    - augmentation de la vitesse de commutation (diminution des Rg) => diminution des pertes par commutation ;
    - diminution des dead-times => diminution des pertes par commutation ;
    - augmentation de la fréquence de découpage => miniaturisation et diminution attendue des pertes globales ;
    - a priori : amélioration de la dynamique (meilleurs contrôle de Vout).
    Avec un régulateur tout intégré, tu n'as pas besoin de gérer de manière externe la génération du signal PWM : il suffit de renvoyer le Vout au convertisseur pour qu'il génère tous les signaux de commande. Ex. http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3780ff.pdf.
    Oui, un régulateur intégré serait génial ! Pour le moment, je réinvente la roue car j'ai envie de bien saisir le principe de fonctionnement des hacheurs et avoir une idée des problèmes liées (synchronisation des commutations, problèmes inductifs à haute fréquences, etc.).
    Par contre, j'ai tout de même deux contraintes sur le régulateur. Ce serait parfait si je trouve un régulateur qui (1) me permette de commander Vout (je ne veux pas qu'il soit fixé par deux résistances, mais commandable à l'aide d'une tension par exemple pour que je puisse l'interfacer avec un microcontroleur) et qui (2) soit disponible dans un boitier DIP et non seulement en CMS car je n'ai pas les compétences ni les outils pour souder ça (du moins pendant ma phase de test). Je vais faire une petite recherche.

    En tout cas, merci pour ton aide précieuse et tes conseils
    Newton 150/750 sur EQ5 et 1000D non défiltré
     


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