MOSFET N dans un convertisseur Buck-Boost bi-directionnel

[Gaspard04]

Bonjour à tous,

Je suis en train de me pencher sur la réalisation d'un convertisseur Buck-Boost bidirectionnel. A la lecture de plusieurs articles scientifiques je suis tombé à plusieurs reprises sur ce schéma.
téléchargement.png (https://www.researchgate.net/publica...s/figures?lo=1)

ou
Image1.png
(https://uwspace.uwaterloo.ca/bitstre...80D?sequence=1)

J'ai fait des simulations sur PSIM avec une petite régulation PWM en intensité qui me donne des résultats satisfaisants.
psim.JPG


La question que je me pose est dans le choix des MOSFETS de type N pour la réalisation pratique. Comment alimenter le MOSFET 1 (image juste au dessus) pour qu'il devienne passant? En effet la patte n°3 (Source) a un potentiel variable n'étant pas reliée à la terre, je ne comprends pas comment on pourrait avoir une tension Grille-Source >5V...

Pour en avoir le coeur net j'ai quand même fait la réalisation du montage pratique (celle du deuxième montage).
29196903_10213762029959013_8201646338438332416_o.jpg

Mais mes Mosfets (reférence IPP12CN10L G) ont grillé...

Merci pour votre aide !

Gaspard
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[Antoane]

Bonjour,

Avec le schéma : http://forums.futura-sciences.com/at...chargement.png :
Pour rendre passant le N-MOSFET "high-side", il faut pouvoir porter sa grille à un potentiel supérieur à Vi. C'est (entre autre) le travail du driver : faire la conversion entre un signal de commande logique (e.g. 0/5 V) en un signal de commande Vsw / (Vsw+Vi).
Il existe plusieurs méthodes pour créer le potentiel de grille supérieur à Vi, les principales étant :
- montage bootstrap ;
- alimentation isolée (type traco) ;
- transformateur d'impulsion.

Le plus simple et plus utilisé en faible puissance est probablement le montage bootstrap. Le principe est celui de la pompe de charge : charger un condensateur à la tension Vi à travers une diode de bootstrap pendant que le low-side est passant, puis translater cette tension entre Vsw et un point qui se retrouvera, du coup, à un potentiel Vsw + Vi.
https://www.fairchildsemi.com/applic...AN/AN-6076.pdf
Plus généralement : http://www.ti.com/lit/ml/slua618/slua618.pdf

On trouve des drivers intégrés chez "tous" les fondeurs, il sintègrent généralement la commande des deux transistors du bras :
https://para.maximintegrated.com/en/...os&tree=master
http://www.linear.com/parametric/hig...mosfet_drivers
etc.


> http://forums.futura-sciences.com/at...nel-image1.png
L2 n'est, topologiquement, pas nécessaire.

> http://forums.futura-sciences.com/at...onnel-psim.jpg
Deux des transistors court-circuitent directement les sources d'alim

[Gaspard04]

Bonjour Antoane,

Un grand merci pour ta réponse sur les différentes techniques d'un MOSFET N "high-side".

En parcourant tous ces nouveaux mots-clés ("bootstrap"...) je suis tombé sur ce sujet de forum: https://electronics.stackexchange.co...buck-converter

Il propose également le remplacement du Mosfet N "high side" par un Mosfet P. Compte-tenu des puissances de mon convertisseur (10 A/120W), quelle option me conseilles-tu ? Bootstrap ou autres techniques que tu mentionnais ou Mosfet P ?

Pour ce qui est de l'image de simulation où les transistors court-circuitent directement la source je n'avais effectivement pas mis la capture d'écran de la bonne version.
Le schéma qui fonctionnait bien est le suivant

Gaspard

[Antoane]

Bonjour,

d'une manière générale, les PMOS sont moins bons que les N-MOS (en particulier en raison du différence de mobilité des trous vs. celle des électrons), c'est pourquoi on cherche à les éviter. Néanmoins, ils permettent parfois de simplifier un design, en évitant de devoir créer un rail d'alimentation excédant Vi. La commande n'est pas triviale pour autant car il ne suffit pas de donner le même signal de commande au N- et au P- mosfets constituant un bras (comme on le fait pour un inverseur logic CMOS ) : le moment pendant lequel les deux transistors sont partiellement (voire pleinement) passants engendre des pertes trop importantes (par "cross-conduction"). L'utilisation d'un PMOS impose donc quand même l'usage d'un driver :
- gérant les temps morts ente les commandes ;
- capable d'envoyer le courant nécessaire pour avoir des commutations rapide, à faible pertes.

Avec V° la tension de commande (en valeur absolue) du mosfet (généralement de l'ordre de 5 à 10, voire 15, voire 20 V - parfois beaucoup moins).
De plus, pour commander le PMOS high-side, il faudra appliquer une tension Vi ou Vi-V° sur sa grille ; alors :
- Si Vi est inférieur à V°, il faudra appliquer une tension négative (par rapport à la masse) sur la grille ce qui n'est pas trivial (il faut un bootstrap 'inversé' ou assimilable).
- Si Vi ~V°, il suffira de commander le PMOS, comme le NMOS, entre 0 et Vi -- c'est le plus simple
- Si Vi >> V°, il ne sera pas possible de commander la grille du PMOS avec 0/Vi, il faudra ajouter un rail intermédiaire. Rien d'impossible, mais pas nécessairement évident.
C'est pourquoi le montage à PMOS/NMOS est plutôt réservé aux bucks fonctionnant avec des Vi entre 5 et 15 V environ.

Un dernier point : le bootstrap ne fonctionne pas si le rapport cyclique est de 100 %, il y a une limite haute (e.g. 95 %), sans quoi le condensateur de bootstrap se décharge peu à peu et le high-side ne peut rester passant. Ca peut être problématique dans certaines applications spécifiques.



Bref : a priori, il faut, de toute façon, un driver. Les drivers de demi-pont employant deux NMOS et prévus pour fonctionner avec un bootstrap sont les plus répandus et les plus performants donc, sauf si tu as une bonne raison de faire autrement : il n'y a - à mon sens - pas à hésiter.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Le schéma qui fonctionnait bien est le suivant Pièce jointe 362370

J'imagine qu'il y a une bonne raison à la présence de tous ces composants, mais avec un pont en H (i.e. deux demi-pont, i.e. deux cellules de commutations, i.e. 4 transistors) et une unique inductance (et deux capa de découplage/filtrage), tu peux transférer de l'énergie d'une source de tension à une autre, indépendamment de laquelle fournie la plus grande tension.

http://cds.linear.com/docs/en/design-note/dn499.pdf
http://www.eenewspower.com/content/f...iency/page/0/4

[Gaspard04]

Bonjour Antoane,

Merci de ces précieuses précisions sur le Mosfet-P.

Pour ce qui est du schéma dont tu parles dans ton dernier message, je me suis appuyé sur une thèse qui préconisait le montage suivant:
Image1.png

Pour moi les composants L1 et C1 sont indispensables pour effectuer le filtrage de la source de tension. En revanche j'ai des doutes sur l'utilité de C2 et L2 qui me semblent topologiquement inutiles.
Pour que tu comprennes bien:
PSIM3.png
Le but est d'interconnecter deux batteries pour que l'une recharge l'autre si jamais elle est plus chargée.
Si j'enlève L2, la simulation fonctionne bien. En revanche avec C2 les résultats divergent. C2 servirait donc à créer "une source de tension" localement en sortie de convertisseur avant le transfert dans la ligne DC ?

D'ailleurs si tu as une idée de pourquoi mes Mosfets-N (même mal alimenté) ont cramé alors qu'il y avait les inductances et bobines dans le circuit...
datasheet: https://www.mouser.fr/ds/2/196/IPP12...1.03-70710.pdf

[Antoane]

Bonsoir,

l'un des principes de l'électronique de puissance est qu'on peut connecter une source de tension avec une source de courant, mais jamais deux source de courant en série ou deux sources tension en parallèle, sans quoi il se passe des choses bizarres : les deux sources essayent de fixer le potentiel d'un noeud (ou le courant dans un fil).
Sachant qu'une inductance est modélisable par une source de courant et une capa par une source de tension.

A partir de :
[mgI]http://forums.futura-sciences.com/attachments/electronique/362463d1521207593-mosfet-n-un-convertisseur-buck-boost-bi-directionnel-image1.png[/Img]
Si V1 et V2 étaient idéales, il serait inutile de les filtrer et C1, C2 et L2 seraient superflues.
L1 demeurerait cependant indispensable pour éviter que la cellule de commutation ne mette directement V1 et V2 en parallèle. Cela donne alors le schéma de principe du boost (vu de Vin=V1 vers Vout=V2) ou du buck (dans l'autre sens).

V2 n'étant pas idéale, il convient de la filtrer, on ajoute donc L2 et C2 pour cela :
- L2 seule ne suffit pas : il faut fournir à la cellule de commutation une source de tension, sans quoi on se retrouve à connecter L1 et L2 en série ce qui n'est pas acceptable (cf. l'introduction de ce message).
- C2 seul ne suffit pas : cela reviendrait à connecter en parallèle deux sources de tension, ce qui n'est pas acceptable (cf. l'introduction de ce message).
Donc il faut L2 et C2.

V1 n'étant pas idéale, il convient de la filtrer. Il serait raisonnable de reprendre l'exacte même raisonnement que pour V2 mais ce n'est apparemment pas ce qui a été choisi par le docteur. Il s'est permis de se passer d'inductance de couplage (l'équivalent de L2)
car il a supposé que :
- l'inductance parasite du câblage entre V1 et C1 suffirait ;
- C1 est de suffisamment faible valeur pour ne pas poser de problème ;
- un filtrage proprement du 2e ordre n'était pas indispensable.

Mais clairement il y a des choses qui ne sont pas montrées sur ce schéma puisque V1 et V2 ne sont pas traitées de la même manière.



Plus généralement : mieux vaut éviter les thèses, sauf si tu cherches vraiment à être au top de l'état de l'art de la cherche académique, car tu n'as aucune idée des compétences réelles de l'auteur. Préférer les note d'application, de design, etc.