Convertisseur BUCK-BOOST "high voltage"

[LTHOMAS]

Bonjour,

Je me permets de solliciter votre aide, car je suis actuellement entrain de mettre au point un convertisseur buck-boost commandé par microcontrôleur, dans le but de charger différents types de pack de batterie (24-72V, 5A max) et avec une tension d'alimentation pouvant aussi être variable 24-48V. C'est pour cela que le buck-boost est intéressant car il va, selon le cas, être amené à élever ou abaisser la tension de sortie par rapport à la tension d'entrée.

Je suis parti sur une structure à 4 MOSFET full bridge afin de pouvoir obtenir une tension de sortie positive. Lorsqu'un des 2 bras de pont travaille on est en configuration buck, quand l'autre bras de pont travaille on est en configuration boost. Dans chacune des configuration, pour le bras de pont qui ne travaille pas, le transistor "high side" doit être passant. Le logiciel du microcontrôleur se chargera de choisir quel bras de pont utiliser en fonction des tensions d'entrée et de sortie.

J'ai expérimenté la partie puissance (voir schéma ci-dessous), qui fonctionne bien lorsque la fréquence de découpage est basse, mais lorsque la fréquence monte ça se gâte : trop de lenteur dans la commande, les MOSFETS finissent par ne plus commuter...
Le pont en H est constitué de 2 MOSFET N et 2 MOSFET P. Les MOSFET P ont été choisis afin de les laisser continuellement passants dans le cas d'un bras de pont qui ne travaille pas ; je pense que la technique plus conventionnelle avec 4x MOSFET N et un driver avec bootstrap ne fonctionnera pas dans ce cas.

Les drivers de MOS ont été faits maison avec des transistors, c'est là que les fronts montants/descendants des commandes des gates perdent de leur raideur...
J'ai peut qu'il faille passer par des drivers de MOS intégrés pour de meilleures performances, mais savez vous s'il existe des composants qui pourraient bien commander ces MOSFET P, en continu et avec une tension de "mode commun" assez élevée ?

Je n'ai pas beaucoup d'expérience en électronique de puissance, donc je vous remercie par avance pour votre aide et vos conseils

Thomas


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[lutshur]

Bonjour,
Pourquoi T10 est alimenté par le +15V ? En fonctionnement Boost, T13 reçoit 48V sur sa Source, mais seulement 15V sur Gate : POUF !!!
On peut se poser aussi la question pour la partie T14.

[Antoane]

Bonjour,

R30 est inutile car T9 est en collecteur commun. R53 est inutile également, car car T16 est en collecteur commun.

Effectivement, pour pareille application, il est de loin préférable de passer par un driver intégré.

J'ai peut qu'il faille passer par des drivers de MOS intégrés pour de meilleures performances, mais savez vous s'il existe des composants qui pourraient bien commander ces MOSFET P, en continu et avec une tension de "mode commun" assez élevée ?

La solution peut être d'utiliser une alimentation DCDC isolée pour alimenter le driver HS (c'est simple et efficace, mais cher et prend de la place)
On trouve également des drivers avec pompe de charge intégrée.
Une autre technique consiste à utiliser un bootstrap classique, et à commuter le bras "de temps en temps" (e.g. à quelques dizaines/centaines de Hz) pour recharger le C-bootstrap. Celui-ci n'alimente que le driver HS, qui ne consommera en statique qu'une poignée de uA.

[lutshur]

Désolé, mal vu.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Il doit aussi être possible d'alimenter le driver HS de la branche de découpant pas avec la tension sur le drain de l`autre MOSFET HS, ou sur l'alimentation de sont driver. En effet, le potentiel sur des broches et systématiquement supérieur (et à coup sûr: suffisament supérieur) a celui nécéssaire.
Exemple :
en fonctionnement boost pour passer de, Vin à Vout (Vout>Vin), alors il faut fournir un potentiel > Vin + Vg (avec Vg la tension de commande des MOSFET) pour alimenter le driver HS d'entrée qui ne commute pas. Si la tension de sortie Vout estsuffisante, alors on peut s'en servir pour renvoyer sur le driver HS d'entrée un peut d'energie. Sinon, (et de toutes facons) le potentiel de la broche d'alimentation positive du driver HS de sortie atteint Vout + Vg, ce qui est >Vin+Vg et est donc suffisant.

C'est ce qui semble être fait, par exemple, pour le LT8392 https://www.analog.com/media/en/tech...ets/lt8392.pdf :


Sinon, la consommation du driver HS de ce composant (mais on doit pouvoir trouver bien mieux) est de <150 uA, il suffit donc de 15 uF de découplage pour ne devoir commuter la jambe 'innerte' que toutes les ~ 10 ms.
Mais cela entraine des pertes additionelles...

[LTHOMAS]

Merci beaucoup pour vos réponses

1) La solution d'injecter la tension d'un bras de pont sur l'autre ne m'inspire pas trop, je ne vois pas comment faire et si ça pourrait bien fonctionner.

2) La solution à base de LTC7061 est pas mal, de temps en temps faire un cycle à vide pour recharger la capa, pourquoi pas, mais dans la mesure j'aimerais éviter d'interrompre périodiquement le fonctionnement.

3) Je propose une solution qui serait de doubler le driver high side : Le driver 1 commande le MOSFET, le driver 2 ne gère que le bootstrap (on injecte sur son entrée un signal carré), on alimente le bootstrap du driver 1 avec la tension du driver 2 (pas de capa bootstrap sur le driver 1 du coup). Cette solution est plus couteuse aussi...

4) Je propose aussi une solution à base de driver classique (ex : TC4420) alimenté via une alimentation "flottante" VCC - 15V, voir schéma ci-dessous. Je n'ai pas trouvé de solution pour le pilottage de l'entrée HL, il faudrait un level shifter, très rapide du coup et "haute tension".

Que pensez-vous de ces solutions ? Merci

Pièce jointe 453398

Pièce jointe 453399

[Antoane]

Bonsoir,

tes PJ ne sont pas passées, peux-tu les reposter ?

[LTHOMAS]

Oui désolé je ne sais pas ce qui s'est passé

schema2.PNG

tc.PNG

[Antoane]

Bonjour,

1) La solution d'injecter la tension d'un bras de pont sur l'autre ne m'inspire pas trop, je ne vois pas comment faire et si ça pourrait bien fonctionner.

Le prinipe de base serait celui-ci :
fs55.jpg
Avec le fichier de simulation associé : fs54.asc
Il faudrait r´fléchir un peu et faire de la biblio pour optimier, mais l'idée est là : pour les raisons expliquées précédemment, le potentiel sur la broche BOOST de U1 est nécéssairement suffisante pour alimenter le driver HS de U2. Du coup, il suffit de récupérer un peu de l´énergie contenue dans le condensateur de bootstrap de U1 pour la transférer à celui de U2 au travers de la diode D3. Il faut par ailleurs ajouter un circuit de limitation de tension pour ne pas sur-alimenter le driver HS de U2 (alors même que le potentiel de la broche BOOST de U1 peut atteindre des valeurs très élevés a priori), ce qui est ici fait avec un petit régulateur série.

2) La solution à base de LTC7061 est pas mal, de temps en temps faire un cycle à vide pour recharger la capa, pourquoi pas, mais dans la mesure j'aimerais éviter d'interrompre périodiquement le fonctionnement.

Cela n'interrompt pas le fonctionnement, cela se traduit juste par une tension d'entrée légèrement plus faible (en fonctionnement boost) puisque le rapport cycleque du pont d'entrée n'est plus de 1 mais de 99.9 %.

3) Je propose une solution qui serait de doubler le driver high side : Le driver 1 commande le MOSFET, le driver 2 ne gère que le bootstrap (on injecte sur son entrée un signal carré), on alimente le bootstrap du driver 1 avec la tension du driver 2 (pas de capa bootstrap sur le driver 1 du coup). Cette solution est plus couteuse aussi...

Je ne suis pas sûr de comprendre, mais cela ressemble à une pompe de charge, qui serait effectivement fonctionnelle (c'est ce qu'on trouve dans les switch High-sides pas prévus pour commuter souvent, par exemple : https://www.analog.com/media/en/tech...ts/ltc7004.pdf). Peux-tu faire un schéma complet de ce que tu as en tête ?

4) Je propose aussi une solution à base de driver classique (ex : TC4420) alimenté via une alimentation "flottante" VCC - 15V, voir schéma ci-dessous. Je n'ai pas trouvé de solution pour le pilottage de l'entrée HL, il faudrait un level shifter, très rapide du coup et "haute tension".

Par exemple. l'inconvéniant est que celà impose l'utilisation de PMOSFET en HS. On trouve également des drivers pour celà.

[LTHOMAS]

Pour info j'ai au final trouvé le composant qui répond au besoin, le LTC7001, permet de commander le N-MOSFET en permanence (il gère le bootstrap lui même, pas besoin de la PWM) et permet d'aller jusqu'à 150V.