Projet: Création d'un driver flyback de MOS high side

[Crashaan]

Bonjour,

Je me lance dans un projet personnel, sur la création d'un driver de MOSFET N high side réaliser autour d'un flyback afin d'étudier et de comprendre le montage flyback.

Voici mes données d'entrée :

tension d'entrée Ve = 9V < Ve < 16V.
tension de sortie Vs = 12V.

Pour le reste, au niveau de ma puissance de sortie, Je souhaiterais mettre une diode zener sur le secondaire pour réguler ma tension de sortie à 12V. D'après la datasheet de ma zener, la tension de 12V à ses bornes est assurée lorsqu'un courant de 5mA la traverse. Le courant dans ma charge qui sera pour le moment une résistance de 100K est de : 12/100K = 120µA.
Le courant dans mon secondaire sera donc de 5,1mA soit une puissance de sortie de 61,2mW.

Comme la puissance est faible, je vais opter pour une conduction en discontinue.

Je dois maintenant fixer une fréquence de découpage et la ça coince ...
Suivant la fréquence que je vais choisir, cela modifiera la valeur de mon inductance au primaire et au secondaire. Hors lorsque je regarde ce qui existe, je trouve surtout des petits transformateurs d'inductance couplée avec le Lprimaire = Lsecondaire.

Le rapport primaire/secondaire m vaut donc 1.
D'après le fonctionnement d'une flyback en conduction discontinue, le rapport cyclique doit être inférieur à 45% afin de décharger complètement l'énergie de l'inductance dans le secondaire lorsque ma tension d'alimentation est au plus bas.

Seulement, en suivant le calcule suivant : (Vmin / (Vout + Vf) x (a / (1 - a) = m. Je connais tous les termes et Vf = 1V donc je peux en déduire a, je trouve a = 56% ce qui est trop élevé pour de la conduction discontinue.

- Pour mon application, et avec les composants que je trouve sur le marché, la conduction discontinue est-elle impossible ? Ou alors cela implique-t-il obligatoirement d'avoir une inductance au primaire différente de l'inductance au secondaire ?

Merci d'avance pour vos réponses, je compte faire le détail complet de mon projet sur le forum, cela pourra j'espère en aider quelques-uns =)
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[Antoane]

Bonjour,

Le DCM est "intéressant" lorsque le courant de sortie est << au courant nominal, mais même si ton convertisseur est prévu pour un faible courant de sortie, je le ferais en CCM, en particulier pour profiter de la linéarité.

On trouve des zeners demandant bien moins de 5 mA -- voire du côté des références de tension (eg TL431).
Pourquoi utiliser une régulation parallèle plutôt que série ?
Pourquoi ajouter un étage de régulation linéaire là où le flyback est déjà régulé ?

Le bobinage dùn transformateur de flyback n'est pas trivial (minimisation de l'inductance de fuite), mais étant donné ton niveau de puissance, tu peux aussi t'atteler

Quel controleur vas-tu utiliser ?

Le courant dans ma charge qui sera pour le moment une résistance de 100K est de : 12/100K = 120µA.

Est-ce la résistance "équivalente" du driver alimenté ? Prends-tu en compte la consommation due aux commutations ?

[Crashaan]

Réponse à moi-même,

Je suis allé trop vite sur le calcul du rapport cylique, la formule que j'ai utilisée est une formule qui est utilisée pour des calculs en conduction continue ...
j'ai donc refait mes calculs pour la conduction discontinue en utilisant la bonne relation tension sortie / tension d'entrée.

Vs/Ve= (Ve * a² * T) / (2 * L1 * Is).

Je connais tous les termes sauf T, je pars sur le principe que je vais utiliser une inductance au primaire d'1mH et un rapport cyclique à VEmin de 45%.

Je calcule donc F = 1/T = ((VS/VE) * 2 * L1 * Is) / (Ve * a²).
J'obtient F = 104,16 KHz.

je réalise le schéma sur LTSpice, je mets une capacité au secondaire au pifomètre à 100nF et je mets mon inductance secondaire à 1mH.
Résultat : Sa marche, j'obtiens bien 12V.

j'ai refait l'exercice en supprimant la zener et en redimensionnant la charge pour avoir le même niveau de puissance en sortie et j'obtiens encore une fois la même chose.

Maintenant, je souhaiterais être un peu plus précis. C'est-à-dire, dimensionné correctement le condensateur au secondaire pour avoir les variations sur Vout les plus faibles possible et dimensionné aussi correctement L2. Je souhaiterais aussi vérifier les valeurs de VDS de mon transistor de commande de L1 et la tension max sur D au secondaire.

Ce que je souhaiterais savoir est quelle est l'impact de L2 ? pour moi L2 n'influence que sur le rapport n2/n1 est donc sur les valeurs des surtensions aux bornes de D et du transistor de commande de L1. Est-ce correct ?

[Crashaan]

Antoane,

J'ai mis tellement longtemps à écrire mon précédent message que j'avais pas vue ta réponse.

Zener choisie au pif, tout comme ma charge juste pour comprendre le principe de la flyback.

Pourquoi ajouter un étage de régulation linéaire là où le flyback est déjà régulé ?

Simple protection "au cas ou", et parallèle ou série, sa je ne sais pas, j'ai juste pris une zener "comme ça".

Pour ma charge, actuellement ce que n'est qu'une valeur test pour simplifier ma compréhension de la flyback. Ensuite je rajouterais le MOS à commander et donc je regarderai l'influence du condensateur grill/source.

ensuite j'avoue que pour l'histoire de la différence en DCM et CCM, j'ai juste lu que c'était lié aux puissances et que les autres raisons me sont encore obscure.

Contrôleur, pour générer ma PWM ? soit 555 ou µC, sinon je ne comprend pas ce que tu veux dire par contrôleur =/

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

> Contrôleur, pour générer ma PWM ? soit 555 ou µC, sinon je ne comprend pas ce que tu veux dire par contrôleur =/
Le contrôleur est le composant qui va générer le PWM et asservir le rapport cyclique pour maintenir la tension de sortie constante.
Si 555 alors il est beaucoup plus complexe de créer un asservissement... C'est faisable en discret, mais une solution peut aussi consister à travailler à rapport cyclique constant (calibré pour avoir suffisament de tensionde sortie lorsque la tension d'entrée est minimale) et à utiliser la post-régulation linéaire. C'est très moche, mais pour une faible puissance, pour un courant de sortie relativement constant (il ne faut pas passer en DCM pour rester linéaire) et pour une gamme de tension d`entrée pas trop large... pourquoi pas.
Si PWM alors il est possible d`intéger le circuit de régulation complet (e.g. contrôleur PI) dans le MCU.

[Crashaan]

D'accord, dans ce cas, la boucle d'asservissement ne sera pas pour le moment mise en place, je vais travailler en tension Ve unique à 9V et donc avec un rapport cyclique constant pour commencer.

[Crashaan]

Je vais d'ailleurs m'arrêter la pour aujourd'hui, je reprendrais plus tard.

Au final, j'arrive à générer mon 12V comme souhaité, j'ai cependant une interrogation, lors de ma charge du condensateur du secondaire, c'est à dire tant que mon 12V en vout n'est pas instauré, l'énergie dans mon transformateur n'a pas le temps d'être tirée complétement et je me retrouve avec des formes d'ondes de courant qui me fait penser à la conduction continue.
Une fois le condensateur du secondaire chargé, les formes d'ondes des courants dans le transformateur ressemblent à de la conduction discontinue.

comment puis-je mettre ce phénomène en équation ?

[Crashaan]

Bonjour,

J'ai poursuivi mon étude de ma flyback.
Après avoir réussi à créer mon 12 V, je souhaite maintenant calculer l'ondulation de ma tension, le temps de descente à 0.1V de mon condensateur une fois l'arrêt de ma commande et le temps d'établissements de 12V après la mise en route de ma PWM quand le condensateur est totalement déchargé.
Je rappelle mes données d'entrée car j'en ai modifié une;

Ve = 9V,
Vout = 12V,
Rout = 2000 Ohm,
Pout = 72mW,
iout = 6mA.
L1 = L2 = 1mH.
F = 100Khz.

J'ai calculé mon rapport cyclique α = 42,16%
Quand je simule le circuit, tout va bien, j'ai bien 12V sur ma charge.

Je suis parvenue à déterminer l'ondulation de ma tension sur ma charge grâce à la formule suivante :
j'ai d'abord calculer δ = Ve/Vs ×n2/n1 × α qui représente le temps mort après la phase de décharge du courant dans mon secondaire δT < t < T.
Le temps où c'est le condensateur du secondaire qui fournit l'énergie à la charge vaut donc δT + αT.
J'en déduis alors l'ondulation : ΔVs=Vs-Vs × e^(-T/τ)
Avec τ = 100nF * 2000 = 200µs et T = δT + αT
l'ondulation vaut donc avec mes données 434,652mV, je simule et je valide, en simulation je mesure, 400,2mV. à la précision prés de mes calculs: sa passe.

J'ai ensuite calculé le temps de décharge à 0.1V de mon condensateur lors de l'arrêt de la PWM:
Vs(t)=Vs × e^(-T/τ) => -τ ×ln((Vs(t))/Vs)=T, je remplace et je trouve 957.5µs, je simule et je mesure 954,6µs: sa passe.

Maintenant je bloque au calcul du temps que met mon condensateur à se charger après la mise en route de la PWM (Vout =0V) et avoir ma tension en sortie de 12V.

Quelqu'un pourrait-il me donner une piste svp ?

Merci d'avance !

[Crashaan]

Bonjour,

J'ai poursuivi mon projet, j'ai rajouté un étage totem pole sur le coté de la charge de la flyback pour pouvoir commander le raccordement au mieux la charge à ma flyback (ma charge final sera raccorder entre les drains des deux MOS et la masse.

J'ai un soucis au niveau de la commutation de mes charges, j'ai ma tension de sortie de flyback qui s'écroule. Je pense que cela est du au changement de ma charge après la commutation de mon montage totem pole qui varie et demande un courant plus important.

J'ai rajouter le schéma ainsi que le résultat de ma simulation en PJ.

Y a t'il un moyen de réduire cette chute de tension lors de la commutation des mosfets ?

[Antoane]

Bonjour,

le schéma de ton circuit au secondaire est relativement étrange... Si on le redessine de manière plus "compréhensible", on trouve :

Le problème vient probablement de la cross-conduction lors de la commutation du demi-pont de sortie : pendant que la tension de commande des deux transistors passe de 0 à 12 V (ou inversement), elle prend transitoirement des valeurs permettant aux deux MOSFET de conduire simultanément, entrainant la circulation d'un courant déchargeant le condensateur de filtrage (dont la capacité est faible).
Ce phénomène est accentué par la faible Ron des MOSFET, et par le faible vitesse de commutation du ciruit (due aux fortes résistances R3-R5 de mon schéma).
La solution serait d'insérer un temps mort entre les commandes des MOSFET, ou d'utiliser un driver intégré.

D'accord, dans ce cas, la boucle d'asservissement ne sera pas pour le moment mise en place, je vais travailler en tension Ve unique à 9V et donc avec un rapport cyclique constant pour commencer.

EN DCM, le rapport cyclique dépend de moultes paramètres, par seulement du ratio Vout/Vin.

Au final, j'arrive à générer mon 12V comme souhaité, j'ai cependant une interrogation, lors de ma charge du condensateur du secondaire, c'est à dire tant que mon 12V en vout n'est pas instauré, l'énergie dans mon transformateur n'a pas le temps d'être tirée complétement et je me retrouve avec des formes d'ondes de courant qui me fait penser à la conduction continue.
Une fois le condensateur du secondaire chargé, les formes d'ondes des courants dans le transformateur ressemblent à de la conduction discontinue.

comment puis-je mettre ce phénomène en équation ?

Je ne suis pas sûr de conprendre le problème : CCM et DCM sont régit par des équations différentes, et la limite entre les deux est connue et dépend non seulement du design, mais aussi des conditions de test.

[Crashaan]

Bonjour Antoane,

Quand j'active ma PWM sur mon primaire, j'obtiens les signaux de courant dans le primaire et le secondaire suivant :



Au début, je trouve que cela ressemble à du CCM car le courant n'a pas le temps de s'annulé, c'est normal ?

Comment je peut insérer un temps mort dans la commande des MOS ? Je commande le tout en même temps après avoir ma tension de flyback stabilisé à 12V. Je ne souhaite pas utilisé la solution d'un driver.

Je pensais à gonfler la tension de sortie de ma flyback pour essayer de supporter le changement de charge lors de la commutation ...

[Antoane]

Bonjour,

Quand j'active ma PWM sur mon primaire, j'obtiens les signaux de courant dans le primaire et le secondaire suivant :

Pièce jointe 454192

Au début, je trouve que cela ressemble à du CCM car le courant n'a pas le temps de s'annulé, c'est normal ?

C'est effectivement du CCM.
Pendant le ton, le ΔI est constant, puisque fonction de ton, Vin, et L. Or, pendant le toff, le ΔI dépend de divers paramètres, et en particulier ΔI est est proportionnel à Vout.
Par conséquent, au démarrage, lorsque Vout est faible, le courant n'a pas le temps de retourner à zéro, d'ou le fonctionnement en CCM.

Je pensais à gonfler la tension de sortie de ma flyback pour essayer de supporter le changement de charge lors de la commutation ...

Mauvaise idée : cette tension est fixée par les besoin du MOSFET de puissance commadé par le driver. De plus, cela va augmenter la cross-conduction.
La mauvaise solution consisterait à augmenter le condensateur de filtrage, la bonne à accélérer les commutations (diminution de l'impédance de commande des mosfets) et à ajouter un peu de temps-morts (par exemple avec des résistances de grille on et off différentes pour la charge et la décharge de la capacité de grille. Voir par exemple fig. 12, mais aussi le reste du document).