Contrôleur de courant

[Spelcz]

Bonjour,
J’ai besoin de réaliser un contrôleur de courant afin de piloter avec une très grande précision un système Peltier pour faire de la thermorégulation.
J’ai élaboré une petite architecture, mais j’aimerais avoir une critique objective.
La tension maximale est de 19 V et le courant maximal de 5 A.
J’ai une carte de contrôle principale qui envoie une consigne en UART à un microcontrôleur dédié. Le microcontrôleur envoie un signal PWM vers deux demi-ponts en H, à une fréquence maximale de 100 kHz. J’utilise un pont en H pour pouvoir inverser le courant, c’est donc un contrôleur de courant bidirectionnel.
Après le pont en H, j’ai une inductance pour lisser le courant. Ensuite, j’ai une résistance shunt de mesure. Je mesure le courant à ses bornes et renvoie la mesure, amplifiée sous forme de signal analogique, au microcontrôleur.
Le microcontrôleur compare la mesure et la consigne, puis adapte le PWM via un correcteur PI afin de maintenir le contrôle du courant.
J’ai donc une boucle d’asservissement numérique du courant très rapide, avec une consigne fournie par un contrôleur général plus lent.
J’aimerais avoir une critique du système, est-ce plutôt une bonne pratique ? Vaut-il mieux tout passer en analogique ?
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[Antoane]

Bonjour,

Ca dépend de ce qu'on entends par "très grande précision", mais a priori l'approche est la bonne. On aurait pu utiliser un régulateur linéaire, mais aujourd'hui ca ne se justifie a priori plus tellement.
Quelques remarques :
- Contrôle : a priori tu as deux boucles imbriquées : boucle externe pour la régulation de la température, boucle interne pour le contrôle du courant
- PWM : on pourrait a priori considérer ne commander en PWM qu'une seule branche du pont en H, l'autre étant maintenue dans un état ou l'autre suivant la polarité de la sortie. Les contrôleurs intégrés commandent cependant le pont en complète opposition - j'imagine pour éviter les transitoires lorsque la polarité change.
- Filtrage : a priori tu utiliserais un filtre plus efficace qu'une simple inductance - au moins un LC. Un par sortie du pont en H aidera.
- Mesure du courant : préférer un positionnement de la résistance shunt avec peu de mode commun (du moins dynamique)

On trouve des solutions intégrées et une littérature assez abondante, voir par exemple :
https://www.analog.com/en/parametric...C%20Controller
en particulier https://www.analog.com/en/resources/...er-device.html pour une régulation linéaire du courant (4A - 15V)
https://www.analog.com/media/en/tech...notes/an89.pdf (2001)
https://www.analog.com/en/resources/...er-device.html (2024) - voir aussi les références en bas de page, qui donnent une analyse du contrôle.

TI propose de référencer le TEC au Vin et d'utiliser un buck-boost : https://www.ti.com/lit/an/snvaa70/snvaa70.pdf



Si tu as un schéma complet, on pourra le commenter.

[Spelcz]

Alors, très grande précision, il s’agit d’une régulation à ±0,02 °C en relatif.
Oui, j’ai d’abord exploré les solutions existantes, soit on trouve des cartes toutes faites mais trop chères, soit elles sont prévues pour de la basse puissance.
J’ai besoin d’au moins 80 W de puissance.
D’autant que les modules Peltier sont assez fourbes, car leur résistance interne varie énormément en fonction de la température et du delta entre les deux faces c'est pour ça que j'ai 19v et 5A.
Actuellement, je régule une température entre 20 °C et 90 °C.
Pour un filtre LC, c’est compliqué, car au moment d’inverser le courant, je dois laisser les condensateurs se décharger avant de les recharger. Ce n’est clairement pas idéal lors d’une régulation proche de l’ambiante, où je vais alterner chaud et froid.
Il semblerait qu’un filtrage plus important ne soit pas nécessaire, au vu de la réactivité thermique du Peltier. La réponse thermique sera linéaire.
Je suis encore dans les calculs, surtout au niveau des pertes thermiques, tout en minimisant le ripple de l’inductance.
Je pense passer à 50 kHz pour minimiser les pertes dans le gate, et je vise un rendement d’au moins 90 %.
Quand j’aurai un schéma, je vous transmettrai tout ça. Merci beaucoup pour votre retour.
Si vous avez encore des critiques, je suis preneur, car je ne suis vraiment pas sûr de moi.

[Antoane]

Bonjour,

Pour un filtre LC, c’est compliqué, car au moment d’inverser le courant, je dois laisser les condensateurs se décharger avant de les recharger.

Je ne vois pas pourquoi... L'une des branches crée une tension (moyenne) de Vcc*a, l'autre une tension de Vcc*(1-a), soit une tension sur le TEC de Vcc*(1-2a), qui tourne autour de 0 pour a~50% -- avec a le rapport cyclique.

Il semblerait qu’un filtrage plus important ne soit pas nécessaire, au vu de la réactivité thermique du Peltier. La réponse thermique sera linéaire.
Je suis encore dans les calculs, surtout au niveau des pertes thermiques, tout en minimisant le ripple de l’inductance.

C'est contradictoire : l'avantage du LC est de filtrer mieux (ie. pour moins cher en termes de prix, taille, et rendement) qu'avec une simple L.

Je pense passer à 50 kHz pour minimiser les pertes dans le gate, et je vise un rendement d’au moins 90 %.

Ca semble très faisable.

Il semblerait qu’un filtrage plus important ne soit pas nécessaire, au vu de la réactivité thermique du Peltier. La réponse thermique sera linéaire.

Ca semble raisonnable, et pourtant tu vois que les app notes tendent à montrer un double LC (du moins dès qu'on a un PWM).

C'est aussi une question du niveau de dévelopment que tu veux avoir : tu as aussi par exemple l'app note de chez TI donnée plus haut, qui se contente d'un "general purpose" buck-boost IC controlé par un MCU+DAC

[A voir en vidéo sur Futura]

[Spelcz]

Je ne vois pas pourquoi... L'une des branches crée une tension (moyenne) de Vcc*a, l'autre une tension de Vcc*(1-a), soit une tension sur le TEC de Vcc*(1-2a), qui tourne autour de 0 pour a~50% -- avec a le rapport cyclique.

J'utilise les demi-ponts en mode sign-magnitude, il n'y a qu'un seul bras qui commute à 50 kHz à la fois, l'autre reste statique. Cela limite principalement les pertes thermiques. Ce que tu décris correspond au mode locked anti-phase.

C'est contradictoire : l'avantage du LC est de filtrer mieux (ie. pour moins cher en termes de prix, taille, et rendement) qu'avec une simple L.

C'est bon, je suis convaincu, je vais ajouter des condensateurs sur les deux bras et les dimensionner pour qu'ils se déchargent avant inversion, cela ne prend que quelques µs.
Je vais garder une seule inductance, car vu la puissance, elle est déjà très grosse.
Un de mes problèmes était la mesure du courant, à cause de l'ondulation (ripple), il pouvait fortement varier et donc être faussé. Grâce au MCU, je peux la synchroniser avec les points milieux des phases ON et OFF du PWM.
Je vais faire le shema et le poster merci encore.

[Antoane]

J'utilise les demi-ponts en mode sign-magnitude, il n'y a qu'un seul bras qui commute à 50 kHz à la fois, l'autre reste statique. Cela limite principalement les pertes thermiques. Ce que tu décris correspond au mode locked anti-phase.

Ok, c'est effectivement en ligne avec ce que j'indiquais en #2.
Tu as pu voir dans le lien de chez AD par exemple qu'on trouve des solutions int´grées ou une branche est commandée en source de courant linéaire tandis que l'autre sert de prérégulateur à découpage pour limiter la tension perdue dans le régulateur linéaire. Ce qui au passage évite les problèmes lors du changement de signe de V(TEC).

C'est bon, je suis convaincu, je vais ajouter des condensateurs sur les deux bras et les dimensionner pour qu'ils se déchargent avant inversion, cela ne prend que quelques µs.
Je vais garder une seule inductance, car vu la puissance, elle est déjà très grosse.

Si une seule branche est en PWM, seule celle-ci devrait être filtrée LC.
A voir en fonction des contraintes de l'application... mais avec un demi-pont intégré GaN, tu commutes sans problème à 200 - 500 kHz, avec 95% de rendement... Voir chez EPC (eg https://epc-co.com/epc/products/gan-...nd-ics/epc2152) ou, en plus simple à utiliser, chez TI (eg. www.ti.com/product/LMG5200).
A voir quelle résolution ton MCU offre pour un PWM à cette fréquence... mais là encore, on peut confier le job à un IC dédié.

cela ne prend que quelques µs.

Disons une vingtaines de Tsw, soit ~20/fsw ~ 400us sous 50kHz

Un de mes problèmes était la mesure du courant, à cause de l'ondulation (ripple), il pouvait fortement varier et donc être faussé. Grâce au MCU, je peux la synchroniser avec les points milieux des phases ON et OFF du PWM.

Certes, mais a priori tu auras un bon filtrage en aval du LC.

[Spelcz]

Si une seule branche est en PWM, seule celle-ci devrait être filtrée LC.
A voir en fonction des contraintes de l'application... mais avec un demi-pont intégré GaN, tu commutes sans problème à 200 - 500 kHz, avec 95% de rendement... Voir chez EPC (eg https://epc-co.com/epc/products/gan-...nd-ics/epc2152) ou, en plus simple à utiliser, chez TI (eg. www.ti.com/product/LMG5200).
A voir quelle résolution ton MCU offre pour un PWM à cette fréquence... mais là encore, on peut confier le job à un IC dédié.

Pas exactement, une seule branche est en PWM à la fois. Quand je chauffe, c’est la branche A, et quand je refroidis, c’est la branche B.
Oui, les demi-ponts GaN sont le top du top, mais ils semblent demander des compétences avancées en routage. Le LMG5200 me plaît beaucoup, mais mon problème, c’est ma capacité à router proprement du GaN, l’alimenter en 5 V, et très certainement devoir passer sur un PCB 4 couches. L’augmentation du prix avec ce composant n’est pas négligeable. Moi, j’étais plutôt parti sur le DRV8145-Q1 de chez TI.
Le LMG5200 me semble toujours très intéressant à 100 kHz, car il réduirait la taille de mon inductance et mes pertes thermiques. Je ne peux pas aller plus haut que 100 kHz, car mon MCU ne le permet pas sans fortement dégrader la résolution du PWM. À 100 kHz, je tourne en 10 bits. Mon MCU est le STM32G431KBT6.
Le but du contrôleur est d’avoir une solution abordable à moins de 100 €, car autrement il existe des solutions comme le TEC-1162 de Meerstetter Engineering.

[Antoane]

Hallo,

Pas exactement, une seule branche est en PWM à la fois. Quand je chauffe, c’est la branche A, et quand je refroidis, c’est la branche B.

C'est un choix de design :
- choisir quelle branche est en PWM tandis que l'autre est à la masse demande un double LC et que chaque demi-pont soit designé pour du PWM (bon routage, compromis Psw vs. Pcond)
- utiliser toujours la même branche en PWM et mettre l'autre au Vcc ou au GND résout ces problèmes (il sufit d'un LC et on peut avoir deux gros MOSFET très faible Rdson et grosse Ciss dans la branche quasi-statique), mais demande a priori un driver high-side non-bootstrappé (typ. pompe de charge, dcdc isolé, ou PMOS).

J'ai pas regardé en détail le DRV8145, mais il a l'air intéressant !