Pfe Master Omar El Mamouni - Be [PDF]

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Université Sultan Moulay Slimane Faculté Polydisciplinaire Béni Mellal Département Physique

RAPPORT DE PROJET FIN D’ETUDES Pour obtenir le diplôme Master en Ingénierie des enérgies renouvelables et Efficacité Enérgétique, option : Réseaux et Enérgie Eléctriques

Sujet : Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet pour la recharge des batteries des véhicules électriques

Présenté par :  OMAR EL MAMOUNI Encadré par :  MONSIEUR A. ABOUNADA  MONSIEUR A. MALAOUI

Année Universitaire 2020/2021

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Remerciements :

Je tiens à remercier dans un premier temps, mon Dieu de m’avoir donné la force pour dépasser toutes les difficultés. Je voudrais remercier toute l’équipe pédagogique de la faculté polydisciplinaire Béni Mellal, et surtout les enseignants de la filière Ingénierie en énergie renouvelable et efficacité énergétique de nous avoir incités à travailler en mettant à notre disposition leurs expériences et leurs compétences, et aussi je voudrais exprimer toute ma gratitude à Mr. ABOUNADA et Mr.MALAOUI, mes encadrants pour leurs efforts, leurs conseils, leurs persévérances dans le suivi et leurs encouragements pendant la durée du projet, et aussi les membres du jury pour avoir accepté de juger ce travail et d'avoir bien voulu accepter de faire juger la qualité de ce projet. Enfin, mes plus sincères remerciements vont à mes parents pour leur soutien et leur bienveillance, à tous mes proches et à toute personne qui a participé de près ou de loin à l'accomplissement de ce travail.

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Résumé :

Les batteries des véhicules électriques sont des batteries utilisées pour l’alimentation de circuit de bord et les consommateurs électriques des véhicules, donc pour charger ce type de batterie nous avons besoin de passer par un convertisseur DC-DC qui permet de réduire la haute tension d’entrée vers une tension et un courant réglable et convenable à la batterie. Notre travail consiste en l’étude, la conception et la simulation du convertisseur DC-DC isolé à pont complet pour charger ce type de batterie. Après avoir déterminé le cahier de charge de la carte à réaliser, nous allons étudier le principe de fonctionnement de ce convertisseur, ensuite la conception et le dimensionnement des composants, enfin nous passons à la commande de ce convertisseur par la régulation de sa tension et son courent en utilisant une carte de commande construite à base de PIC18F4550. La modélisation du projet se fait sous Matlab/Simulink en boucle ouverte et en boucle fermée, enfin pour simuler le fonctionnement des algorithmes de commande en passent en logiciel Proteus.

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Table des matières :

Introduction générale : ................................................................................................................................ 1 Chapitre I : Etude générale sur les automobiles électriques .......................................................................... 2 I.

Introduction : ........................................................................................................................................ 3

II.

Les automobiles tout électriques : ......................................................................................................... 3

III.

Les automobiles électriques de pile à combustible : ........................................................................... 4

IV.

Les différentes topologies du convertisseur DC-DC isolé : .................................................................. 5

V.

Les accumulateurs d’automobile : ......................................................................................................... 6 A.

Batterie Plomb acide 12 Volt : ............................................................................................................ 6

B.

Batterie LiFEPO4 12 Volt : .................................................................................................................. 7

VI.

Conclusion : ....................................................................................................................................... 8

Chapitre II : Le principe fonctionnement du convertisseur DC-DC isolé à pont complet PSFB et le dimensionnement des composants utilisés................................................................................................... 9 I.

Introduction : ...................................................................................................................................... 10

II.

Caractéristiques de la carte : ............................................................................................................... 10

III. Domaines d’application : ..................................................................................................................... 10 IV. Principe de fonctionnement du convertisseur PSFB : .......................................................................... 10 V.

Calcule théorique et dimensionnement des composants : ................................................................... 12 A.

Le dimensionnement des Mosfets Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 et Q6 : ......................................................... 12

B.

Le dimensionnement des diodes D1 et D2 :...................................................................................... 13

C.

Détermination de la fonction de transfert : ...................................................................................... 13

D. Le dimensionnement du transformateur : ........................................................................................ 16 1.

Le calcul du rapport de la transformation : ................................................................................... 16

2.

Le calcul de l’inductance de magnétisation : ................................................................................. 16

E.

F.

La commutation douce et le dimensionnement de Lr: ...................................................................... 17 1.

La commutation douce : ............................................................................................................... 17

2.

Calcul de l’inductance de résonance : ........................................................................................... 18

3.

Calcul du temps morts : ................................................................................................................ 19 Le dimensionnements de Lo et Co : .................................................................................................. 19

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … 1.

Calcul l’inductance Lo : ................................................................................................................ 20

2.

Calcul la capacité Co : ................................................................................................................... 20

VI.

Conclusion : ..................................................................................................................................... 20

Chapitre III : La commande du convertisseur à base de PIC18F4550 ........................................................... 21 I.

Introduction : ...................................................................................................................................... 22

II.

Définition du PIC : ................................................................................................................................ 22

III.

Le choix du PIC : ............................................................................................................................... 22

IV.

Présentation du logiciel MPLAB : ...................................................................................................... 22

V.

Les caractéristiques générales du PIC18F4550 : ................................................................................... 22

VI.

Les mémoires : ................................................................................................................................. 23

VII.

La configuration d’Horloge : ............................................................................................................. 24

A.

Définition : ....................................................................................................................................... 24

B.

Les sources d’oscillateurs : ............................................................................................................... 24

C.

Le choix d’horloge et leur configuration : ......................................................................................... 24

VIII.

La configuration du Timer : .............................................................................................................. 26

A.

Définition : ....................................................................................................................................... 26

B.

Le choix du Timer : ........................................................................................................................... 26

C.

La configuration du registre T2CON : ................................................................................................ 26

IX.

La configuration du Convertisseur Analogique Numérique : ............................................................. 26

A.

Définition : ....................................................................................................................................... 27

B.

Les registres utilisés par le convertisseur ADC : ................................................................................ 27 1.

Les registres ADRESH et ADRESL ................................................................................................... 27

2.

Le registre ADCON0 ...................................................................................................................... 27

3.

Le registre ADCON1 ...................................................................................................................... 27

4.

Le registre ADCON2 ...................................................................................................................... 28

C. X.

Les étapes de programmation : ........................................................................................................ 28 La configuration du Module CCP pour le fonctionnement PWM : ........................................................ 29

A.

Le But : ............................................................................................................................................. 29

B.

Le principe de PWM : ....................................................................................................................... 29

C.

Les étapes de configuration : ........................................................................................................... 29 1.

Le réglage de la période du signal PWM ....................................................................................... 30

2.

Le réglage du rapport cyclique du signal PWM ............................................................................. 30

3.

Les dernières étapes de configuration : ........................................................................................ 30

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … XI.

La configuration du Module ECCP : .................................................................................................. 30

A.

Le But : ............................................................................................................................................. 31

B.

Les étapes de configuration : ........................................................................................................... 31 1.

Le réglage du rapport cyclique et les broches du signal PWM : ..................................................... 31

2.

La configuration du registre ECCP1CON : ...................................................................................... 32

3.

La configuration du registre ECCP1DEL : ....................................................................................... 32

XII.

Les formes des signaux de commande et le signal de sortie : ........................................................... 33

XIII.

Conclusion : ..................................................................................................................................... 34

Chapitre IV : La modélisation du convertisseur sur Matlab/Simulink en boucle ouvert et en boucle fermé 35 I.

Introduction : ...................................................................................................................................... 36

II.

Modélisation en Boucle ouvert : .......................................................................................................... 36

III.

La réalisation de la boucle de régulation : ........................................................................................ 39

A.

Définition : ....................................................................................................................................... 39

B.

Les types des régulations : ............................................................................................................... 40

C.

La conception des régulateurs : ........................................................................................................ 41

IV.

La modélisation en Boucle fermé : ................................................................................................... 44

V.

Conclusion : ......................................................................................................................................... 47

Chapitre V : La modélisation du Projet sous Proteus ................................................................................... 48 I.

Introduction : ...................................................................................................................................... 49

II.

Description du logiciel Proteus :........................................................................................................... 49

III.

Simulation en boucle ouvert : .......................................................................................................... 49

IV.

Simulation en boucle fermé : ........................................................................................................... 52

V.

Conclusion : ......................................................................................................................................... 55

Conclusion générale : ................................................................................................................................. 56 Bibliographie: ............................................................................................................................................. 57 Annexes : .................................................................................................................................................... 58

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Liste des figures : Figure 1 : Système typique de haute puissance d’une chaine de recharge de véhicule électrique ................. 3 Figure 2 : Topologie de base de deux convertisseurs Boost PFC entrelacés ................................................... 4 Figure 3 : Chaine de propulsion de véhicule électrique à PàC ........................................................................ 4 Figure 4 : Principe d’une cellule à combustible à membrane polymère acide H2−O2 .................................... 4 Figure 5 : Association PàC avec la Batterie et le moteur électrique ............................................................... 5 Figure 6 : Courbe de charge d’un élément plomb-acide ................................................................................ 7 Figure 7 : Courbe de charge d’une batterie 12 Volt lithium LiFEPO4 ............................................................. 8 Figure 8 : Schéma électrique du convertisseur DC-DC a pont complet ........................................................ 11 Figure 9 : Chronogramme pour les différents signaux du circuit ................................................................. 11 Figure 10 : représentation du signal Vcd ..................................................................................................... 14 Figure 11 : zone de perte de commutation ................................................................................................. 17 Figure 12 : Circuit de commutation douce .................................................................................................. 18 Figure 13 : Le brochage du PIC18F4550 ...................................................................................................... 23 Figure 14 : Branchement d’oscillateur externe avec le PIC18F .................................................................... 25 Figure 15 : circuiterie d'oscillateur primaire ................................................................................................ 25 Figure 16 : Le registre T2CON ..................................................................................................................... 26 Figure 17 : Le registre ADCON0 ................................................................................................................... 27 Figure 18 : Registre ADCON1 ...................................................................................................................... 28 Figure 19 : Registre ADCON2 ...................................................................................................................... 28 Figure 20 : Le signal PWM avec diffèrent valeur du rapport cyclique .......................................................... 29 Figure 21 : Deux signaux PWM complémentaire en mode Half-bridge avec le dead-band delay ................. 31 Figure 22 : Le registre ECCP1CON ............................................................................................................... 32 Figure 23 : Le registre ECCP1DEL................................................................................................................. 32 Figure 24 : Les signaux de commande sans dead-band delay ...................................................................... 33 Figure 25 : Les signaux de commande avec le dead-band delay .................................................................. 34 Figure 26 : Schéma électrique du convertisseur PSFB sous Matlab/Simulink en Boucle ouvert ................... 36 Figure 27 : le traçage des signaux de commande des Mosfets Q1, Q2, Q3 et Q4......................................... 37 Figure 28 : la tension d’entrée du transformateur sous Matlab/Simulink.................................................... 38 Figure 29 : le courant Ip sous Matlab/Simulink ........................................................................................... 38 Figure 30 : La tension de sortie sous Simulink en boucle ouvert ................................................................. 39 Figure 31 : Le courant de sortie sous Simulink en boucle ouvert ................................................................. 39 Figure 32 : la courbe d’état de charge ......................................................................................................... 39 Figure 33 : Schéma bloc de la boucle de réglage ......................................................................................... 40 Figure 34 : Schéma bloc de la boucle de réglage ......................................................................................... 40 Figure 35 : boucle de régulation de courant sous Matlab/Simulink ............................................................. 41 Figure 36 : Fenêtre de l’outil system identification ..................................................................................... 41 Figure 37 : le courant de sortie du système et son estimation .................................................................... 42 Figure 38 : la boucle de régulation du courant avec la fonction de transfert estimée.................................. 42

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Figure 39 : la boucle de régulation de la tension sous Matlab/Simulink ...................................................... 43 Figure 40 : la tension de sortie du système et son estimation ..................................................................... 43 Figure 41 : la boucle de régulation de la tension avec la fonction de transfert estimée............................... 43 Figure 42 : la combinaison des boucles de régulation sous Matlab/Simulink .............................................. 44 Figure 43 : Schéma électrique du convertisseur sous Matlab/Simulink en boucle fermé ............................. 45 Figure 44 : la tension à la borne de la batterie à l’état 50% en boucle fermé .............................................. 45 Figure 45 : le courant consommé par la batterie à l’état 50% en boucle fermé ........................................... 45 Figure 46 : le courant consommé par la batterie à l’état 50% à Lo augmenté ............................................. 46 Figure 47 : la tension à la borne de la batterie à l’état 50% à Lo augmenté ................................................. 46 Figure 48 : la tension à la borne de la batterie à l’état 100% en boucle fermer ........................................... 46 Figure 49 : le courant consommé par la batterie à l’état 100% en boucle fermer........................................ 46 Figure 50 : le schéma électrique du PIC avec les sorties de commande sous Proteus .................................. 49 Figure 51 : Paramètre du PIC8F4550 sous Proteus ...................................................................................... 49 Figure 52 : les signaux de commande dans le cas dead-band delay égale zéro sous proteus ....................... 50 Figure 53 : les signaux de commande dans le cas dead-band delay égale 30 sous proteus .......................... 50 Figure 54 : Le modèle du convertisseur DC-DC isolé a pont complet sous Proteus en boucle ouvert ........... 51 Figure 55 : La tension Vab en boucle ouvert ............................................................................................... 51 Figure 56 : La tension de charge en cas boucle ouvert sous Proteus ........................................................... 52 Figure 57 : Le courant de charge en cas boucle ouvert sous Proteus ........................................................... 52 Figure 58 : Capteur de courant ACS712-30A ............................................................................................... 52 Figure 59 : Capteur de tension .................................................................................................................... 53 Figure 60 : Le modèle du convertisseur DC-DC isolé a pont complet sous Proteus en boucle fermé............ 53 Figure 61 : Le courant de charge en cas boucle fermer sous Proteus .......................................................... 54 Figure 62 : La tension de charge en cas boucle fermer sous Proteus avec une tension batterie 12V ........... 54 Figure 63 : La tension et le courant de sortie en boucle fermé en cas la batterie a 13,7V sous Proteus ....... 54

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Liste des tableaux : Tableau 1 : Les différentes topologies du convertisseur DC-DC isolée ........................................................... 6 Tableau 2 : caractéristiques d’une batterie 12 Volt Plomb acide ................................................................... 7 Tableau 3 : Caractéristiques d’une batterie 12 Volt LiFEPO4 modèle GBS-12V100Ah-B ................................ 8 Tableau 4 : Caractéristiques du Mosfets IRFP460B ..................................................................................... 13 Tableau 5 : Caractéristiques de la double diode 160CMQ ........................................................................... 13 Tableau 6 : Les caractéristiques générales de PIC18F4550 .......................................................................... 23

Liste des Annexes : Annexe 1 : Datasheet de la batterie Plomb acide 12V 75 AH utiliser dans les calculs .................................. 58 Annexe 2 : Datasheet du Mosfet IRFP460Datasheet du Mosfet IRFP460 .................................................... 59 Annexe 3 : Datasheet de la diode 160CMQ................................................................................................. 60 Annexe 4 : désigne du transformateur à partir du site poweresim.............................................................. 61 Annexe 5 : Caractéristique du Capteur ASC712 30A.................................................................................... 62 Annexe 6 : Datasheet IR21094 .................................................................................................................... 62

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Notations et symboles : 

         

                   

EVSE Wallbox PFC PàC PSFB DC Lr T Vcd Vab 𝑇𝑠 𝑉𝑖𝑛 𝐿𝑜 𝑚 𝛼 𝑉𝑜 𝐿𝑚 ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡 ZCS ZVS 𝑡𝑚𝑜𝑟𝑡 𝑓𝑟 Co ∆Vout 𝐼𝐿 CCP ECCP PWM Ip PID dead-band

: Electric Vehicle Service Equipment : Dispositif pour la recharge d'une voiture électrique : Power Factor Correction : Pile à combustible : Phase Shifted Full Bridge : Direct Current : Inductance de résonance : La période du rapport cyclique de la tension Vcd : La tension d’entrée du filtre LC : La tension à l’entrée du transformateur : La période de commutation des signaux de commande : La tension d’entrée : Inductance de filtrage : Le rapport du transformateur : Le rapport cyclique de la tension Vcd : La tension de sortie : Inductance de magnétisation du transformateur : Le courant de sortie multiplié par 20% : Zero Current Switching : Zero Voltage Switching : Le temps mort : La fréquence de résonance : La capacité de filtrage : La tension de sortie multipliée par 10% : Le courant de sortie : Capture/Compare/PWM : Enhanced Capture/Compare/PWM : Pulse With Modulation : Le courant primaire : Proportionnel Intégral Dérivé : Bande morte

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Introduction générale :

Au fil du temps, les voitures électriques deviennent de plus en plus populaires sur le marché parce qu’elles résolvent les problèmes de raréfaction des ressources (pétrole et gaz naturel) et de la pollution incessante de l'environnement qui nous entoure. Cela a conduit à une forte demande pour des systèmes d'infrastructure de recharger les véhicules plus rapidement et plus économes en énergie. Les voitures électriques disposent des batteries de grande capacité, généralement une batterie de haute tension pour alimenter le moteur de traction, et une batterie de 12v pour alimenter le circuit de bord et les consommateurs électriques (feux, avertisseur sonore, essuie-glace, ventilation, lève vitres électriques, multimédias, etc.). Elles disposent aussi de plusieurs convertisseurs AC-DC et DC-DC. Dans le cadre de ce projet de fin d’études, nous nous intéressons à l’amélioration et le développement du fonctionnement d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet en utilisant le PIC18F4550 pour commander la carte et recharger ces batteries. Ce rapport présente notre travail sur cinq chapitres :  Le premier chapitre, présente une étude générale sur les automobiles électriques.  Le deuxième chapitre est consacré au principe de fonctionnement du convertisseur DC-DC isolé à pont complet PSFB et le dimensionnement des composants utilisés.  Le troisième chapitre est réservé à la commande du convertisseur PSFB à base du PIC18F4550.  Le quatrième chapitre est consacré à la modélisation sous MATLAB/SIMULINK.  Enfin on termine par la simulation des algorithmes de commande sous le logiciel.

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Chapitre I Etude générale sur les automobiles électriques

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I.

Introduction :

Dans le premier chapitre de notre projet nous intéressons aux véhicules électriques et leurs chaines de charge, soit pour les automobiles tout électrique ou celui qui utilise la pile à combustible, et on va terminer par la méthode de charge de la batterie qu’on va utiliser.

II.

Les automobiles tout électriques :

Les automobiles tout électriques sont des véhicules chargées directement à partir du réseau électrique, le système typique de haute puissance d’une chaine de charge d’une voiture électrique est représenter dans la figure suivante :

Figure 1 : Système typique de haute puissance d’une chaine de recharge de véhicule électrique Le système externe de ce type de véhicule est sous forme d’un réseau électrique et un EVSE c’est les équipements d'entretien des véhicules électriques, et on trouve qu’il existe plusieurs types de prises pour recharger ces véhicules pour différents usages. Pour le recharger à domicile il y a deux façons, soit sur une prise domestique standard en utilisant le câble fourni avec le véhicule ou en utilisant une Wallbox qui est recommandée par les grands constructeurs qui invoquent une recharge plus sécurisée ; 



Pour les bornes publiques qui peuvent délivrer différentes puissances. Cela dépend du lieu où elles sont installées et du temps dont vous disposez. En fonction du lieu et de la puissance de la borne, plusieurs types de prises existent, pour tous les véhicules électriques, la prise T2 permet une puissance de charge de 3,7 à 22 kW en courant alternatif et les prises Combo CCS et CHAdeMO offrent, selon les modèles, une puissance plus importante. Le PFC c’est un correcteur du facteur de puissance vise à façonner le courant d'entrée pour qu'il soit aussi sinusoïdal que possible, afin de réduire la distorsion harmonique et les pertes associées, et de rapprocher le facteur de puissance de un dans les circuits alternatifs. La figure suivante montre le schéma électrique d’un Boost PFC utilise dans les véhicules électriques :

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Figure 2 : Topologie de base de deux convertisseurs Boost PFC entrelacés

III.

Les automobiles électriques de pile à combustible :

Les véhicules électriques à PAC ou bien les voitures hydrogène sont propulsés par de l’électricité produite à partir d’hydrogène et d’oxygène. Ils ne rejettent que de l’eau au moyen de leur pot d’échappement. La figure suivante présente la Chaine de propulsion de véhicule électrique à PàC :

Figure 3 : Chaine de propulsion de véhicule électrique à PàC La Pile à combustible est un convertisseur d’énergie qui assure la production de l’énergie électrique et thermique. La PàC la plus étudiée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air. Le courant électrique en sortie d’une pile à combustible est le résultat d’une réaction d’oxydoréduction. La figure cidessous montre le principe de fonctionnement pour une cellule de pile à combustible H2 − O2.

Figure 4 : Principe d’une cellule à combustible à membrane polymère acide H2−O2 4|Page

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … L’association de la pile à combustible avec la batterie se fait à traverse d’un convertisseur DC/DC unidirectionnel en courant et en tension, car la PàC n’est pas réversible. La figure illustre l’association d’une pile à combustible avec la batterie et le moteur électrique :

Figure 5 : Association PàC avec la Batterie et le moteur électrique Ce que nous intéresse dans ce travail est le convertisseur DC-DC unidirectionnel entre la source haute tension et la batterie 12 volts qui alimente le circuit de bord et les consommateurs électriques.

IV.

Les différentes topologies du convertisseur DC-DC isolé :

Nous avons choisir le convertisseur DC/DC isolés grâce à plusieurs avantages :   

Isolation galvanique est moyenne de protection supplémentaire ; Large gamme de conversion de tension ; Un rendement élevé.

On va voir maintenant les principales structures susceptibles d’être utilisées pour la conversion DC/DC isolé unidirectionnelle. Structure Convertisseur en pont complet

Avantages Le plus adaptée aux applications de haute puissance et tension

Inconvénients Nombre élevé des composants

Convertisseur Push Pull

Adapté pour des applications à basse tension et à basse puissance avec un volume et un coût réduits.

Les inductances de fuite du transformateur induisent des contraintes lors du blocage des interrupteurs et diminuent le rendement

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PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Convertisseur en demi-pont alimenté en tension

un seul bras d’interrupteur est utilisé pour transférer l'énergie du côté primaire au secondaire

La totalité du courant traverse les capacités, ce qui limite son utilisation dans des applications de forte puissance

Convertisseur en demi-pont alimenté en courant

Réduction de l’ondulation du courant d’entrée

les interrupteurs subissent des contraintes au blocage dues aux inductances de fuite du transformateur

Tableau 1 : Les différentes topologies du convertisseur DC-DC isolée Parmi les convertisseurs présenter dans le tableau ci-dessus, la meilleure solution est le convertisseur DC-DC isolé à pont complet car il est le plus adaptée aux applications de haute puissance et tension.

V.

Les accumulateurs d’automobile :

Le terme "accumulateur" est employé pour un élément rechargeable, un accumulateur est donc un générateur réversible, il peut stocker (accumuler) de l'énergie, en convertissant l'énergie électrique en forme chimique, puis la restituer à tout moment sur demande. A.

Batterie Plomb acide 12 Volt :

Aujourd’hui, les batteries au plomb sont montées dans des modèles thermiques, comme électriques, pour l’alimentation des équipements et accessoires parce qu’il est peu cher, solide et capable de fournir des courants élevés. Les batteries plomb-acide sont constituées par la mise en série de 6 éléments (ou plus dans certain cas), chaque élément a une tension de 2.1 Volt permettant d’obtenir une tension voisine de 12.6 V. Pour une tension d'un élément chargé au repos à 25°C est 2.1V, on a la figure suivante qui représente la courbe de charge d’un élément plomb-acide :

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Figure 6 : Courbe de charge d’un élément plomb-acide Dans cette méthode, la recharge de la batterie divisée en deux parties, la première partie de la charge, on limite le courant à l’intensité maximum qui égale dans le cas plomb-acide, la capacité de la batterie divisée par cinq. Voici un exemple de caractéristiques d’une batterie 12 Volt Plomb acide : Paramètre

spécification

Capacité nominale 75 Ah Tension nominale 12.6 Volt Tension de floating (Tension fin de charge) 13.5 V - 13.8 V Courant de charge max 15 A Courant de décharge standard 50 A Courant de décharge max 100 A Tableau 2 : caractéristiques d’une batterie 12 Volt Plomb acide B.

Batterie LiFEPO4 12 Volt :

Il existe plusieurs types de batterie lithium, mais la batterie de type LiFePO4 (Lithium ion Phosphate de Fer) est l’un des meilleures solutions pour alimenter le circuit de bord et les consommateurs électriques des voitures, chaque élément de cette batterie à une tension de 3.3 Volt avec une tension de 3.6 Volt comme tension de charge (Charge à tension constante). Et voici quelque avantage de ce type de batterie :     

Capacité pratique et théorique élevée ; Pas de risque d’explosion en cas de choc, de surcharge ou de court-circuit. La génération de température interne étant très faible, il reste très stable ; Excellente durée de vie lors de cycles de charge-décharge (> 5000 cycles charge/décharge) ; Bon pour l’environnement, ne contient aucun élément toxique ; Temps de charge pouvant être très court.

La méthode de charge est la même que l’exemple précèdent mais avec une différence de valeurs. La courbe de charge d’une batterie 12 Volt lithium LiFEPO4 est représenté ci-dessous :

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Figure 7 : Courbe de charge d’une batterie 12 Volt lithium LiFEPO4 Voici un exemple de caractéristiques d’une batterie 12 Volt lithium LiFEPO4 : Paramètre

spécification

Modèle GBS-12V100Ah-B Capacité nominale 100 Ah Tension nominale 12.8 Volt Tension fin de charge 14.6 Volt Tension fin de charge 11.2 Volt Courant de charge standard 50 A Courant de charge rapide 100 A Courant de décharge standard 50 A Courant de décharge max 100 A Tableau 3 : Caractéristiques d’une batterie 12 Volt LiFEPO4 modèle GBS-12V100Ah-B

VI.

Conclusion :

Au cours de ce chapitre on a découvert les systèmes de puissances utilisé dans les véhicules électriques, ainsi que les différents composants utilisé pour recharger la batterie de 12v et leurs caractéristiques générales.

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Chapitre II Le principe fonctionnement du convertisseur DC-DC isolé à pont complet PSFB et le dimensionnement des composants utilisés

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I.

Introduction :

Le deuxième chapitre de ce projet est consacré sur l’étude du convertisseur DC-DC à pont complet isolé PSFB avec le dimensionnement de chaque composant utilisé pour avoir les meilleurs résultats.

II.

Caractéristiques de la carte :

Les caractéristiques de la carte ou bien le cahier de charge de ce convertisseur faut-il respecter les points suivants :        

III.

Tension d’entrée entre 370 et 410V DC ; Batterie Plomb-acide 12 Volts – 75 Ah ; Tension de floating : 13.5 V - 13.8 V DC ; Courant de sortie max : 22.5 A ; Fréquence de fonctionnement 100 KHz ; Haut efficacité prévue de 93,5%; La variation de la tension de sortie Vout est 10%; La variation du courant de sortie Iout est 20%.

Domaines d’application :

Le convertisseur à pont complet déphasé (PSFB) est utilisé pour la conversion DC-DC dans diverses applications, par exemple :   

IV.

Dans les applications automobiles ; Dans les systèmes de télécommunications pour convertir un bus haute tension en une tension de distribution intermédiaire, généralement plus proche de 48V ; Dans les alimentations de serveur, étant donné que les alimentations du serveur consomment une énorme quantité d'énergie, le problème le plus critique est d'atteindre une efficacité élevée et le PSFB est l’un des meilleures solutions dans ce domaine.

Principe de fonctionnement du convertisseur PSFB :

Le convertisseur étudier est constitué par :     

Quatre Mosfets commandé par un microcontrôleur pour transformer la tension continue en une tension rectangulaire avec un rapport cyclique commandée ; Transformateur abaisseur à point milieu pour réduire la valeur de la tension ; Inductance Lr utilisée pour minimiser les pertes ; Deux diodes dans la partie secondaire pour transformer la partie négative du signal en une partie positif ; filtrage LC pour transformer le signal rectangulaire en un signal continue.

La figure suivante représente le schéma électrique du convertisseur PSFB : 10 | P a g e

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Figure 8 : Schéma électrique du convertisseur DC-DC a pont complet Pour étudier les modes de fonctionnement du convertisseur, on suppose que tous les composants sans idéal et les signaux de commande des MOSFETs Q1,Q2,Q3 et Q4 à un rapport cyclique fixe de 50%, tel que les interrupteurs du même bras sont complémentaires et les interrupteurs de la diagonale fonctionnent en même temps avec un déphasage. La figure suivante représente les différents signaux du circuit :

Figure 9 : Chronogramme pour les différents signaux du circuit

11 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Et voilà Les modes principaux du fonctionnement dans une période T : 

Mode 1 :

Les MOSFETs Q1 et Q4 conduisent, l’énergie est transférée du primaire vers le secondaire. Dans ce mode la tension appliquée au primaire du transformateur est positive et la diode D1 conduit pour assurer le transfert d’énergie à la sortie, à la fin de ce mode, Q4 s’ouvre et le courant reste constant à cause de l’inductance Lr, la capacité C4 du Mosfet Q4 se charge et la capacité C3 du Mosfet Q3 se décharge pendant le temps mort jusqu’à la dissipation d’énergie stocké dans Lr, . 

Mode 2 :

Les interrupteurs Q1 et Q3 sont fermés et Q2 et Q4 sont ouverts, et les diodes de la partie secondaire D1 et D2 sont fermées et fonctionnant en roue libre, l’énergie stockée dans l’inductance de sortie Lo se transmet à la sortie pour garder la tension Vout constante. 

Mode 3 :

Au début de ce mode Q1 s’ouvre et le courant reste constant à cause de l’inductance Lr, la capacité C1 du Mosfet Q1 se charge et la capacité C2 du Mosfet Q2 se décharge pendant le temps mort jusqu’à la dissipation de l’énergie stockée dans Lr. Et après le MOSFET Q3 conduit avec le MOSFET Q2, l’énergie se transfert du primaire du transformateur vers le secondaire. Dans ce mode la tension appliquée au primaire du transformateur est négative donc la diode D2 conduit pour assurer le transfert d’énergie à la sortie. 

Mode 4 :

Les interrupteurs Q2 et Q4 sont fermés avec Q1 et Q3 ouverts, et les diodes de la partie secondaire D1 et D2 sont fermées et fonctionnant en roue libre l’énergie stockée dans l’inductance de sortie Lo se transmet à la sortie pour garder la tension Vout constante. Remarque : La tension de sortie Vout dépend du rapport cyclique de la tension Vab qui est reliée d’une façon directe par le déphasage des signaux de commande VQ3 et VQ4 par rapport à VQ2 et VQ1.

V.

Calcul théorique et dimensionnement des composants :

Dans ce paragraphe, on va faire les calculs théoriques nécessaires pour dimensionner les composants électroniques utilisés dans le convertisseur PSFB. A.

Le dimensionnement des Mosfets Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 et Q6 :

Pour satisfaire les performances désirées, nous avons choisi pour les MOSFETs Q1, Q2, Q3 et Q4 le type IRFP460B dont les caractéristiques dans des conditions normales T= 25°C sont :

12 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Paramètre

Symbole

Valeur

Tension drain-source

Vdss

500 V

Courant de drain

Id

20 A

résistance drain source

Rds

0.25 Ω

temps de réponse max

Td (on)

50 ns

temps de recouvrement

trr

437 ns

Tension de seuil d’amorçage

Vgs

4V

Capacité de sortie

Coss

152 pF

Tableau 4 : Caractéristiques du Mosfets IRFP460B B.

Le dimensionnement des diodes D1 et D2 :

Les diodes que nous allons utiliser sont du type Schottky 160CMQ qui sont deux diodes avec cathode commune dont les caractéristiques avec des conditions normales T= 25°C sont : Paramètre

Symbole

Valeur

Tension direct

Vf

0.6 mV

Courant direct

If

160 A

Tension de blocage

Vr

45 V

Courant inverse

Ir

0.1 mA

Tableau 5 : Caractéristiques de la double diode 160CMQ C.

Détermination de la fonction de transfert :

Dans le cas idéal la tension d’entrée du filtre LC Vcd est égale la valeur absolue de la tension d’entrée du primaire du transformateur 𝑉𝑎𝑏 multiplier fois le rapport de transformation m, sous la forme suivante :

13 | P a g e

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Figure 10 : représentation du signal Vcd On prend : 𝑇𝑠⁄2 = 𝑇 Première cas : 𝟎 < 𝒕 < 𝜶𝑻 On a : 𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 = 𝐿𝑜 ×

𝑑𝑖 + 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑑𝑡

Donc : 𝑑𝑖 𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑑𝑡 𝐿𝑜 𝑖(𝑡) =

𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑡 + 𝐾1 𝐿𝑜

Avec : K1 est une constante À:𝒕 =𝟎 𝑖 = 𝐼𝑚𝑖𝑛 = 𝐾1 Alors : 𝑖(𝑡) =

𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑡 + 𝐼𝑚𝑖𝑛 𝐿𝑜

À : 𝒕 = 𝜶𝑻 𝑖(𝛼𝑡) = 𝐼𝑚𝑎𝑥 =

𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝛼𝑡 + 𝐼𝑚𝑖𝑛 𝐿𝑜

(II. 1)

Deuxième cas : 𝜶𝑻 < 𝒕 < 𝑻 On a : 0 = 𝐿𝑜 ×

𝑑𝑖 + 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑑𝑡 14 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Donc : 𝑑𝑖 𝑉𝑜𝑢𝑡 =− 𝑑𝑡 𝐿𝑜 𝑉𝑜 𝑖(𝑡) = − × 𝑡 + 𝐾2 𝐿𝑜 Avec : K2 est une constante À : 𝒕 = 𝜶𝑻 𝑖(𝛼𝑡) = 𝐼𝑚𝑎𝑥 =

−𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝛼𝑡 + 𝐾2 𝐿𝑜

Donc : 𝐾2 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 +

𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝛼𝑡 𝐿𝑜

Alors : 𝑖(𝑡) =

−𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑡 + 𝐼𝑚𝑎𝑥 + × 𝛼𝑡 𝐿𝑜 𝐿𝑜

À:𝒕 =𝑻 𝑖(𝑇) = 𝐼𝑚𝑖𝑛 =

−𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑇 + 𝐼𝑚𝑎𝑥 + × 𝛼𝑇 (II. 2) 𝐿𝑜 𝐿𝑜

D’après(II. 1), on a : 𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑚𝑖𝑛 =

𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝛼𝑇 𝐿𝑜

(II. 3)

𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑚𝑖𝑛 =

𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 ×𝑇− × 𝛼𝑇 𝐿𝑜 𝐿𝑜

(II. 4)

D’après(II. 2), on a :



Déduire la fonction de transfert :

Par faire la soustraction des équations (II. 3) et(II. 4), on trouve : 0=

(𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡) × 𝛼𝑇 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑇 + 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝛼𝑇 𝐿𝑜

(𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡) × 𝛼𝑇 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑇 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝛼𝑇 (𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 − 𝑉𝑜𝑢𝑡) × 𝛼 = 𝑉𝑜𝑢𝑡(1 − 𝛼) 𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 × 𝛼 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 Donc la fonction de transfert est égale : 15 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑚 × 𝛼 (II. 5) 𝑉𝑖𝑛 Alors : La tension de sortie Vo dépend de la tension d’entrée Vin, le rapport cyclique 𝛼 et le rapport de transformation m. D.

Le dimensionnement du transformateur :

Le choix du transformateur est très important pour le fonctionnement du convertisseur et il doit respecter des conditions précises. 1.

Le calcul du rapport de la transformation :

D’après la relation(II. 5), on peut trouver le rapport de transformation. Si on a la tension d’entrée est minimal est le rapport cyclique ne peut pas dépasser une valeur maximale, donc : 𝑚=

𝑁𝑠 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑁𝑝 𝑉𝑖𝑛 𝑚𝑖𝑛 × 𝛼𝑚𝑎𝑥

(II. 6)

Application numérique : 𝑚=

13.7 1 = = 0.049 ≈ 0,05 370 × 0.75 20.25

Avec :     

Ns : nombre de spire secondaire ; Np : nombre de spire primaire ; 𝛼𝑚𝑎𝑥 : rapport cyclique maximale supposé 75% ; Vo : Tension de sortie égale 13.7 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 ; Vin min : La tension d’entrée minimale. 2.

Le calcul de l’inductance de magnétisation :

Maintenant on va déterminer l’inductance de magnétisation qui permet de réduire l'augmentation du courant de magnétisation, l’équation suivante représente le calcul de l’inductance de magnétisation : 𝐿𝑚 ≥

𝑉𝑖𝑛 × (1 − 𝛼𝑡𝑦𝑝 ) (II. 7) ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡 × 0,5 × 2 × 𝑚 × 𝑓𝑠

Avec : 𝛼𝑡𝑦𝑝 =

𝑉𝑜 𝑉𝑖𝑛 × 𝑚 16 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝐿 × 20% Application Numérique : 𝛼𝑡𝑦𝑝 =

13.7 = 0.685 400 × 0.05 ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡 = 4.5

𝐿𝑚 ≥

400 × (1 − 0.685) 4.5 × 0,5 × 2 × 0,05 × 100000 𝐿𝑚 ≥ 5,6 𝑚𝐻

E.

La commutation douce et le dimensionnement de Lr :

En commutation générale, la tension entre le drain et la source des Mosfets n'est pas de zéro volt. Par conséquent, lorsque les Mosfets s'allument et s'éteignent, un courant traversant est généré, ce qui provoque une perte. Ces pertes augmentent avec la fréquence de commutation et la tension d'entrée, et limitent la fréquence de fonctionnement maximale, l'efficacité et la densité de puissance. La figure suivante présente le cas où on a un chevauchement entre le courant et la tension ce qui fait un perdre d’énergie qui s’appelle commutation dure :

Figure 11 : zone de perte de commutation 1.

La commutation douce :

Comme solution de la commutation dure, on utilise la méthode de commutation douce, cette méthode consiste à effectuer la commutation au point « zéro courant » (ZCS) ou « zéro tension » (ZVS).

17 | P a g e

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Figure 12 : Circuit de commutation douce Alors pour minimiser les pertes, on utilise un circuit de résonant sous forme d’une inductance Lr combinée avec la capacité interne Coss du Mosfet. Le ZVS a été obtenu à partir de se déchargeant et en chargeant des condensateurs en utilisant l'énergie stockée dans l'inducteur pendant le temps mort, alors on a deux conditions pour atteindre zvs :  

l'énergie stockée dans l'inducteur doit être suffisante pour la charge et la décharger des condensateurs du même bras ; la deuxième condition est que ce transitoire doit être terminé avant que le signal d'activation ne soit donné au Mosfet. 2.

Calcul de l’inductance de résonance :

L'inductance de résonance est calculée pour permettre une charge ZVS entre 50% et 100% en général doit satisfaire la condition suivante : 𝐿𝑟 ≥ (2 × 𝐶𝑜𝑠𝑠 𝑚𝑜𝑦) ×

𝑉𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥 2 2 𝐼𝑝𝑝 ∆𝐼 ( 2 − 𝐿𝑜𝑢𝑡 × 𝑚) 2

− 𝐿𝑙𝑘 (II. 8)

Avec : 

𝐿𝑙𝑘 ∶ L’inductance de fuite du transformateur



𝐶𝑜𝑠𝑠 𝑚𝑜𝑦 ∶ Capacité de sortie moyenne Coss × √𝑉

𝑉𝐷𝑆

𝐼𝑁𝑚𝑎𝑥

Dans les conditions de test on a Coss égale 152 pF pour Vds égale 25V 25 𝐶𝑜𝑠𝑠 𝑚𝑜𝑦 = 152 pF × √ = 37.5 pF 410 

𝐼𝑝𝑝 ∶ La valeur maximale du courant primaire calculé pour une efficacité de 90% 𝐼𝐿 ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛 × 𝛼𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑝𝑝 = ( + )×𝑚+ Ƞ 2 𝐿𝑚𝑎𝑔 × 𝑓𝑠

18 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Application numérique : 𝐼𝑝𝑝 = 1.85 𝐴 Pour 𝐿𝑙𝑘 = 0 𝐿𝑟 ≥ 19 𝑢𝐻 3.

Calcul du temps morts :

On peut obtenir le temps nécessaire pour la deuxième condition du ZVS à partir de l’équation suivante : 𝑡𝑚𝑜𝑟𝑡 =

2,25 (II. 9) 4 × 𝑓𝑟

À partir de la fréquence de résonance, on peut trouver le temps mort entre les MOSFETs complémentaires du même bras, lorsqu’ils ont conduit simultanément pour ne pas court-circuiter la source : 𝑓𝑟 =

1 2𝜋 × √𝐿 × 𝐶

(II. 10)

Avec :  

L : la somme de Llk et Lr C : deux fois Coss moyenne du Mosfet

Application Numérique : 𝑓𝑟 =

1 2𝜋 × √(10 uH + 60 𝑢𝐻) × 2 × 167.85 𝑝𝐹 𝑓𝑟 = 1.04 𝑀𝐻𝑧

Et donc : 𝑡𝑚𝑜𝑟𝑡 = 540 𝑛𝑠 Le driver du Mosfet qui peut respecter les paramètres de ce convertisseur est le driver IR21094 qui a un temps mort de 540 ns. F.

Le dimensionnements de Lo et Co :

Dans cette partie nous allons calculer les impédances de filtrage du signal PWM pour obtenir un signal continu à la sortie.

19 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … 1.

Calcul l’inductance Lo :

D’après équation (4), on a : ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑚𝑖𝑛 =

𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑇 × (1 − 𝛼𝑡𝑦𝑝 ) 𝐿𝑜

Donc : 𝐿𝑜 =

𝐿𝑜 =

𝑉𝑜𝑢𝑡 × 𝑇 × (1 − 𝛼𝑡𝑦𝑝 ) ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑜𝑢𝑡 × (1 − 𝛼𝑡𝑦𝑝 ) (II. 11) ∆𝐼𝐿𝑜𝑢𝑡 × 2 × 𝑓𝑠

Application numérique : 𝐿𝑜 =

2.

13.7 × (1 − 0.685) = 4.8 𝑢𝐻 4,5 × 2 × 100000

Calcul la capacité Co :

Au cours d'une variation extrême de la charge, le temps que met le courant de charge pour décroitre de son maximum jusqu'à zéro est : 𝑡𝑡𝑟 =

𝐿𝑜 × 𝐼𝐿 𝑉𝑜𝑢𝑡

Le condensateur de filtrage doit être supérieur de la valeur suivante : 𝐶𝑜 ≥

𝐼𝐿 × 𝑡𝑡𝑟 (II. 12) ∆𝑉𝑜𝑢𝑡

Avec : ∆𝑉𝑜𝑢𝑡 = 13.7 × 10% Application numérique : 𝑡𝑡𝑟 = 7.88𝑢𝑠 𝐶𝑜 ≥ 129.4 𝑢𝐹

VI.

Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons déterminé et choisir les composants convenables pour réaliser la partie de puissance de la carte, dans le chapitre suivant on va étudier la partie de commande du convertisseur.

20 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet …

Chapitre III La commande du convertisseur à base de PIC18F4550

21 | P a g e

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I.

Introduction :

Dans ce chapitre nous allons étudier le pic18f4550 et leurs caractéristiques surtout les caractéristiques dont nous aurons besoin. On va voir aussi comment générer les signaux de commandes afin de réguler ce dernier pour contrôler la tension et le courant de sortie du convertisseur.

II.

Définition du PIC :

Le PIC (Programmable Interface Contrôler) est une unité de traitement de l'information de type microprocesseur à laquelle on a ajouté des périphériques internes permettant de faciliter l'interfaçage avec le monde extérieur sans nécessiter l'ajout de composants externes.

III.

Le choix du PIC :

Dans ce projet, nous avons utilisé le PIC18F4550 pour commander les Mosfets du convertisseur, ce PIC contient les caractéristiques suivantes qui nous permettent de commander et réguler la tension et le courant de sortie :    

IV.

Convertisseur analogique numérique ; Un module CCP ; Un module ECCP avec un PROGRAMMABLE DEAD-BAND DELAY ; Peut générer les signaux PWM à une fréquence de 100Khz ou plus.

Présentation du logiciel MPLAB :

MPLAB® X Integrated Development Environment (IDE) est un logiciel extensible et hautement configurable qui intègre des outils puissants pour aider à découvrir, configurer, développer, déboguer et qualifier des conceptions embarquées pour la plupart des microcontrôleurs et contrôleurs de signaux numériques. Dans ce projet nous allons utiliser le logiciel MPLAB XC8 C Compiler qui est un compilateur s'intègre à l'IDE MPLAB X de Microchip, il est compatible avec tous les débogueurs et émulateurs Microchip et fonctionne sous Windows®, Linux® et macOS®.

V.

Les caractéristiques générales du PIC18F4550 :

Le PIC18F4550 contient 40 broches, concernant 2 broches VDD pour l’alimentation (5 Volt), 2 broches Vss (0 Volt), les bornes du quartz OSC1 et OSC2 et l’entrée RESET (MCLR), la figure suivante représente le brochage du PIC18F4550 :

22 | P a g e

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Figure 13 : Le brochage du PIC18F4550 Les caractéristiques principales du PIC18F4550 sont résumées dans le tableau suivant : Les caractéristiques

La valeur

Nombre de broches

40

Nombre d’entrée/sortie

35 reparties sur 5 ports (A, B, C, D et E)

Fréquence Horloge

48MHz

Mémoire programme FLASH

32 Ko

RAM

2048 Octets

EEPROM

256 Octets

Timers

4 (3×16bit + 1×8bit)

Convertisseur Analogique Numérique

13

Module CCP

2

Module ECCP

1

Nombre des modules (USART, I2C, SPI, USB)

1

Tableau 6 : Les caractéristiques générales de PIC18F4550

VI.

Les mémoires :

Le PIC18F4550 à 32 Ko de mémoire FLASH qui possède les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d'une mise hors tension, cette mémoire sert à stocker les programmes à exécuter avec un format « .hex ». Elle a également 2 Ko de mémoire SRAM ou mémoire vive statique. Cette mémoire sert à stocker des données temporaires (les variables de programme par exemple), elle s'efface si on coupe l'alimentation du microcontrôleur (volatile). 23 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … 256 octets d’EEPROM appelé aussi mémoire morte effaçable électriquement et programmable (non volatile), Elle permet le stockage par notre programme de données persistantes.

VII.

La configuration d’Horloge :

Dans ce paragraphe nous allons configurer l’horloge pour obtenir la grande valeur possible de la fréquence que nous allons utiliser. A.

Définition :

Dans les microprocesseurs et les microcontrôleurs, deux types d’oscillateur utilisés sont : les quartz et les résonateurs céramiques. Les oscillateurs à quartz sont destinés à produire des signaux de fréquence de haute précision et de grande stabilité dans un intervalle de température donnée et dans le temps. Les résonateurs céramiques s'emploient comme les quartz. La précision et la stabilité sont moins bonnes, mais leur prix est sensiblement plus faible qu'un quartz. B.

Les sources d’oscillateurs :

Le microcontrôleur PIC18F4520 peut opérer avec 10 sources d’horloges différentes. Les 4 bits du registre FOSC permettent la sélection de l’un des modes d’horloges.          

LP : faible consommation (32Khz) ; XT : Quartz/Résonateur (1 à 4Mhz) ; HS : Haute Vitesse, Quartz/Résonateur (4 à 25Mhz) ; HSPLL : Haute Vitesse, Quartz/Résonateur avec PLL (Multiplication de fréquence) ; RC : Circuit RC externe, FOSC/4 est fournie sur la broche RA6 ; RCIO : Circuit RC externe, la broche OSC2/RA6 peut être utilisée en I/O ; INTIO1 : Oscillateur interne, FOSC/4 est fournie sur la broche RA6 et RA7 peut être utilisée en I/O ; INTIO2 : Oscillateur interne, les broches RA6 et RA7 peuvent être utilisées en I/O ; EC : Horloge externe appliquée à l’entrée OSC1/RA7, FOSC/4 est fournie sur la broche OSC2/RA6 ; ECIO : Horloge externe appliquée à l’entrée OSC1, la broche OSC2/RA6 peut être utilisée en I/O.

C.

Le choix d’horloge et leur configuration :

Le PIC18F4550 peut travailler avec un oscillateur interne de valeur maximums 8Mhz ou un oscillateur externe, chaque type d’oscillateur à une configuration diffère, pour obtenir les meilleurs résultats, nous avons choisi de travailler par la plus grande valeur de fréquence possible qui égale à 48Mhz. La configuration d’horloge sera comme suite : Premièrement en utilise un quartz comme oscillateur externe en mode HSPLL. La figure suivante représente le branchement d’oscillateur externe avec le PIC18F : 24 | P a g e

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Figure 14 : Branchement d’oscillateur externe avec le PIC18F La valeur des capacités C1 et C2 dépend de type d’oscillateur et la valeur de la fréquence. D’après la figure ci-dessous qui représente la circuiterie d'oscillateur primaire, pour utiliser la fréquence à 48Mhz, la valeur de la fréquence d’oscillateur extérieur Fosc doit être divisée par le PLL prédiviseur pour avoir 4Mhz à la sortie, ensuite cette valeur augmente à 96 Mhz à partir du bloc 96Mhz PLL et par diviser cette valeur sur 2 à partir du bloc PLL post-diviseur, on peut donc avoir la fréquence 48 Mhz.

Figure 15 : circuiterie d'oscillateur primaire

25 | P a g e

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VIII. La configuration du Timer : Pour construire les signaux PWM qui commandent les Mosfets du convertisseur, il faut tout d’abord configurer le Timer. A.

Définition :

Un Timer est un registre à l’intérieur du microcontrôleur qui s’incrémente ou se décrémente chaque fois qu’il reçoit une impulsion d’un signal d’horloge, un timer est donc un compteur capable de compter le temps qui s’écoule, utilisés pour introduire un retard, compter des événements, générer des formes d'onde et également pour la génération du PWM. B.

Le choix du Timer :

Le microcontrôleur PIC 18F4550 contient quatre Timers, les Timers 0,1 et 3 sont des registres de 16 bits et le Timer2 est un registre de 8 bits (TMR2) avec un prédiviseur et un post-diviseur. Nous avons choisi le Timer2 car c’est le Timer utilisé pour générer le signal PWM dont nous avons besoin dans ce projet. C.

La configuration du registre T2CON :

Le Timer2 admet un prédiviseur peut-être paramétré par l’une des trois valeurs : 1, 4 ou 16, tandis que le post-diviseur permet des divisions de 1 à 16 : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 ou 16. Dans ce projet on va diviser la valeur de la fréquence par 1 pour maintenir la valeur de la fréquence à 48Mhz, le registre T2CON responsable de la configuration du Timer2 est représenté sur la figure suivante :

Figure 16 : Le registre T2CON Les bits T2OUTPS3 :T2OUTPS0 représente le post-diviseur du Timer2, lorsqu’on donne un 0 pour tous ces bits on divise la valeur de la fréquence par 1, la même chose pour les bits T2CKPS1 :T2CKPS0 qui représente le prédiviseur du Timer2. Enfin on donne la valeur 1 dans le bit TMR2ON pour active le Timer.

IX.

La configuration du Convertisseur Analogique Numérique :

La configuration du convertisseur analogique numérique est importante pour lire les valeurs de la tension et le courant de sortie.

26 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … A.

Définition :

Le convertisseur CAN (ADC en anglais) est utilisé entre les capteurs et le microcontrôleur pour convertir le signal analogique en un signal numérique et le transmet au microprocesseur qui traite seulement les signaux numériques. Le convertisseur analogique numérique des microcontrôleurs PIC fonctionne selon le principe des approximations successives avec une précision de 10 bits c'est-à-dire 1024 valeurs numériques de 0 jusqu’à 1023, donc sur une plage de 5 volts (𝑉𝑟𝑒𝑓 = 5 𝑉𝑜𝑙𝑡) donne une précision absolue environ 4,9 mV. B.

Les registres utilisés par le convertisseur ADC :

Cinq registres dans le PIC18F4550 pour le module ADC pour contrôler la conversion analogique numérique. 1.

Les registres ADRESH et ADRESL

Les registres ADRESH (octet de poids fort) et ADRESL (octet de poids faible) sont utilisés en combinaison pour stocker les données converties, c'est-à-dire les données numériques. Mais les données ne font que 10 bits de large, donc les six bits restant ne sont pas utilisés. 2.

Le registre ADCON0

Le registre ADCON0 contrôle la sélection du canal (entrée à convertir), l’ordre de début de conversion et la mise en service du module ADC :

Figure 17 : Le registre ADCON0  



Les bits CHS3, CHS2, CHS1 et CHS0 : sont les bits de sélection de canal analogique. Si Le bit GO/ DONE égale à 1 c’est à dire que la conversion progresse (la mise à 1 de ce bit démarre la conversion), et lorsque la conversion terminée ce bit est remis automatiquement à 0 la fin de conversion. Si Le bit ADON égale à 1 c’est à dire que le convertisseur A/D est en service, sinon le convertisseur A/D est hors service. 3.

Le registre ADCON1

Le registre ADCON1 permet essentiellement de définir la fonction des broches qui sont multiplexées avec le convertisseur analogique/numérique.

27 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet …

Figure 18 : Registre ADCON1   

Le bit VCFG1 est le bit de configuration de la tension de référence VREFLe bit VCFG0 est le bit de configuration de la tension de référence VREF+ Les bits PCFG3...PCFG0 sont les bits de contrôle de la configuration du port A/N 4.

Le registre ADCON2

Le registre ADCON2 permet de déterminer la période d’horloge du convertisseur 𝑇𝐴𝐷 , le temps d’acquisition et la façon de charger le résultat de conversion dans les registres ADRESL et ADRESH, voici le registre ADCON2 représenter dans la figure suivante :

Figure 19 : Registre ADCON2 

Le bit ADFM Définit la façon de charger le résultat de conversion dans les registres ADRESL et ADRESH :

Si ADFM = 1 : Justifié à droite. ADRESH ne contient que les 2 bits MSB du résultat. Les 6 MSB bits de ce registre sont lus comme des "0". Si ADFM = 0 : Justifié à gauche. ADRESL ne contient que les 2 bits LSB du résultat. Les 6 LSB bits de ce registre sont lus comme des "0".  

L'utilisateur peut programmer le temps d'acquisition par les bits ACQT2...ACQT0 en fonction de la période d'horloge de l’ADC 𝑇𝐴𝐷 . Les bits ADCS2...ADCS0 détermine la période d’horloge du convertisseur 𝑇𝐴𝐷 . C.

Les étapes de programmation :

Les étapes à suivre pour la programmation sont représentées par les points ci-dessous : 

  

Configurez le registre ADCON1 pour sélectionner la tension de référence à l'aide des bits VCFG1 : VCFG0 et configurez également les broches de port dont nous avons besoin comme entrée analogique à l'aide de PCFG3 : bits PCFG0 ; Configurez le registre ADCON2 pour sélectionner le format de résultat A/N, l'horloge A/N et l'heure d'acquisition ; Configurez ADCON0 Registre pour sélectionner un canal dont nous avons besoin en utilisant CHS3 : CHS0 ; Démarrez la conversion A/N en définissant le bit ADON et le bit Go/done’ du registre ADCON0 ; 28 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet …  

X.

Attendez le bit G0/done’ qui est effacé lorsque la conversion est terminée ; Copiez ensuite les données numériques qui sont stockées dans les registres ADRESH et ADRESL.

La configuration du Module CCP pour le fonctionnement PWM : Dans le module CCP nous somme intéresser par le mode PWM et leur configuration. A.

Le But :

Dans cette partie on va générer le signal PWM de fréquence 100Khz avec un rapport cyclique 50% fixe pour commander l’un des Mosfet par le modèle CCP2, et avec une porte logique NOT on peut commander la deuxième Mosfet du même bras, et après on peut donc utiliser le modèle ECCP1 pour commander les deux autres Mosfet du même bras du convertisseur. B.

Le principe de PWM :

Le principe du PWM alors c’est de construire un signal qui est alternativement LOW et HIGH et de répéter très vite cette alternance avec une fréquence fixe. Elle ne varie pas au cours du temps et un rapport cyclique qui change, tel que le rapport cyclique est un signal rectangulaire défini comme étant le rapport existant entre la durée du temps haut (t1) du signal et sa période (T). Le rapport cyclique est mesuré en pourcentage (%). Le rapport cyclique est calculé à partir de la relation suivante : 𝐷=

𝑇𝑂𝑁 (III. 1) 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑

La figure suivante représente diffèrent valeur du rapport cyclique :

Figure 20 : Le signal PWM avec diffèrent valeur du rapport cyclique C.

Les étapes de configuration :

29 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … 1.

Le réglage de la période du signal PWM

Premièrement on va régler la période du signal PWM à partir du registre PR2 qui est un registre de 8 bits, la relation suivante définir la valeur du registre PR2 : 𝑃𝑅2 =

𝐹𝑂𝑆𝐶 − 1 (III. 2) 𝐹𝑃𝑊𝑀 × 4 × 𝑝𝑟é𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑒𝑢𝑟

Avec :  

FPWM ∶ La frequence du signal PWM que nous voulons generer Pré-diviseur ∶ La valeur du pré-diviseur du Timer2 qui égale à 1 dans ce projet

Application numérique pour trouver la valeur PR2 pour une fréquence 100Khz : 𝑃𝑅2 = 2.

48000000 − 1 = 119 100000 × 4

Le réglage du rapport cyclique du signal PWM

Ensuite on va régler le rapport cyclique du signal PWM, le PIC18F4550 utilise un registre de 10 bits pour définir le rapport cyclique. Les 8 bits supérieurs sont placée dans le registre CCPR2L (8 bits) et les 2 bits inférieurs sont placée dans le registre CCP2CON aux bits 5 et 4 respectivement. À partir de l’équation ci-dessous on peut trouver la valeur de 10 bits pour définir le rapport cyclique : CCPR2L : CCP2CON < 5 : 4 > =

𝐹𝑂𝑆𝐶 𝐷 × 𝐹𝑃𝑊𝑀 × 4 100

(III. 3)

Avec : D : la valeur du rapport cyclique désirée en % Application numérique pour trouver la valeur CCPR2L :CCP2CON pour un rapport cyclique 50% : CCPR2L : CCP2CON < 5 : 4 > = 3.

48000000 50 × = 60 100000 × 4 100

Les dernières étapes de configuration :

La troisième étape c’est de régler la broche CCP2 en sortie à traverse le bit TRIS et enfin on va configurer le module CCP2 pour le fonctionnement PWM à travers les bits CCP2M3 :CCP2M0 trouvez dans le registre CCP2CON par donner à CCP2M3 et CCP2M2 la valeur 1 quelle que soit la valeur des autres bits.

XI.

La configuration du Module ECCP :

Le module ECCP est la version amélioré du modèle CCP, leur configuration est très important pour réguler la tension et le courant de sortie. 30 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … A.

Le But :

Dans cette partie nous allons générer premièrement deux signaux PWM complémentaire de fréquence 100Khz avec un rapport cyclique 50% fixe en mode Half-Bridge (demi-pont) avec le dead-band contrôle (contrôle de la bande morte), ensuite par varier la valeur de dead-band delay, le rapport cyclique des deux signaux PWM changent d’une façon équivalente, et par suite en peuvent donc commander les deux autres Mosfets et en même temps contrôler la largeur d’impulsion du signal rectangulaire Vcd afin de contrôler la tension de sortie du convertisseur, la figure suivante présente les deux signaux PWM complémentaire en mode Half-Bridge avec le dead-band delay :

Figure 21 : Deux signaux PWM complémentaire en mode Half-bridge avec le dead-band delay La méthode de commande utiliser avec le PIC18F4550 est diffèrent à celui que nous avons vu dans le chapitre précédent, mais ils donnent les mêmes résultats, puisque la méthode de PSFB consiste à générer quatre signaux de commande da rapport cyclique fixe 50% et contrôler le déphasage entre Q1 et Q4 et aussi entre Q2 et Q3, mais avec le PIC18F4550 on génère premièrement deux signaux de commande de rapport cyclique fixe 50% complémentaire, ensuite on contrôle la largeur d’impulsion à partir du mode Half-bridge avec le dead-band delay. B.

Les étapes de configuration :

Comme la partie de la configuration du modèle CCP, d’après le réglage de la période du signal PWM à partir du registre PR2, on va maintenant faire les autres étapes qui restent : 1.

Le réglage du rapport cyclique et les broches du signal PWM :

On va régler tout d’abord le rapport cyclique du signal PWM. Les 8 bits supérieurs sont placée dans le registre ECCPR1L (8 bits) et les 2 bits inférieurs sont placée dans le registre ECCP1CON aux bits 5 et 4 respectivement. À partir de l’équation ci-dessous on peut trouver la valeur de 10 bits pour définir le rapport cyclique : ECCPR1L : ECCP1CON < 5 : 4 > =

𝐹𝑂𝑆𝐶 𝐷 × 𝐹𝑃𝑊𝑀 × 4 100

(III. 4)

Avec : D est la valeur du rapport cyclique désirée en % 31 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Application numérique pour trouver la valeur CCPR2L :CCP2CON pour un rapport cyclique 50% : ECCPR1L : ECCP1CON < 5 : 4 > =

48000000 50 × = 60 100000 × 4 100

La troisième étape c’est de régler les broches P1A et P1B en sortie à traverse le bit TRIS. 2.

La configuration du registre ECCP1CON :

L’étape suivante c’est de configurer le registre ECCP1CON représenté dans la figure suivante :

Figure 22 : Le registre ECCP1CON 

 

Les bits CCP1M3 :CCP1M0 sont les bits de sélection de mode CCP, on va donner pour ces bits la valeur 1100, le registre ECCP fonction donc en mode PWM avec P1A, P1C active-high et P1B, P1D active-high. Les bits DC1B1 et DC1B0 sont les 2 bits inférieurs 1 et 0 parmi les 10 bits qui déterminent la valeur du rapport cyclique du signal PWM. Les bits P1M1 et P1M0 sont les bits de configuration de sortie PWM améliorés, qui a deux possibilités :

Si CCP1M3 :CCP1M2 = 00, 01, 10 : Quel que soit la valeur de P1M1 et P1M0 on a P1A affecté comme entrée/sortie de capture/comparaison ; P1B, P1C, P1D affectés comme broches de port Si CCP1M3 :CCP1M2 = 11 : Par donner à P1M1 la valeur 1 et à P1M0 la valeur 0, la sortie est configurer comme demi-pont : P1A, P1B modulé avec contrôle de bande morte ; P1C, P1D assignés comme broches de port. 3.

La configuration du registre ECCP1DEL :

Enfin on termine par la configuration du registre ECCP1DEL qui est un registre qui control le retard de la BANDE MORTE pour le fonctionnement PWM.

Figure 23 : Le registre ECCP1DEL

32 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Les bits PDC6 :PDC0 responsables de déterminer la valeur de dead-band delay, le nombre de valeur de Délai qu’on peut générer pour contrôler notre convertisseur dépend de la fréquence d’oscillateur 𝐹𝑂𝑆𝐶 et la demi période du signal PWM, tel que : 𝑁𝑑 =

Fosc/4 𝐹𝑃𝑊𝑀 × 2

(III. 5)

Avec : Nd est le nombre de valeur que le dead-band delay peut prendre Application Numérique : 48000000⁄ 4 = 60 𝑁𝑑 = 100000 × 2 Donc : les bits PDC6 :PDC0 peut prendre les valeurs de 0 (pas de délai) jusqu’à 60 (le délai presque égale la période du PWM divisée par 2).

XII.

Les formes des signaux de commande et le signal de sortie :

Dans le cas où le dead-band delay est égal à zéro, les formes des signaux de commande des Mosfets et la tension Vab sera comme suite :

Figure 24 : Les signaux de commande sans dead-band delay Si maintenant le dead-band delay existe, c’est à dire qu’il peut prendre une valeur de 0 jusqu’à 60, les formes des signaux de commande des Mosfets et la tension Vab sera comme suite :

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Figure 25 : Les signaux de commande avec le dead-band delay Et par la variation du délai des signaux Q3 et Q4, on peut donc contrôler la largeur d’impulsion du signal Vab ce qui affecte sur le rapport cyclique du signal PWM de la tension Vcd afin de régler la tension de sortie Vo.

XIII. Conclusion : Dans ce chapitre, nous avons fait une étude analytique des documents techniques du PIC18F4550 utilisés dans notre projet, nous avons décrit les paramètres essentiels, et les étapes de programmation pour générer les signaux de commande.

34 | P a g e

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Chapitre IV La modélisation du convertisseur sur Matlab/Simulink en boucle ouvert et en boucle fermé

35 | P a g e

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I.

Introduction :

Simulink est une plateforme intégrée à MATLAB destiné à la simulation multi domaine et à l’approche de conception par modélisation. Il prend en charge la conception et la simulation au niveau système, la génération automatique de code, ainsi que le test et la vérification en continu des systèmes embarqués. Dans ce chapitre, nous allons modéliser le convertisseur DC-DC isolé à pont complet PSFB sous Matlab/Simulink pour observer son comportement en boucle ouverte et en boucle fermée.

II.

Modélisation en Boucle ouvert :

Dans cette modélisation nous allons utiliser des modèles de Powerlib avec une entrée de 400 V, une batterie Plomb acide en sortie et des générateurs des signaux PWMs, le schéma électrique suivant montre le montage utiliser :

Figure 26 : Schéma électrique du convertisseur sous Matlab/Simulink en Boucle ouvert Les paramètres des signaux de commande sont : Le signal PWM du Mosfet Q1 :    

Amplitude : 12V ; Période : 1/100k second ; Largeur de l’impulsion : 50% ; Retard de phase : 0 second.

Le signal PWM du Mosfet Q2 :    

Amplitude : 12V ; Période : 1/100k second ; Largeur de l’impulsion : 50% ; Retard de phase : 2/100k second.

36 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Le signal PWM du Mosfet Q3 :    

Amplitude : 12V ; Période : 1/100k second ; Largeur de l’impulsion : 40% ; Retard de phase : 2/100k second.

Le signal PWM du Mosfet Q4 :    

Amplitude : 12V ; Période : 1/100k second ; Largeur de l’impulsion : 40% ; Retard de phase : 0 second.

La batterie Plomb acide utilisée dans la simulation prend les caractéristiques suivant :    

Tension nominale : 12.6 Volts ; Capacité de la batterie : 75 Ah ; État de charge initial : 50% ; Temps de réponse de la batterie : 1 second.

La figure suivante représente le traçage des signaux de commande :

Figure 27 : le traçage des signaux de commande des Mosfets Q1, Q2, Q3 et Q4

37 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … La tension Vab a l’entrée du transformateur prend la forme suivante :

Figure 28 : la tension d’entrée du transformateur sous Matlab/Simulink Le courant primaire Ip entrée dans le primaire du transformateur est le suivant :

Figure 29 : le courant Ip sous Matlab/Simulink La tension de sortie Vo prend une valeur presque 12.6 V, et le courant de sortie Io prend une valeur presque 62A : 38 | P a g e

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Figure 30 : La tension de sortie sous Simulink en boucle ouvert

Figure 31 : Le courant de sortie sous Simulink en boucle ouvert Et voici la courbe de l’état de charge qui augmente au cours du temps puisque nous somme dans le mode de charge :

Figure 32 : la courbe d’état de charge

III.

La réalisation de la boucle de régulation :

Pour contrôler les Mosfets du convertisseur, il faut réaliser une boucle de régulation du courant et du tension, et trouver les paramètres convenable pour donner les meilleurs résultats. A.

Définition :

Les régulateurs ont pour tâche de comparer, une valeur de consigne avec la valeur de mesure correspondante afin d’agit sur la grandeur de commande pour rendre la valeur de mesure aussi proche que possible de la valeur de consigne. Le schéma bloc de la boucle de réglage est représenté dans la figure ci-dessous :

39 | P a g e

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Figure 33 : Schéma bloc de la boucle de réglage B.

Les types des régulations :

Il existe plusieurs types de régulation, mais dans ce travaille nous somme intéresser par les régulateurs PID :   

Le régulateur proportionnel P ; Le régulateur proportionnel intégral PI ; Le régulateur proportionnel intégral dérivée PID.

L’augmentation de l’action proportionnelle provoque une diminution de l'erreur statique, rend le système plus rapide mais augmente l’instabilité du système, la fonction de transfert du correcteur : 𝐺𝑟 (𝑠) = 𝐾 (IV. 1) L’action intégrale est complémentaire à l'action proportionnelle, elle permet de stabiliser dans le temps l'action proportionnelle, plus l'erreur mesurée est constante plus la correction est constante, la fonction de transfert du correcteur : 𝐺𝑟 (𝑠) =

1 (IV. 2) 𝑇𝑖 × 𝑠

L’augmentation de l’action dérivée Td provoque l’amélioration de la stabilité mais diminuer la précision du système, la fonction de transfert du correcteur : 𝐺𝑟 (𝑠) = 𝑇𝑑 × 𝑠 (IV. 3) Voici le schéma blocs d’un régulateur PID en parallèle :

Figure 34 : Schéma bloc de la boucle de réglage 40 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … C.

La conception des régulateurs :

La boucle de régulation du courant utilisée lorsque la tension de la batterie est inférieure à 13.5V est représentée sous la figure suivante :

Figure 35 : boucle de régulation de courant sous Matlab/Simulink Dans un premier temps, on a fait la régulation PI du courant de sortie et limiter la sortie à la valeur 50% qui est la valeur maximale du rapport cyclique pour contrôler les deux Mosfets du primaire du même bras, afin de générer deux signaux de commande PWM par le bloc PWM Generator, l’un déphase par l’autre de T/2 en utilisant le bloc Transport Delay. Dans cette section nous montrons à travers un exemple de calcul la technique utilisée pour dimensionner le régulateur du type proportionnel intégral « PI ». Pour trouver les paramètres P et I, il faut trouver tout d’abord la fonction de transfert du système, tel que l’entrée du système est le rapport cyclique que l’on veut contrôler, et la sortie du système est le courant de sortie. Pour le faire on va utiliser l’outil system identification du Matlab par suivre les étapes suivante : En exécutant la commande ident, la fenêtre de cet outil apparaît comme dans la figure 36 :

Figure 36 : Fenêtre de l’outil system identification On choisit dans la fenêtre Import data l’option time domaine data pour définir l’entrée et la sortie du système et les données du temps, en peut stocker les données d’entrées et de sortie par le bloc To workspace sur simulink. 41 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Ensuite dans la fenêtre Estimate, on choisit Transfert function models pour donner une estimation de la fonction de transfert, mais après il va donner une fenêtre pour choisir le nombre de pôles et de zéro, et après par cliquer sur Estimate, cette outille donner la fonction de transfert avec un pourcentage d’estimation, tel que 100 c’est à dire que la fonction de transfert générer est complètement équivalent a le système étudier. Dans notre cas on trouve un pourcentage de 99.8%, la figure 37 présente le courant de sortie du système et son estimation :

Figure 37 : le courant de sortie du système et son estimation On trouve que la fonction de transfert trouvé est : −1.85 × 104 × 𝑆 2 − 1.4 × 108 × 𝑆 + 8.84 × 1011 𝐻1(𝑠) = 𝑆 2 + 6.92 × 108 × 𝑆 + 5.54 × 109

(IV. 4)

Enfin, on réalise la boucle suivante en utilisant la fonction de transfert 𝐻1(𝑠) avec un régulateur PI limiter par la valeur de 50% et utiliser l’outil PID tuning integrer dans le bloc PID controller pour trouver les valeurs P et I :

Figure 38 : la boucle de régulation du courant avec la fonction de transfert estimée Avec : 𝑃 = 0.0014 𝐼 = 16.76 42 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Maintenant on va réaliser la boucle de régulation de la tension utilisée lorsque la tension de la batterie est supérieure à 13.5V :

Figure 39 : la boucle de régulation de la tension sous Matlab/Simulink Par suivre les memes étapes, on trouve la fonction de transfert du système 𝐻2(𝑠), tel que l’entrée est le rapport cyclique du signal de commande et la tension de sortie comme sortie du système, avec un pourcentage

d’estimation de 98.3% :

Figure 40 : la tension de sortie du système et son estimation La fonction de transfert trouvet est le suivant : 𝐻2(𝑠) =

2.06 × 107 × 𝑆 + 2.82 × 109 (IV. 5) 𝑆 2 + 6.61 × 105 × 𝑆 + 9.047 × 107

Enfin, on réalise la boucle suivante en utilisant la fonction de transfert 𝐻2(𝑠) avec un régulateur PI limiter par la valeur de 50% et utiliser l’outil PID tuning intégrer dans le bloc PID controller pour trouver les valeurs P et I :

Figure 41 : la boucle de régulation de la tension avec la fonction de transfert estimée 43 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … Donc : 𝑃 = 0.0057 𝐼 = 4203 On peut combiner les deux boucles de régulation à partir du bloc switch, on donne à ce bloc si la valeur de la tension de la batterie supérieur à 13.5 V, on fait la commande des deux mosfets par les sorties de la boucle de régulation de tension, sinon on commande les deux mosfets par les sorties de la boucle de régulation du courant, comme la figure 42 montre :

Figure 42 : la combinaison des boucles de régulation sous Matlab/Simulink Dans un premier temps nous avons fixé une valeur du rapport cyclique D, les paramètres du correcteur PI seront donc calculés pour la fonction de transfert obtenue. Dans un deuxième temps, nous testerons le système pour les autres valeurs du rapport cyclique.

IV.

La modélisation en Boucle fermé :

Le schéma électrique du convertisseur en boucle fermer avec la régulation avec une batterie lead acide en sortie dans les caractéristiques est les suivantes :     

Tension nominale : 12.6 Volts Capacité de la batterie : 75 Ah État de charge initial : 50% Temps de réponse de la batterie : 1 second Tension de floating : 13.7 Volts 44 | P a g e

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Figure 43 : Schéma électrique du convertisseur PSFB sous Matlab/Simulink en boucle fermer Et voici les résultats de sortie du convertisseur : 

La tension de sortie :

Figure 44 : la tension à la borne de la batterie à l’état 50% en Boucle fermé On observe que la tension est presque de 12.5 V et augmente lentement au cours du temps, c’est à dire que la batterie est en mode de charge. 

Le courant de sortie :

Figure 45 : le courant consommé par la batterie à l’état 50% en Boucle fermé On observe que le courant est prend une valeur autour de 22.5 Ampère mais avec un signal bruité, comme solution on peut augmenter la valeur de l’inductance Lo. Pour une valeur de 40 uH, on trouve le résultat suivant :

45 | P a g e

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Figure 46 : le courant consommé par la batterie à l’état 50% à Lo augmenté en Boucle Fermé On observe donc que nous avons réussie de respecter le cahier de charge. 

La tension de la batterie :

La figure suivante présente la tension de batterie en boucle fermé dans le cas où l’état de la batterie est de 50% :

Figure 47 : la tension à la borne de la batterie à l’état 50% à Lo augmenté en boucle fermé Lorsque la batterie arrive à l’état 100%, le courant de la batterie égale 0A et leur tension prend la valeur 13.7 V :

Figure 48 : la tension à la borne de la batterie à l’état 100% en boucle fermé

Figure 49 : le courant consommé par la batterie à l’état 100% en boucle fermé

46 | P a g e

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V.

Conclusion :

Dans ce paragraphe nous avons vu la réponse du système en boucle ouvert et on boucle fermer avec la régulation PI afin de réussir à contrôler le courant et la tension de charge, il reste maintenant la simulation du projet en utilisant le PIC18F4550, et ça ce qu’on va faire dans le chapitre suivant.

47 | P a g e

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Chapitre V La modélisation du Projet sous Proteus

48 | P a g e

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I.

Introduction :

Dans ce chapitre, nous allons modéliser le convertisseur DC-DC isolé à pont complet sous Proteus pour observer son comportement réel en boucle ouverte et en boucle fermée.

II.

Description du logiciel Proteus :

Proteus est une suite logicielle éditée par la société Labcenter Electronics composé de deux logiciels principaux : ISIS, permettant entre autres la création de schémas et la simulation électrique, et ARES, destiné à la création de circuits imprimés. Grâce à des modules additionnels, ISIS est également capable de simuler le comportement d’un microcontrôleur (PIC, Atmel, 8051, ARM, HC11…) et son interaction avec les composants qui l’entourent.

III.

Simulation en boucle ouvert :

Premièrement on va voir la configuration du PIC18F4550 sur Proteus et les signaux de commande qui va générer, avec des différents valeurs de dead-band delay, la figure suivante présente le schéma électrique du PIC18F4550 avec les sorties de commande Q1, Q2, Q3 et Q4 :

Figure 50 : le schéma électrique du PIC avec les sorties de commande sous Proteus La configuration du PIC est représenté dans la figure suivante, tel que dans la cellule programme file on intègre le fichier hexadécimal du programme qu’on a fait par le logiciel MPLAB ; et sur la cellule processeur clock frequency on détermine la fréquence de Quartz utilisé.

Figure 51 : Paramètre du PIC8F4550 sous Proteus Dans le cas où le dead-band delay égale à zéro, l’oscilloscope montre les signaux suivants : 49 | P a g e

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Figure 52 : les signaux de commande dans le cas dead-band delay égale zéro sous proteus Avec :    

Channel A : signal Q1 ; Channel B : signal Q2 ; Channel C : signal Q3 ; Channel D : signal Q4.

Dans le cas où le dead-band delay prend une valeur égale 30, on observe qu’il existe un délai des signaux Q3 et Q4 sur l’oscilloscope :

Figure 53 : les signaux de commande dans le cas dead-band delay égale 30 sous proteus

50 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … D’après avoir générer les signaux de commande, la figure suivante montrent le modèle du convertisseur DC-DC isolé a pont complet avec une batterie comme sortie, tel que :   

Tension d’entrée : 400V ; Le dead-band delay : 1 ; Batterie 12V de résistance interne de 6.6mΩ.

Figure 54 : Le modèle du convertisseur DC-DC isolé a pont complet sous Proteus en boucle ouvert Maintenant on va voir le traçage de la tension Vab a l’entrée du transformateur :

Figure 55 : La tension Vab en boucle ouvert Le traçage de la tension de charge du convertisseur en boucle ouvert avec les paramètres précèdent tend vers 12.6V :

51 | P a g e

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Figure 56 : La tension de charge en cas boucle ouvert sous Proteus Le traçage du courant de charge du convertisseur en boucle ouvert avec les paramètres précèdent prend la valeur 82A :

Figure 57 : Le courant de charge en cas boucle ouvert sous Proteus

IV.

Simulation en boucle fermé :

Dans le cas de boucle fermé on a besoin premièrement d’un capteur de courant, ce capteur doit être lire les valeurs de courant de 15 A et plus, puisque on veut dans la première partie de la charge fixer le courant a cette valeur. Alors le capteur utilisé ces de type ACS712-30A :

Figure 58 : Capteur de courant ACS712-30A Ensuite on q besoin d’un capteur de tension pour réguler la tension de floating, ce capteur est tout simplement un diviseur de tension : 52 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet …

Figure 59 : Capteur de tension La diode Zener est utilisé pour limiter la tension qui va entrer dans l’un des broches du convertisseur analogique numérique du microcontrôleur pour ne pas dépasser 5Volt, c’est une diode de type 1N4733A. La tension du capteur sera transformée en un signal numérique, afin de traiter ce signal pour donner la valeur de dead-band delay convenable pour trouver à la sortie du convertisseur une tension entre 13.5V et 13.8V comme tension de floating. Le schéma électrique en boucle fermer sous Proteus avec les mêmes paramètres précédents est représenté ci-dessous, tel que la sortie du capteur de courant liée avec la broche AN0 et la sortie du capteur de tension liée avec la broche AN1 :

Figure 60 : Le modèle du convertisseur DC-DC isolé a pont complet sous Proteus en boucle fermé Dans la première partie de charge, nous allons limiter la valeur de courant autour de 22.5 A, le traçage du courant après la régulation est représenter sous la figure suivantes :

53 | P a g e

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Figure 61 : Le courant de charge en cas boucle fermer sous Proteus avec une tension batterie 12V On observe que le courant fait une variation entre 22 A jusqu’à la valeur 23.5 A, ce qui respecte le cahier de charge. Lorsque la tension de batterie égale 12V, la tension de charge tend vers 12.2 Volt :

Figure 622 : La tension de charge en cas boucle fermer sous Proteus avec une tension batterie 12V La deuxième étape c’est de régler la tension de charge lorsque la tension de la batterie arrive à la valeur 13.5 Volt. Le traçage de la tension de floating et courant de sortie du convertisseur en boucle fermé lorsque la tension de la batterie égale 13.7 V est représentée ci-dessous :

Figure 633 : La tension et le courant de sortie en boucle fermé en cas la batterie a 13,7V sous Proteus 54 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet … On observe que la tension de charge prend la valeur de 13,7 Volt et le courant est très petit tend vers 0 Ampère, on peut dire donc que la recharge de la batterie a été terminer.

V.

Conclusion :

D’après la modélisation du convertisseur DC-DC isolé à pont complet sous le logiciel Proteus qui nous a permis de vérifier le comportement plus proche de la réalité de ce convertisseur et d’après les figures précédentes que le système en boucle fermée nous a permis d’obtenir, on peut dire que nous avons réussi à satisfaire les exigences données par le cahier des charges.

55 | P a g e

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Conclusion générale : Tout au long de la préparation de notre projet de fin d’études, nous avons essayé de mettre en pratique les connaissances acquises durant nos études universitaires et cela dans le but de réaliser un convertisseur DC/DC isolé a pont complet commandé par un microcontrôleur PIC18F4550 utilisés dans les véhicules électriques pour la recharge des batteries. D’après la détermination du cahier de charge, nous avons réussi à dimensionner les composants utilisés dans ce projet et faire les calculs nécessaires pour obtenir les meilleurs résultats. Nous avons principalement basé sur le convertisseur PSFB à cause de leur haute efficacité et leur isolation galvanique et d’autres avantages. Nous avons commandé ce dernier à partir de quatre signaux PWM, deux son complémentaire, à une valeur de fréquence fixe et un rapport cyclique fixe de 50%, et les deux autres signaux sont aussi dans un premier temps complémentaire à une valeur de fréquence fixe et un rapport cyclique fixe de 50% avant de régler leurs dead band delay pour trouver la sortie convenable. Nous avons utilisé dans ce projet le logiciel Matlab/Simulink pour la modélisation et la simulation du comportement du convertisseur en boucle ouverte et en boucle fermée, ensuite on a fait la modélisation sous le logiciel Proteus pour vérifier le comportement du convertisseur avec le microcontrôleur PIC18F4550 programmé par le logiciel MPLAB XC8 afin de vérifier ce code avec le convertisseur étudié sur Proteus. Finalement nous avons pu avoir les résultats de notre convertisseur qui respecte les exigences du cahier de charges et les vérifiés à l’aide des logiciels, et nous avons réussie de contrôler le courant et la tension de floating pour charger la batterie 12V.

56 | P a g e

PFE 2021 | Etude, conception et simulation d’un convertisseur DC-DC isolé à pont complet …

Bibliographie: [1] : Texas Instrumentation, How to Design Multi-kW Converters for https://training.ti.com/how-design-multi-kw-dcdc-converters-electric-vehicles-evs.

Electric

Vehicles,

[2] : Allali, N. (2016). Convertisseur haut rendement à dimensionnement réduit pour batterie hybridée puissance/énergie de véhicule électrique : Principe de source de courant contrôlée. [3] : Monteiro, V., Gonçalves, H., Ferreira, J. C., Afonso, J. L., Carmo, J. P., & Ribeiro, J. E. (2012). Batteries charging systems for electric and plug-in hybrid electric vehicles. In New Advances in Vehicular Technology and Automotive Engineering (pp. 149-168). InTech. [4] : Wan, H. (2012). High efficiency DC-DC converter for EV battery charger using hybrid resonant and PWM technique (Doctoral dissertation, Virginia Tech). [5] : Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering (2019). "Study and Design of a Full Bridge DC / DC Power Converter". http://www.hrpub.org/download/20190430/UJEEE1-14913010.pdf [6] : Zhaksylyk, Assel. "Implementation of a Phase Shifted Full bridge DC-DC ZVS converter with peak current mode control." (2019). [7] : MICROCHIP, PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet. [8] : MICROCHIP, Quarter Brick PSFB DCDC Converter Reference Design using the dsPIC® DSC [9] : Boucherit, A. (2011). Conception d'un convertisseur de puissance pour véhicules électriques multisources (Doctoral dissertation, Université de Technologie de Belfort-Montbeliard). [10] : Texas Instrumentation, "Phase-Shifted Full-Bridge, Zero-Voltage Transition Design Considerations", https://www.ti.com/lit/an/slua107a/slua107a.pdf

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Annexes : Annexe 1 : Datasheet de la batterie Plomb acide 12V 75 AH utiliser dans les calculs

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Annexe 2 : Datasheet du Mosfet IRFP460Datasheet du Mosfet IRFP460

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Annexe 3 : Datasheet de la diode 160CMQ

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Annexe 4 : désigne du transformateur à partir du site poweresim

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Annexe 5 : Caractéristique du Capteur ASC712 30A

Annexe 6 : Datasheet IR21094

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