P14A09 Module convertisseur DCDC intelligent

Projet GE4-GE5 2014-2015 : P14A09

Auteurs : Bachir MEGHNINE, Mahamane TOURE
Entreprise / Client : Eaton Corporation / Jonathan BERNARD
Responsable Projet : Jacques LAFFONT
Tuteur industriel : Jean-Yves RIGNAULT

Résumé

Abstract

Introduction

1. Présentation de l'entreprise
2. Les besoins du client

a. Situation actuelle et problème
b. Solutions envisageables
c. Objectif du projet et problématique

3. Cahier des Charges
4. Synoptique
5. Développement

a. Étude du module fourni par le client
b. Contrainte de mise en parallèle
c. Techniques de variation tension de sortie du convertisseur DC/DC

- Méthode du jfet
- Méthode du potentiomètre numérique

d. Mesure du courant
e. Mesure de la tension
f. Mesure de la température
g. Procédure de mise en parallèle
h. Caractéristique du produit final

6. Gestion de Projet

a. W.B.S.
b. Gantt

7. Conclusion

8. Notes d'application

a. sujet 1 Mise en parallèle de deux structures de convertisseurs DC/DC Boost
b. sujet 2 Études des disparités de convertisseurs DC/DC Boost

9. Bilan

a. État d'avancement
b. Analyse Critique
c. Perspectives

10. Bibliographie


Résumé

L’objectif de ce projet est de concevoir des modules convertisseurs intelligents, c’est-à-dire modifier la structure des cartes
fournies par le client afin d’avoir en sortie une tension variable, trouver une méthode pour la mise en parallèle de ces convertisseurs intelligents, faire communiquer les différents modules via un bus CAN, programmer les microcontrôleurs à partir d’une interface PC/CAN USB, réaliser des cartes de mesure qui seront utilisées lors de la régulation et la mise en parallèle des modules.
Ce projet a été proposé par la société Eaton qui conçoit et fabrique pour ces clients des systèmes d’alarmes et de détection
d’incendie pour la sécurité des bâtiments, et aussi des alimentations propres à ces systèmes pour assurer leur bon fonctionnement.

Mots clés :
Convertisseur intelligent
Eaton


Abstract

The aim of this project is to design intelligent converter modules, it means, change the structure of modules that we have
in order to have a variable output voltage , find a method for putting in parallel the modules intelligent converters , to doing communicate the different modules in parallel via a CAN bus, to Programm microcontrollers from a PC / CAN USB interface, make cards measure that will be used in the regulation and putting in parallel of modules
This project was proposed by the Eaton company that designs and manufactures alarm systems and fire safety for these
customers and also ensure the best fonctioning of these systems.


Introduction

Dans le cadre du cycle ingénieur Génie Électrique à Polytech Clermont-Ferrand, il est demandé de mener à bien un projet
avec un client d’une société industrielle. Le client en relation avec ce projet est Jonathan Bernard, chef de projet en recherche et développement de l’entreprise Eaton Corporation située à Riom.
Le thème de ce projet est la conception et la réalisation de modules convertisseurs intelligents. Ces modules serviront à
alimenter les différents systèmes d'alarme présents dans des bâtiments avec en majorité les sirènes d'alarme à incendie, les tourelles ou caissons de désenfumage et les ventouses retenant les portes coupe-feu.
Les enjeux de ce projet sont d'augmenter la puissance fournit aux systèmes sans avoir à modifier la technologie des
convertisseurs actuels qui ont une puissance limitée. La mise en œuvre de ce projet permettra au client d'avoir une plus forte rentabilité dans la production des convertisseurs actuels.
Dans la première partie du projet qui se déroule en quatrième année, une gestion de projet a été établie. Elle consistera à
présenter l’entreprise et mettre ainsi en valeur l’intérêt du projet pour l'entreprise. Il sera de même exposé les besoins du client avec notamment le cahier des charges muni de ces objectifs et contraintes. Pour terminer une gestion des tâches et du temps sera établie pour la cinquième année qui durera 140h.
Pendant cette cinquième année, l'objectif est de réaliser les solution aux problèmes en mettant en œuvre les différentes
solutions technologique étudié en quatrième année.


1-Présentation de l'entreprise

La société avec laquelle nous collaborons est Cooper Sécurité SAS qui appartient à Cooper Safety du groupe
Eaton Corporation.

Cooper Securite a été crée en 1999 après la fusion de quatre entreprises chacune dominante dans leur propre activité :
Luminox (éclairage de sécurité) Nugelec (alarme et la détection incendie) Cooper Security (Alarme anti-intrusion) et CCH-Ceag (matériels électriques pour atmosphères explosibles).

L’objectif majeur de cette union est de fournir à leurs clients un équipement alliant le même niveau de sécurité, une même
exigence de qualité et une même capacité d’innovation technologique.

Au niveau interne de la société situé à Riom(63), elle détient un effectif de 220 personnes pour un chiffre d’affaire de
58 millions d’euros.


2-Les besoins du client

2-a-Situation actuelle et problème

Un système de sécurité est généralement alimenté par batterie qui délivre une tension constante. En fonction de la charge qui doit être alimenté, il nous est nécessaire d’établir un convertisseur qui va abaisser ou élever la tension d’entrée.

Le problème qui survient est qu’un convertisseur est limité en puissance. C'est-à-dire que pour une tension donnée il ne pourra pas délivrer le courant nécessaire pour la charge. L'entreprise pour laquelle le travail va être effectué dispose dans son portfolio des modules 30W 60W et 120W.

Actuellement lorsque les clients de l'entreprise veulent ajouter des systèmes d'alarme, ils doivent impérativement faire un nouveau circuit comme dans l'image suivante.

Ainsi un fort problème se pose, EATON veut éviter à ces clients d'avoir plusieurs circuits dans leur batiments. La raison principal est de pouvoir vendre leurs produits avec un atout de facilité d'installation qui est un critère important car cela leur permettrait de faire la différence devant leur concurrents.

2-b-Solutions envisageables

Ainsi afin d'éviter aux clients d'avoir plusieurs circuits dans leur bâtiments, deux solutions sont possibles.

La première est de concevoir des alimentations plus puissantes que celle actuellement chez Eaton soit plus de 120W.
Cependant cette solution présente des inconvénients, premièrement cela demande une technologie différente de conception ce qui n'est pas pratique au sein de la production de l'entreprise d'avoir deux design différents. De plus le fait de créer un nouveau module peut engendrer des couts élevés car si peu de leurs clients ont besoin de ces modules plus puissants cela engendrera un faible volume de production. Pour finir bien qu'on crée un nouveau module on aura toujours ce problème de limitation de puissance.

La deuxième solution est la mise en parallèle de module élémentaires c'est a dire les modules que l'entreprise produit en
forte quantité notamment les 120W. Les atouts sont que cela va augmenter les volumes de production de ces modules élémentaires et le plus important c'est que cela sera adaptable à toute puissance.

C'est ainsi cette deuxième solution qui va être abordée lors de ce projet.

2-c-Objectif du projet et problématique


Pour ce qui est de l'objectif du projet c'est de pouvoir augmenter la puissance d'alimentation, passer d'un circuit limité à
120W vers un autre circuit dépassant ces 120W. Pour faire cela on doit se confronter à deux problèmes un qui relève de la physique et un autre imposé par le client.

Le premier est que pour éviter toute détérioration des modules il ne faut pas qu'il y ait de courant qui soit délivré l'un dans
l'autre.

Et le deuxième est le fait qu'il faut que chaque module délivre le même courant durant leur fonctionnement. Les raisons
sont que ces modules sont généralement alimenté par des batteries et afin qu'elles soient toute remplacé en même temps lors de leur décharge il faut garantir qu'elles soient toute déchargé au même instant. De plus si les modules délivrent les même courant cela une usure homogène des modules.

On peut voir sur ce schéma l'objectif à atteindre.

3-Cahier des Charges

Le cahier des charges devant être respecté à la fin de ce projet est le suivant :

- Modifier les modules actuels convertissant 15V -> 48V en des modules convertissant 15V -> 48V +/-8V. Ceci permettra de passer d'un mode veille à 40V vers un mode sécurité 48V.

- Chaque module doit pouvoir faire un auto diagnostic c'est à dire qu'il devra pouvoir mesurer courant et tension à 5% près et de plus il devra mesurer la température au niveau des batteries à 5% près.

- La différence de courant à garantir entre les modules doit être minimale inférieur à 50mA, pour permettre une décharge homogène et une usure homogène des batteries et modules.

- La tension consigne doit être commandable à partir d'un PC

- Le système doit pouvoir se stabiliser en 250ms

4-Synoptique

Pour réaliser il sera opté d'utiliser le Bus CAN pour effectuer les communications entre les modules et le PC, car c'est un bus
standard et qui est robuste aux perturbations notamment celle qui seront présente près du convertisseur.

Voici le synoptique du projet:

Chaque module relié par le bus de communication et pour chacun un auto diagnostic de la tension et du courant délivré. De
plus on peut y remarque vers le bas le fait que ce projet doit être reproductible à plus de trois modules en parallèle.

5 - Développement

5-a-Etude du module fourni par le client

Afin de résoudre ces problématiques il nous a été fourni le matériel suivant :

- Un convertisseur de tension 12V -> 24V de puissance 30W

- Le schéma de ce convertisseur

Sur cette image on peut y voir le schéma du convertisseur avec en entourés les éléments essentiels de ce convertisseur que
l'on résume comme suit:

A partir de là sera expliqué le fonctionnement de ce convertisseur.

D’après cette relation on voit que la tension de sortie varie en fonction du rapport cyclique, c'est-à-dire qu’elle
est dépendante du temps d’ouverture et de fermeture de l’interrupteur représenté par le MOSFET IRF540N.

Pour régler ce rapport cyclique, sur la carte il est utilisé le composant LT1680 qui va en fonction d’une valeur de tension au
niveau de la broche Vfb réguler la tension qui commande le MOSFET IRF540N via la broche GATE.

5-b-Contrainte de mise en parallèle

En électronique, il est interdit de mettre des sources de tension en parallèle à moins que leurs caractéristiques ne soient identiques. Sachant qu’on ne peut pas avoir des sources de tension parfaitement identiques, en les mettant en parallèle, cela peut conduire à un dysfonctionnement du système.

Par exemple en mettant deux sources en parallèle et en absence de toute charge, il y en a une qui se décharge dans l’autre. Et en présence de charge, elles ne fournissent pas le même courant, il y en a une qui fournit plus de courant que l’autre et cela dépend en réalité de l’écart de tension entre les deux sources.
Comme on peut voir sur le graphe ci-dessous, le problème de mise en parallèle de deux sources de tensions :

D’après ce graphe nous pouvons remarquer que plus l’écart de tension est grand plus l’écart de courant est grand. Pour seulement 15mv d’écart nous avons 50mA d’écart. Cela signifie que la commande de tension nécessite beaucoup de précision.

Nous avons vu précédemment que la variation de la tension de sortie dépend du rapport cyclique et que ce dernier dépend composant LT1680 et d’un niveau de tension (par deux résistances). Donc pour faire varier la tension de sortie nous faisons varier le niveau de tension donc les résistances.

Au départ nous avons retenu deux méthodes pour réaliser une résistance variable. La première qui est de monter un JFET en résistance variable et la deuxième en utilisant un potentiomètre numérique. Nous avons aussi utilisé une résistance talon pour utiliser au mieux toute la plage de variation de notre résistance variable.
Le schéma ci-dessous représente la méthode utilisée, la résistance talon est de 1,2kΩ afin d’atteindre les 40V et la résistance variable de 0 à 700Ω pour la variation de 40 à 56V.

Méthode du jfet

Pour cette partie, nous avons utilisé un JFET standard que nous avons commandé par une PMW filtrée (10 bits). La résistance varie en fonction de Vgs

Pour Vgs є [-0.06, -0.4] V -> Rds є [69, 650]Ω.
Après avoir mis cette méthode en place, nous avons obtenu une de 0.75V par pas soit 29.4Ω par pas. Cette méthode a donc été abandonnée à cause du manque de précision. Voir schéma ci-dessous :

Méthode du potentiomètre numérique


Pour cette méthode, le problème reposait sur le choix du potentiomètre numérique. Les critères de choix du potentiomètre étaient : une variation de 0 à 700 Ω avec un maximum de pas et supportant un Courant de 900μA.

Notre choix s’est donc porté sur l’Analog devices AD5252 de 1KΩ avec 8bits, supportant un courant max de 20mA et avec une Communication I2C.
C’est la méthode que nous avons retenu car nous avions une précision de 0.1V par pas sur la tension. Voir le montage sur le schéma ci-dessous :

5-d-Mesure du courant

La mesure du courant étant un point très important du projet, nous avons utilisé le composant Max4080? pour la réaliser. Ce composant amplifie la chute de tension aux bornes de la résistance. Dans ce projet nous avons pris une résistance de 1Ω car c’était plus petite dont nous disposions. Nous avons donc relevé une précision 0,005A et une perte en puissance de 0,5% sur cette mesure, sachant que cette perte est liée à la valeur de la résistance, Plus cette résistance est petite plus la puissance est négligeable. Voir le montage sur la figure ci-dessous :

5-e-Mesure de la tension


Pour la mesure de la tension, nous avons utilisé la méthode du pont diviseur afin d’adapter la tension de sortie du module entrée du microcontrôleur et nous avons choisi des résistances très grands pour négliger la perte de puissance. La valeur des résistances R1 = 98 KΩ R2 = 8KΩ, une précision de 0,06 V et une perte en puissance de 29 mW. Voir le schéma du montage ci-dessous :

5-f-Mesure de la température

La mesure de la température est une tâche que nous n’avons pas effectuée avec l’accord de notre client. Pour cette mesure, nous pouvons utiliser un capteur de température avec une liaison I2C car c’est un protocole que nous avons utilisé durant le projet.

5-g-Procédure de mise en parallèle

Nous avons utilisé une notion de Maitre/Esclaves, pour la mise en parallèle des modules et en implantant un algorithme au niveau du maitre et un autre pour les eclaves. Ci-dessous l’algorithme du maitre :

Tout d’abord, il envoie une tension consigne, ensuite il mesure son courant avant d’envoyer des requêtes de courant aux esclaves. Pour finir suivant la valeur du courant des esclaves il va soit envoyer un ordre d’augmentation ou de diminution de la tension.

Ci- dessous l’algorithme des esclaves :

Cet algorithme commence par la réception d’un message du maitre et selon l’identifiant de ce message, l’esclave concerné va soit mesurer son courant et l’envoyer au maitre, soit modifier sa tension consigne, soit augmenter ou diminuer sa tension de sortie en modifiant la valeur du potentiomètre numérique.

5-h-Caractéristique du produit final

Notre produit final étant nos trois modules convertisseurs mis en parallèle et connectés à une charge variable, les caractéristiques de notre produit final sont les suivants :

• Temps de démarrage de 5 secondes
• Différence de courant de sortie de 40mA maximum, soit une différence de 5% pour un courant supérieur à 750mA, sachant que ce courant correspond au courant à partir duquel on ajoute un nouveau module.

Les améliorations à apporter à ce projet serait la mise en œuvre d’un correcteur PI pour la régulation.
Ci-dessous le schéma de la carte de test :

6-Gestion de Projet

6-a-W.B.S.

L’organisation du travail sera organisée en 4 grandes parties qui pourront toute être effectués en parallèle, voici la décomposition du travail que l’équipe effectuera.

6-b-Gantt

Voici le diagramme de Gantt qui permet de visualiser dans le temps les diverses tâches qui seront effectuées durant ce projet.

7-Conclusion

Ce projet en partenariat avec l’entreprise Eaton aura permis d’avoir une première expérience professionnelle en tant que futur ingénieur. La gestion de projet aura été très enrichissante tant au niveau technique qu’au niveau professionnelle de par les relations qui étaient présentes avec le client par mail et lors des séances de projet.

8-Notes d'application

8-a-sujet 1 : Mise en parallèle de deux structures de convertisseurs DC/DC Boost

Mise en parallele de deux structures de convertisseurs DCDC Boost

8-b-sujet 2 : Études des disparités de convertisseurs DC/DC Boost

Etudes des disparites de convertisseurs DCDC Boost

9-Bilan

.............

9-a-État d'avancement

Pour ce qui est de l'avancement de ce projet nous avons pu fournir au client une démonstration de notre etude qui fonctionne selon les caractéristiques. Cependant il manquerait pour être en toute concordance avec les exigences des prototype imprimé avec les composants sur carte. Cependant par manque de temps nous avons preferé nous investir plus dans les différentes fonctionalité du prototype plutot que de se lancer dans les soudures qui nous auraient probablement pris du temps de debug.

.............

9-b-Perspectives

Pour ce qui reste à faire une amélioration de la régulation en optant pour une régulation de type PI qui necessite de la recherche. D'autre pour pouvoir executer à la fois la regulation et le monitoring une démarche en optant pour du temps réel pourrait être une piste à suivre

.............

10-Bibliographie

LINEAR TECHNOLOGY, LT1680 High Power DC/DC Step-Up Controller.
ANALOG DEVICES , AD5243 Dual, 256-Position, I²C-Compatible Digital Potentiometers.
MAXIM, Max4080? 76V High-Side Current-Sense Amplifier with Voltage Output.
MICROCHIP, TC74 Tiny Serial Digital Thermal Sensor.
MICROCHIP, PIC18FXX8 Data sheet, 2006.

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