7 modèles de convertisseurs que tout ingénieur devrait construire en premier

Principaux enseignements

• Commencez par une rectification de base et une étape de buck afin que vos formes d'onde passent des contrôles simples et reproductibles.
• Ajoutez les détails non idéaux un par un afin que les modèles basés sur les commutateurs restent explicables et débogables.
• Sélectionnez le modèle suivant en fonction du comportement que vous devez expliquer et des limites de pas de temps, et non en fonction de la nouveauté de la topologie.

Construisez sept modèles de convertisseurs de démarrage et vous n'aurez plus à deviner le comportement de commutation. L'ondulation et la modulation se transformeront en signaux que vous pourrez vérifier. Nous examinerons les résultats par rapport au même ensemble de référence.

Les nouveaux ingénieurs ne cessent de demander quels modèles de convertisseurs les ingénieurs doivent construire en premier. Nous pouvons répondre à cette question en leur conseillant des circuits simples qui se valident rapidement.

Comment ces modèles de convertisseurs renforcent la confiance dans la modélisation pratique

Un ensemble ciblé de types de convertisseurs relie les états des circuits aux formes d'onde que vous mesurez. Commencez par une modélisation basée sur les commutateurs afin que la commutation et l'ondulation soient visibles. N'ajoutez les versions moyennes qu'après avoir vérifié que la commutation est correcte. Cette routine affine la modélisation CC et CC/CA sans masquer les erreurs derrière le contrôle.

Gel du contrôle à un rapport de service fixe et validation préalable du flux d'énergie. Le LOGICIEL SPS est utile lorsque vous avez besoin de modèles de composants ouverts et inspectables.

Conservez une liste unique de sondes pour tous les modèles et balayez un paramètre à la fois. Les vérifications de l'équilibre de puissance et de la seconde de tension permettront de détecter la plupart des erreurs à un stade précoce.

« Les vérifications de l'équilibre de puissance et du volt-seconde permettent de détecter la plupart des erreurs à un stade précoce. »

7 modèles de convertisseurs que les ingénieurs devraient construire en premier

Ces sept modèles suivent un ordre pratique. Chaque circuit ajoute un concept et nécessite un signal de validation tracé. Construisez chacun d'eux une fois avec des dispositifs idéaux, puis une fois avec un détail non idéal.

1. Redresseur à diodes non contrôlé comme source de courant continu de référence

Un redresseur à diodes non contrôlé enseigne la commutation sans contrôle ni logique de porte. Modélisez un pont monophasé alimentant un condensateur CC et une charge résistive. Tracez les impulsions de courant des diodes et la tension du bus CC, puis vérifiez que l'ondulation augmente avec le courant de charge. Ajoutez une petite inductance de source, observez les impulsions de conduction qui se chevauchent et abaissez le bus. Mesurez l'angle de conduction des diodes et le facteur de crête du courant d'entrée afin de repérer les modèles de source irréalistes. Enregistrez le graphique de l'ondulation du bus CC pour pouvoir le comparer ultérieurement. Ce redresseur devient le lien CC que vous réutiliserez pour les tests de charge de l'onduleur et du moteur.

2. Convertisseur abaisseur pour comprendre le cycle de service et l'ondulation

Un convertisseur abaisseur est un bon point de départ pour la modélisation CC-CC, car les vérifications sont directes. Utilisez un commutateur idéal, une diode, une inductance, un condensateur et une charge résistive avec un rapport cyclique fixe. Vérifiez que la tension de sortie moyenne suit le rapport cyclique d'entrée pendant la conduction continue. Balayez la fréquence de commutation et vérifiez que le courant d'ondulation de l'inductance diminue à mesure que la fréquence augmente. Augmentez progressivement la charge et vérifiez que la sortie se stabilise avec un transitoire défini par L et C. Les personnes qui se demandent comment modéliser les convertisseurs CC-CC devraient commencer par là, puis réutiliser ses sondes sur chaque nouvelle topologie.

3. Convertisseur élévateur pour comportement de commutation non idéal

Un convertisseur élévateur rend visible la commutation non idéale, car les transitions de courant sont brusques. Construisez d'abord le circuit idéal, puis ajoutez un détail tel que la récupération inverse de la diode. Tracez le courant du commutateur à la mise sous tension et comparez-le au courant de l'inductance, car un pic apparaîtra dès que la récupération sera présente. Tracez la tension du commutateur à la mise hors tension et confirmez que le pic transitoire et l'oscillation augmentent lorsque vous ajoutez une inductance parasite. Ajoutez un petit snubber RC et vérifiez que la tension de crête diminue tandis que les pertes augmentent. Ce modèle permet également de tester rapidement la résolution temporelle à la fréquence de commutation.

4. Convertisseur élévateur-abaisseur pour exposer les transitions de mode

Un convertisseur abaisseur-élévateur expose des modes de fonctionnement qui remettent en cause les hypothèses relatives à la polarité et à la conduction. Modélisez le convertisseur abaisseur-élévateur inverseur avec un rapport cyclique fixe et une charge résistive, puis suivez le signe de la tension de sortie et le courant de l'inductance. Balayez le rapport cyclique de 0,2 à 0,8 et vérifiez que la courbe de gain s'accentue à mesure que le rapport cyclique augmente. Allégez la charge jusqu'à ce que le courant de l'inductance atteigne zéro et qu'une conduction discontinue apparaisse. Comparez le gain mesuré dans ce mode à l'estimation de la conduction continue et notez l'écart. La détection du mode doit être basée sur des variables d'état.

5. Convertisseur à découpage isolé pour interaction magnétique

Un convertisseur à découpage impose des composants magnétiques à votre modèle, car l'inductance de magnétisation stocke de l'énergie. Utilisez un élément inducteur couplé avec un rapport de transformation, une inductance de magnétisation et une inductance de fuite. Ajoutez une pince afin que la tension du commutateur reste limitée lorsque l'énergie de fuite est libérée. Vérifiez la rampe de courant primaire pendant l'intervalle de marche et la réinitialisation pendant l'intervalle d'arrêt. Vérifiez que le courant de magnétisation revient au niveau attendu à chaque cycle, ce qui confirme que la réinitialisation fonctionne. Tracez le pic de courant de magnétisation afin de pouvoir repérer le risque de saturation. Augmentez l'inductance de fuite et vérifiez que la pince absorbe l'énergie.

6. Onduleur à source de tension monophasée avec commutateurs idéaux

Un onduleur à source de tension monophasée permet de se familiariser rapidement avec la modélisation CC-CA, car la fonction de commutation est facile à comprendre. Modélisez un pont complet sur un bus CC rigide et pilotez-le avec un motif PWM de base. Exécutez une charge RL et tracez la tension de sortie, le courant de charge et l'ondulation près de la fréquence de commutation. Remplacez le PWM par une onde carrée et comparez le courant RMS et le courant de crête. Ajoutez un filtre de sortie LC et vérifiez que l'ondulation de commutation diminue à mesure que le déphasage augmente. Les équipes qui se demandent comment mettre en place des modèles CC-CA de base peuvent commencer par cet onduleur et une charge RL.

« Construisez chaque fois avec des dispositifs idéaux, puis une fois avec un détail non idéal. »

7. Onduleur triphasé avec modulation de base et dynamique de charge

Un onduleur triphasé permet d'étudier les relations entre les phases, les tensions entre phases et la dynamique de charge dans un seul modèle. Commencez avec une charge RL triphasée équilibrée et une modulation sinusoïdale à un indice de modulation fixe. Vérifiez que les courants de phase sont équilibrés et que les tensions entre phases correspondent à la valeur fondamentale attendue. Balayez l'indice de modulation et vérifiez que la tension fondamentale évolue de manière linéaire jusqu'à saturation. Alimentez le bus CC à partir de votre modèle de redresseur et observez l'ondulation du bus se répercuter sur les tensions de phase. Ajoutez un léger déséquilibre de charge et vérifiez que les courants de phase se décalent comme prévu.

Comment choisir le prochain modèle de convertisseur à construire

Choisissez le modèle suivant en fonction des types de convertisseurs que vous devez expliquer. Le travail sur les pertes de commutation nécessite une modélisation basée sur les commutateurs, tandis que le réglage des commandes fonctionne souvent avec un étage de puissance moyen une fois que les formes d'onde sont fiables. Les limites de pas de temps et la fréquence de commutation fixent des limites strictes aux détails du modèle.

Commencez par le modèle existant le plus proche et ajoutez une fonctionnalité, telle que le temps mort ou une charge non linéaire. Le logiciel SPS SOFTWARE est idéal lorsque vous avez besoin de modèles modifiables que les étudiants et les ingénieurs chevronnés peuvent lire sans traduction.

Considérez la création de modèles comme un sport de checklist. Des sondes claires et des graphiques de réussite/échec permettront de garder le calme lors des révisions.