Un oscilloscope avec technologie de déclenchement numérique aide à identifier les événements irréguliers dans la boucle de contrôle des convertisseurs de puissance.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Un fonctionnement stable est essentiel pour les convertisseurs de puissance en toutes circonstances. La plupart des types de convertisseurs ont des conditions de fonctionnement différentes, telles que les étapes de charge, les séquences de démarrage/arrêt et la variation de la tension d’entrée. En plus de la boucle de contrôle de rétroaction standard, les contrôleurs de modulation de largeur d’impulsion (PWM) intégrés offrent des fonctions étendues, comme la boucle de contrôle d’avance de ligne et le contrôle de démarrage progressif.
Ces fonctions de contrôle étendues améliorent la régulation pour des conditions spécifiques. De tels systèmes de régulation complexes nécessitent des méthodes intelligentes pour garantir le bon fonctionnement du convertisseur dans tous les modes. Une expertise approfondie et les bons outils de mesure sont essentiels pour identifier et localiser les événements inattendus dans le système.
Les oscilloscopes avec un déclencheur numérique sensible et une grande mémoire, tels que le R&S MXO 5 de Rohde & Schwarz, peuvent analyser le comportement des convertisseurs de puissance. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La conception et la stabilité d’un convertisseur de puissance doivent être validées dans tous les modes opérationnels. En général, les contrôleurs de modulation de largeur d’impulsion fournissent plusieurs fonctions, ce qui peut augmenter la complexité et nécessiter une approche de validation intelligente. Des exemples incluent la boucle de contrôle d’avance de ligne et le contrôle de démarrage progressif. Le contrôle de démarrage progressif est un mode spécifique : lorsque le convertisseur démarre, le cycle de travail positif est progressivement augmenté pour faire monter doucement la tension de sortie afin de limiter le courant d’appel et le stress électrique global.
Pendant ce laps de temps, le cycle de travail varie de faibles valeurs à une valeur plus élevée jusqu’à ce que la tension de sortie atteigne un état stable. Une fois la séquence terminée, la boucle de rétroaction de contrôle standard régule la tension de sortie à la valeur cible. De plus, une boucle de contrôle d’avance de ligne peut être active pour optimiser la régulation de la tension de sortie lorsque la tension d’entrée change rapidement. Les deux mécanismes de contrôle coexistent, rendant difficile la détection et la localisation des opérations inattendues ou instables. Le bruit existe naturellement dans les conceptions de convertisseurs à découpage et peut entraîner une régulation incorrecte de la boucle. Cette instabilité dans les boucles de contrôle peut être détectée en déclenchant une variation de tension ou, encore mieux, en surveillant la largeur du cycle de travail positif, car le cycle de travail est utilisé pour réguler la centrale électrique afin de maintenir la tension de sortie constante. Une capacité de déclenchement complexe est obligatoire pour détecter tout événement irrégulier dans un tel système de contrôle complexe.
Oscilloscopes avec capacité de déclenchement complexe
Les ingénieurs de test ont besoin d’un oscilloscope basé sur la technologie de déclenchement numérique pour cette tâche complexe. Rohde & Schwarz a équipé ses séries d’oscilloscopes MXO 4 et MXO 5 d’un déclencheur numérique sensible de 0,0001/div. Ils offrent une résolution allant jusqu’à 18 bits en mode haute définition. Étant donné que deux conditions de déclenchement sont essentielles pour trouver des variations du cycle de travail positif après la période de démarrage progressif, l’oscilloscope permet également la définition de conditions de déclenchement complexes. La figure 1 montre les conditions de déclenchement au démarrage du convertisseur.
La condition de déclenchement A détecte la fin de la rampe de démarrage progressif et est configurée en tant que déclencheur de fenêtre. La tension de sortie doit être dans une plage définie. Le type de déclenchement pour la condition B peut être basé sur la largeur de l’impulsion PWM.
Le déclencheur de largeur détectera toutes les valeurs en dehors d’une plage définie du cycle de travail positif. Cela peut facilement se produire en raison d’une conception incorrecte du filtre de contrôle d’avance de ligne. Cependant, si le convertisseur est à l’état stable, il n’y aura pas de variations significatives du cycle de travail. Si le cycle de travail positif dévie d’une plage valide en raison d’un événement inattendu, la condition B déclenchera et arrêtera l’acquisition. Cela aide à isoler cet événement spécifique, et l’utilisateur peut découvrir la cause profonde de cet événement de contrôle irrégulier.
Figure 1. Définition complexe du déclencheur pour détecter les effets irréguliers. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Analyser le comportement des convertisseurs DC/DC à découpage
Un convertisseur DC/DC à découpage en topologie pont complet avec redressement synchrone est utilisé pour illustrer le déclenchement complexe avec un R&S MXO 5. La manipulation avec un oscilloscope R&S MXO 4 est identique. Le convertisseur isolé fonctionne à une fréquence de découpage de 100 kHz et convertit la tension d’entrée de 48 V à une tension de sortie de 12 V. Le courant de sortie est spécifié pour un maximum de 8 A. Le contrôleur numérique utilisé dans cette application permet à l’utilisateur d’activer, de désactiver et de modifier le contrôle d’avance de ligne.
Figure 2. Fenêtre de séquence de déclenchement. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Configuration étape par étape de l’appareil
Pour configurer un déclencheur complexe :
- Configurer un canal approprié, y compris la sélection adéquate de la sonde
- Activer une séquence de déclenchement et définir un délai de réinitialisation approprié (Figure 2)
- Définir le déclencheur A comme type de fenêtre, y compris les niveaux supérieur et inférieur, pour capturer la fin du démarrage progressif lors du démarrage (Figure 3)
- Activer la fonction de mesure du cycle de travail positif et définir les niveaux de référence, par exemple, 20/50/80 % de la tension
- Définir le déclencheur B comme type de largeur et définir la largeur et le temps delta (Figure 4)
- Activer la fonction de mesure du cycle de travail, y compris la fonction de suivi
Figure 3. Fenêtre d’événement de déclenchement A. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Mesurer le transitoire de charge
Une fois configuré, le convertisseur démarre et la procédure de démarrage progressif est exécutée. L’instrument attend toute variation dans la mesure du cycle de travail dès que le déclencheur détecte un déclencheur valide pour la condition A. En supposant une charge constante après le démarrage progressif, l’instrument ne déclenchera pas la condition B car le cycle de travail devrait rester constant.
Figure 4. Fenêtre d’événement de déclenchement B. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Pour illustrer cette séquence de déclenchement complexe, la fonction d’avance de ligne a été activée dans le contrôleur du convertisseur avec une conception incorrecte du filtre numérique. En conséquence, l’instrument a également été déclenché à la condition B. La mesure enregistrée est montrée dans la figure 5, où la tension de sortie est mesurée sur le canal 1 et la tension d’entrée est mesurée sur le canal 3. Le canal 2 affiche un signal interne du contrôleur qui reflète la tension d’entrée sur le côté secondaire. Le canal M2 montre le canal 2 filtré par un filtre passe-bas grâce à la fonction mathématique. De plus, le signal de contrôle PWM (canal 4) et la forme d’onde de suivi du cycle de travail positif sont affichés dans la fenêtre inférieure.
Figure 5. Démarrage du convertisseur et effets de contrôle irréguliers. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Trois ms après la fin de la séquence de démarrage progressif, l’instrument déclenche la condition B car le cycle de travail présente une étape positive suivie d’une chute négative. Cette variation du cycle de travail est présente uniquement lorsque l’avance de ligne est activée. L’étape suivante consiste à optimiser la longueur de l’acquisition, ce qui est désormais possible grâce à la séquence de déclenchement complexe. Le résultat est montré dans la figure 6.
Dans ce cas, plus de détails deviennent visibles avec une précision accrue, offrant à l’utilisateur une meilleure compréhension du système. L’utilisateur peut alors commencer le processus et trouver la cause de manière efficace.
Figure 6. Effets de contrôle irréguliers à la condition de déclenchement B. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Identifier les événements irréguliers
Pour identifier les événements irréguliers dans la boucle de contrôle des convertisseurs de puissance, les ingénieurs de test ont besoin d’un oscilloscope avec une technologie de déclenchement numérique. Ces instruments leur permettent de définir efficacement des événements de déclenchement complexes pour isoler la cause racine. De plus, ils devraient choisir un oscilloscope avec une grande mémoire qui leur permet d’ajouter des fonctions supplémentaires, telles que le suivi du cycle de travail, où un taux d’échantillonnage élevé est requis sur une longue durée d’acquisition.
Cet article est paru à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].