Contribution à l'étude des possibilités de l'amplification à découpage en puissance élevée

A contribution to the study of high power PWM amplifier

• Auteur / Autrice : Guy Friedrich
• Direction : Jean-Paul Vilain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Contrôle des systèmes
• Date : Soutenance en 1986
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Prototypes

Électromagnétisme

Transistors

Interrupteurs électriques

Amplificateurs de puissance

Amplificateurs

Mots clés libres

Cascode

Rec

Stratégies PWM

Retour instantané

Résumé

Le but de cette étude est d'envisager les possibilités de réalisation d'un amplificateur à découpage à hautes performances, dans la gamme des 400 V – 20 A. Deux axes sont étudiés : - Recherche d'une technique de commande permettant de minimiser les sollicitations des interrupteurs de l'étage de sortie, tout en générant des fonctionnements dynamiques intéressants ; - Recherche d'un interrupteur rapide. Après une étude bibliographique permettant de faire le point sur les stratégies de pilotage couramment utilisées, il est développé une étude précise de l'une d'entre elles : '' le retour instantané ''. Cette étude est effectuée grâce à une simulation numérique, car les non-linéarités limitent la validité de la modélisation analytique envisagée. Cette simulation met en évidence les performances de la stratégie considérée, en étudiant l'influence de chacun des éléments constitutifs de l'amplificateur. La grande sensibilité du système aux retards a conduit à développer des interrupteurs rapides. Les performances et la gamme des puissances visées ont exigé l'utilisation de transistors de différentes technologies. Deux structures ont été étudiées et testées (REC et CASCODE). Bien que les temps de commutation se soient avérés équivalents, la structure CASCODE s'est révélée beaucoup plus fiable, notamment pour les fonctionnements à haute fréquence. Ces études ont conduits à l'élaboration de différents prototypes, qui ont permis de vérifier la validité du modèle numérique établi et l'intérêt de la stratégie utilisée, et de résoudre les problèmes dus aux perturbations électromagnétiques émises par les interrupteurs rapides. Un fonctionnement fiable a été obtenu sous 350 V – 20 A. Une comparaison avec la stratégie plus classique de l'échantillonnage naturel a permis de montrer que le retour instantané présentait un net avantage lorsque le rapport entre la fréquence de découpage et celle de la consigne devenait faible. Par contre, elle s'est montrée moins bien adaptée à la restitution d'ondes de faible amplitude.

The aim of this work is to evaluate the feasibility of the design of a PWM amplifier able to restitute any input signal in the power range of 400 V – 20 A. Two aspects have been examined : a study of a switching technique able to minimize loads on switches and improve dynamic performance ; a study of a fast switch. After a bibliographic investigation into PWM strategies generally used, an accurate study has been made of one of them : “instantaneous feedback”. This study has been made with a numeric simulation, because the non-linearity of the system limits the validity of an analytic model. This simulation shows the performance of the strategy by studying the influence of the variation of each main component of the amplifier. High sensitivity of the system to delays demands design of high speed switches. Performance and power range impose the use of transistors of different technologies. Two structures are studied and tried (REC, CASCODE). The commutation times are equivalent, but the reliability of the CASCODE structure is greater at high frequency. Four prototypes using these techniques have been constructed, allowing us to verify the validity of the numerical model and the interest of the “instantaneous feedback” strategy. Problems due to electromagnetic perturbations generated by high speed switches have been resolved. Correct performance has been obtained at 350 V – 20 A. A comparison with a more popular strategy, “natural sampling”, shows that the instantaneous feedback has a significant advantage for restitution of signals whose frequency is near the chopping frequency. However, this strategy is not able to restitute correctly low amplitude input signals.