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Le b.a.ba du pont en H Ph. Dondon © Copyright Enseirb-Matmeca 2013

Avertissement : N’étant ni spécialiste des moteurs, ni des modélisations des procédés, cette page aborde les ponts en H du point de vue électronique. Pour plus détails sur la modélisation des moteurs, des asservissements, se référer aux cours des collègues automaticiens.

1. Introduction Avant de discuter la structure et le fonctionnement d’un pont en H, encore faut-il en comprendre l’intérêt et la nécessité. Pour cela, prenons une analogie simple entre un moteur électrique DC et un cycliste : Soit donc un cycliste démarrant au feu (vert). Il faut une impulsion initiale longue pour lancer le vélo. Puis, une fois lancé, on peut pédaler : 1° en continu avec un appui permanent moyen sur les pédales (tension continue aux bornes du moteur). La vitesse du vélo (du moteur) sera lissée et constante si le couple résistant est constant. 2°en discontinu (découpage) : -Avec des cycles T de « pédalage (Ton) // roue libre (Toff)» très longs (T=Ton+Toff), la vitesse du vélo (du moteur) va onduler fortement autour d’une valeur moyenne. Dans ce cas, chaque phase d’appui sur les pédales est intense, presque impulsionnel : il faut appuyer très fort pour compenser la perte de vitesse pendant la phase de roue libre. Au pire, on peut voiler le cadre ou casser les pédales. (Risque de destruction du moteur si le courant est trop important). -Avec une fréquence de découpage rapide, la vitesse du cycliste sera mieux lissée.

Il y a donc un rapport certain entre la constante de temps des muscles du cycliste (ou électrique =

L/R du moteur), et la période de découpage Tdec. On prend raisonnablement Tdec < 10. pour un lissage « correct ». Cependant, si l’on pratique le « découpage » dès le démarrage au feu, la période T ne doit pas être trop petite (c-a-d la fréquence de découpage pas trop élevée) car le Ton doit être suffisamment long pour permettre de lancer le vélo (vaincre le couple de cédage au démarrage, frottement etc.); Tout le monde sait bien qu’il faut un effort initial plus important pour mettre le vélo en mouvement que pour entretenir celui-ci, une fois lancé. Il y a donc une limite basse et une limite haute pour la fréquence de découpage. Mais dans les tous cas, le rapport cyclique (temps d’appui sur les pédales/temps de cycle), Ton/T fixe la vitesse moyenne d’avance du vélo (à couple résistant donné). Attention : En descente, le vélo entraine le cycliste : on passe en mode génératrice (avec un pignon fixe, le vélo entrainerait les jambes du cycliste). Mais dans les autres cas, on reste en régime moteur (hélas, pour les cyclistes…)

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question : Mais qu’en est‐il du moteur ? 

Un moteur CC alimenté sous une tension continue, consomme un courant en général important (plusieurs ampères). Il faut donc une alimentation de puissance. Pour contrôler sa vitesse, on pourrait penser à faire varier cette tension d’alimentation. Malheureusement, ceci est difficile d’un point de vue électronique, surtout si l’on veut faire un asservissement qui doit répondre rapidement.

 Figure 1 : Moteur CC

Il est plus facile de travailler en discontinu, ou encore « tension hâchée » : Le pilotage du rapport cyclique permet de contrôler la tension moyenne appliquée au moteur donc sa vitesse.

2. Le pont en H

Le découpage le plus simple auquel on pense est celui qui comporte un interrupteur comme indiqué en figure 2 actionné par un signal PWM ( signal logique de rapport cyclique commandé) :

 Figure 2 : Hacheur basique

Notons la présence obligatoire de la diode D dite de roue libre : en effet, le moteur étant un élément inductif par nature, le courant le traversant ne peut pas s’annuler brusquement (L.di/dt ne peut pas tendre vers l’infini). Par ailleurs, ce découpage simple effectué par le signal PWM permet de piloter le moteur que dans un seul sens de rotation : la tension moyenne à ses bornes est toujours positive.

Pour piloter le moteur dans les deux sens, il est nécessaire de passer à la structure en H. selon la paire d’interrupteur activée T1, T4 ou T3, T2 le courant passera dans un sens ou dans l’autre.

 Figure 3: Pont en H

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D’un point de vue électronique, les interrupteurs sont réalisés par des transistors MOS discrets. Mais ils existent aussi des circuits intégrés en demi-pont ou pont-entier incluant MOS ou SENSEFET logique de commande, sécurité diverses, car certaines technologies modernes le permettent pour des tensions de pont allant jusqu’à 60V et des courants de quelques dizaines d’ampères. L’intérêt des MOS, si bien choisis, est qu’ils ont une résistance Ron à l’état passant, très faible, ce qui limite les pertes de conduction au minimum. Par ailleurs, ils ont une diode intrinsèque interne que l’on peut utiliser en roue libre :

 Figure 4 : pont en H transistor MOS

question : Transistors NMOS ou PMOS ? 

 

Les deux transistors « du bas » sont forcément de type NMOS. Ceux du haut peut être des PMOS ou des NMOS avec chacun ses avantages et inconvénients. (Attention aux connections Source, Drain…)

     Pont avec PMOS Pont avec NMOS

Figure 5 : pont à transistors MOS

Si l’on prend 4 NMOS : le montage est parfaitement symétrique, la mobilité des électrons étant la même dans chaque transistor, les temps de commutations sont identiques et quasiment pas besoin de temps mort lorsqu’on manœuvre M6 et M1, ou M4 et M5. Cependant, il est nécessaire de prévoir un « bootstrap » (en général simple condensateur à rajouter sur le driver du MOS) pour le pilotage des NMOS du haut.

Si l’on prend 2 NMOS et 2 PMOS (en haut), la commande logique est simplifiée, (résistance de tirage entre grille et Vdd, diode zener, et capacité de liaison sur la grille du PMOS). La mobilité des électrons étant différente dans les transistors P et N, il est nécessaire de choisir le transistor P apparié conseillé par le constructeur et de prévoir un temps mort en cas de manœuvre de M6 et M1, ou de M4 et M5.

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question : Quelle Commandes possible du pont ? 

Il y a plusieurs façons de faire fonctionner un pont. Raisonnons pour la marche avant. Sachant que pour la marche arrière, le raisonnement est identique. Il suffit d’inverser le rôle des transistors.

Figure 6 :

Pour la marche avant, il faut M1 et M5 « OFF » On peut alors soit mettre : a) M6 « ON » en permanence et appliquer le signal PWM sur M4 b) M4 « ON » en permanence et appliquer le signal PWM sur M6 c) simultanément le signal PWM sur M4 et M6 Remarque: La solution a) n’est pas possible lorsque les transistors du haut sont de type NMOS, en raison de la capacité bootstrap qui ne « tient pas la charge en continu ». Entre les possibilités b) et c), il y a quelques différences abordées dans la suite du texte.

3. Simulation des formes d’ondes avec SPICE Les simulations suivantes sont inspirées du fonctionnement de la Carte driver DRI 0008 avec 2 demi pont BTS 7960 Infineon.

Remarque : En l’absence de charge (moteur ou autre) c-a-d sortie du pont à vide, les niveaux de tensions en sortie ne sont pas matérialisées (« tristate » avec les 4 MOS « OFF » en même temps.

Figure 7

M1IRLIB4343

V110Vdc

0

L1

1mH

R1

1

M4IRLIB4343

M5IRLIB9343

V3

TD = 0.1m

TF = 10nPW = 0.2mPER = 0.3m

V1 = 0

TR = 10n

V2 = 10

M6IRLIB9343

V4

TD = 0.1m

TF = 10nPW = 0.2mPER = 0.3m

V1 = 10

TR = 10n

V2 = 0

10.00V

V5

TD = 0.1m

TF = 10n

PW = 1

PER = 1

V1 = 0

TR = 100m

V2 = 8V

FCEM

VI V

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M4 et M6 commutent simultanément. M1, M5 bloqués=>marche avant. La Fcem augmente « artificiellement » progressivement (rampe spice sur 100ms), pour simuler le démarrage moteur. (Attention simulation électrique qui n tient pas compte du comportement mécanique réel du moteur)

Au démarrage ; la Fcem est voisine de zéro. => Tension appliquée au moteur +10V =>appel de courant fort au démarrage. Rapport cyclique de 2/3 : Le courant instantané monte pendant les 2/3 du temps, et n’a pas le temps de revenir à zéro pendant la phase de roue libre (diodes M1 et M5 passante) (au max 1/3 du temps).

Figure 8 : Courant (vert), tension( rouge) aux bornes du moteur

En régime établi : la Fcem est arrivée à 8V. On applique +10V sur le moteur, le courant monte mais beaucoup moins qu’en phase de démarrage. Puis phase de roue libre (Diode M1 et M5 passantes Vmoteur =-10V le courant diminue et s’annule. Puis moteur « comme en l’air », la tension à ses bornes est égale à la Fcem ici 8V.

Figure 9 : zoom régime établi discontinu

Time

0s 5.0ms 10.0ms 15.0ms 20.0ms 24.3msV(M1:D)- V(M4:D)

-20V

0V

20VI(R1)

0A

2.0A

4.0A

SEL>>

Time

161.200ms 161.400ms 161.600ms 161.800ms 162.000ms 162.200ms161.028msV(M1:D)- V(M4:D)

-20V

0V

20VI(R1)

-200mA

0A

200mA

400mA

SEL>>

Pente=Vdd+|fcem|/L 

Diode Roue libre M1 et M5 

Pente=Vdd/L 

Fcem 

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Si on multiplie la fréquence de découpage par 10, le courant est lissé. Le courant ne s’annule pas et on ne voit plus la phase où la tension aux bornes du moteur est égale à la Fcem.

Figure 10 : Effet d’une fréquence de découpage supérieure

Si le rapport cyclique est <50% , on est forcément en régime discontinu : en effet, vis-à-vis du courant, au démarrage, la pente de descente est égale à celle de montée (car fcem #0V au début), puis après, pente descendante supérieure à celle de montée car fcem >0), avec ce montage et quel que soit le moteur.

Par ailleurs, si la fréquence de découpage est trop élevée dès le démarrage, le courant n’a pas le temps de monter et donc le moteur risque de ne pas démarrer.

Par contre en mode continu, plus la fréquence découpage est élevée plus l’ondulation de courant sera faible et donc le couple régulier.

Si la fréquence de découpage est trop faible le moteur va accélerer, puis ralentir à chaque cycle.

IL faut donc, pour bien démarrer, mettre un échelon au démarrage ( simulé par les switch contrôle en temps (dans le schéma ci-dessous), pour laisser le temps au courant de monter puis découper a une fréquence assez rapide pour réduire l’ondulation.

Time

0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms 24msV(M1:D)- V(M4:D)

-20V

0V

20VI(R1)

0A

1.0A

2.0A

3.0A

SEL>>

Time

161.1ms 161.2ms 161.3ms 161.4ms 161.5ms 161.6ms 161.7ms 161.8ms 161.9ms 162.0msV(M1:D)- V(M4:D)

-20V

0V

20VI(R1)

-50mA

0A

50mA

SEL>>

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Figure 11 : Schéma de simulation amélioré

Les deux figures 12 et 13 ci-après sont obtenues avec échelon initial pour « bien démarrer », puis rapport cyclique 50%, avec inductance de lissage 1mH.

Courbe rouge, tension moyenne appliquée au moteur. Courbe bleue, courant moyen.

Figure 12 :

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <Rev Code>

<Title>

A

1 1Friday , March 21, 2014

M1IRLIB4343

V5

TD = 0.1m

TF = 1m

PW = 100m

PER = 1

V1 = 0

TR = 100m

V2 = 1V

-10.50e-21V

R4

1

0V

0V 0V

00V

-10.50e-21V

L1

100uH

R1

1

-10.50e-21V

M4IRLIB4343

VV

in

GAIN = 0.5

E1

VCVS

M5IRLIB9343

0V

-10.50e-21V

V3

TD = 0.1m

TF = 10n

PW = 0.04m

PER = 0.1m

V1 = 0

TR = 10n

V2 = 7

Fcem du moteur=K.val Vmoy appliquée

IN1

OUTIN2

-10.50e-21V

-10.50e-21VIN OUT1

1 + 0.003*s

41.72e-27V

calcul valeur tension moyenne appliquée au moteurIN1

OUTIN2 IN OUT11 + 0.001*s

-10.50e-21V

-10.50e-21V

0V

simu démarrage et regime permanent

calcul valeur courant moyen moteur

-3.150e-27V

M6IRLIB9343

V4

TD = 0.1m

TF = 10nPW = 0.04mPER = 0.1m

V1 = 7

TR = 10n

V2 = 0

V

V

V

I

V

7.000V

0V

-10.50e-21V

THRESHOLD = 5

ON_RESIST = 1

OFF_RESIST = 10Meg

HYSTERESIS = 0

U1

VC_SWITCH

R2100k

THRESHOLD = 5

ON_RESIST = 1

OFF_RESIST = 10Meg

HYSTERESIS = 0

U2

VC_SWITCH

R3100k

-32.81e-27V

V7

TD = 1m

TF = 10nPW = 200mPER = 210m

V1 = 0

TR = 10n

V2 = 10

0V

Les 2 MOS M4 et M6 sont actionnés en diagonale simultanement pour marche avant parexemple.LEs deux autres sont bloqués.

Moteur voiture R=1ohm L=100uH piloté par pont selon fonctionnement carte driver DRI0008

FCEM

Pour que la FCEM du moteur soit positive il faut que la tension moyenneappliquée au moteur soit aussi positive

le moteurs voit donc au rythme de la PWM une tension appliquée +10V puis -10V

Ici la FCEM passe de 0 A 1V pour simuler le demarrage dumoteur et l'augmentation de sa vitesse progressivement.

il y a un moment ou les 4 MOS sont OFF en meme temps. ALors, le courant"remonte" par les diodes de M1 et M2 pour continuité du courant dans le moteurPendant cette phase roue libre, et selon les valeur de L et R le courant moteur diminue et peut meme s'annuler. Le moteur est alors comme "enl'air" . A ce moment, la tension aux bornes du moteur est égale a la FCEM.

V8

TD = 0

TF = 10nPW = 200mPER = 210m

V1 = 0

TR = 10n

V2 = 7

41.72e-27V

Time

0s 0.50ms 1.00ms 1.50ms 2.00ms 2.50ms 3.00msV(LAPLACE1:OUT) V(LAPLACE2:OUT) V(M1:D)- V(M4:D)

-10.0V

0V

10.0V

-16.6V

I(R1)

2.0A

4.0A

6.0A

-0.6ASEL>>

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Régime permanent atteint avec grande fcem (4V) => retour en discontinu après le démarrage.

Figure 13 : En régime permanent, discontinu

Pour les simulations suivantes, on prend un rapport cyclique 2/3 et une Fcem finale plus faible (2V), inductance de lissage 1mH=>on reste en mode continu tout le temps cf. figures ci-après :

Figure 14 : Régime continu, démarrage

Time

199.300ms 199.400ms 199.500ms 199.600ms 199.700ms 199.800ms199.242msV(LAPLACE1:OUT) V(LAPLACE2:OUT) V(M1:D)- V(M4:D)

-10V

0V

10V

I(R1)

0A

500mA

998mA

SEL>>

Time

0s 0.4ms 0.8ms 1.2ms 1.6ms 2.0ms 2.4ms 2.8ms 3.2ms 3.6ms 4.0msI(R1) V(LAPLACE2:OUT)

0

4.0

7.8

SEL>>

V(M1:D)-V(M4:D) V(LAPLACE1:OUT)

-10V

0V

10V

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Figure 15 : Mode continu, régime permanent atteint

3. Relevés des formes d’ondes sur moteur CC 7.2V, 5A, voiture miniature électrique avec carte driver DRI 0008

Trace verte : PWM 5V/div Trace rouge : tension aux bornes du moteur 5V/div Trace bleue : courant

Courbe 1 : Fréq de découpage 500Hz, rapport cyclique 20%, moteur à vide => mode discontinu, la fcem est visible sur le plateau intermédiaire (ici env. 2V), vitesse de rotation faible

Time

192.8ms 193.2ms 193.6ms 194.0ms 194.4ms 194.8ms 195.2ms 195.6ms 196.0ms 196.4ms 196.8msI(R1) V(LAPLACE2:OUT)

0

4.0

7.8

SEL>>

V(M1:D)-V(M4:D) V(LAPLACE1:OUT)

-10V

0V

10V

Ph.D ENSEIRB

Courbe 2: Freq de découpage 500Hz, rapport 50% la fcem augmente (ici env 5V) (vitesse de rotation +grande) toujours à vide =>courant plus faible que sur la courbe 1.

Courbe 3: Freq découpage 2 kHz, Rapport cyclique 60% toujours discontinu, la Fcem augmente encore un peu (5.5V), le courant baisse encore par rapport à la courbe 2.

Ph.D ENSEIRB

Courbe 4: Freq 10kHz : rapport cyclique 40%, mode discontinu (fcem faible)

Courbe 5: Freq 10kHz, rapport 70%, mode continu (couple résistant qui ralenti les roues), on ne voit plus le plateau intermédiaire sur la courbe rouge correspondant à la fcem. Le courant ne revient plus à zéro (mode continu).

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Courbe 6 : Zoom de la courbe 4 sur Freq 10kHz, rapport 40%, mode discontinu >fcem faible

Courbe 6bis : comparaison simulation SPICE correspondante (cf. courbe 6)

Courbe 7 : Zoom de la courbe 5 Freq 10kHz, rapport 70% mode continu (couple résistant frottement sur les roues)

Time

100.45ms 100.50ms 100.55ms 100.60ms 100.65ms 100.70msI(R1)

2.5A

5.0A

-0.1ASEL>>

V(M1:D)- V(M4:D)-10V

0V

10VV(V3:+)

0V

5V

10V

Ph.D EN

Conclus- Confor- En disc- Si F auquand F

quesles 2 MO

Les chro

1° March Phase 1

Phase 3 tension a

Avec PWplateau f

SEIRB

sion : rme aux simucontinu on vougmente, l’oaugmente, p

stion : Q

OS ? 

onogrammes

he avant : M

: M6 et M4 «

PMOS

NMOS

M6

M1

(éventuelle au bornes du

Marche a

WM sur M4fcem apparai

ulations SPICoit le palier F

ondulation dipour pouvoir

Quelle différ

sont compar

M1 et M2 « O

« On »

LR

0 V

Vdd

moteur

si discontinuu moteur est é

PM

NM

Favant : M1 e

4 et M6, le itre.

CE Fcem. Sur la iminue, maisdémarrer.

rence entre l

rés pour un m

ff » PWM ap

Fcem M

M

u) : M6 et Mégale à la fce

MOS

MOS

M6

M1

Figure 16 : 3 et M2 « Off »

courant est

a courbe rougs difficulté d

la command

même rappor

ppliqué sur M

Phase 2 :

PMOS

NMOS

4

5

PMOS

NMOS

M4 « Off » uem.

FcLR

0 V

Vdd

moteur

phases de fo» PWM appli

discontinu,

ge, En continde démarrer

de PWM sur

rt cyclique de

M6 et M4 sim

M6 et M4 «

R

M6

M1

une fois cour

PM

NM

cem M4

M5

onctionnemeniqué sur M6

sa valeur m

nu ce palier n=>augmente

un seul MO

e 40%:

multanément

« Off » roue

FcemL

0 V

Vdd

moteur

rant annulé, m

MOS

MOS

nt et M4 simul

moyenne plus

n’apparait pluer le rapport

OS ou simult

t.

libre M1 M5

PMOS

NMOS

M4

M5

moteur « en

ltanément

s faible et o

us. cyclique

tanée sur 

5

l’air ».La

on voit le

Ph.D EN

2° MarchLa phase

Avec seudes carré

43

0

1.0

2.0

-10V

0V

10V

SEL>>

1

2

3

SE

-4.

4.

8.

SEIRB

F

he avant : Me 2 devient c

ulement PWés 0V-Vdd à

.7ms 43.8msI(R1) V(LAPLA

V(M1:D)- V(M4:DV

V

V

>

43.5ms 43.6msI(R1) V(LAP

0

1.0

2.0

3.0

L>>

V(M1:D)- V(M4.0V

0V

.0V

.0V

Figure 17: Te

M1 et M2 « Oomme indiqu

PM

NM

Figure 19

M sur M4 le1 vd près.

43.9msACE1:OUT) V(LAPLA

D)

43.7ms 43.8mPLACE1:OUT) V(LAP

4:D)

ension aux b

ff » PWM uué figure 18

MOS

MOS

M6

M1

Fig

: Chronogram

e courant est

44.0ms 44.1mACE2:OUT) V(U1:VC

ms 43.9ms 44.PLACE2:OUT)

bornes du mo

uniquement set il n’y a pa

FcLR

0 V

Vdd

moteur

gure 18 : pha

mme tension

continu et la

Time

ms 44.2msCP)

Time

.0ms 44.1ms 4

oteur (vert), c

sur M4, M6 as de phase 3

PM

NM

cem M4

M5

se 2

n (vert) et cou

a tension app

44.3ms 44

44.2ms 44.3ms

courant (bleu

toujours pas3 :

MOS

MOS

urant (bleu)

pliquée aux b

4.4ms 44.5ms

44.4ms 44.5ms

u)

ssant.

bornes du m

44.6ms 44

44.6ms 44.7

moteur fait

4.7ms

ms

Ph.D ENSEIRB

Conclusion: Lorsque le rapport cyclique augmente progressivement, le courant devient continu plus « rapidement » dans la configuration 2° « PWM appliqué sur M4 » que dans la configuration 1° ou les 2 MOS M4 et M6, sont commutés simultanément par la PWM. Par contre, les MOS fonctionnent de façon identique dans le cas 1° et vieillissent donc de la même façon. Ca qui n’est pas le cas dans l’autre configuration. Cependant, je laisse aux spécialistes de la fiabilité le soin d’indiquer si cela peut ou non avoir un impact sur la durée de vie des composants.