Mode prédit
DCM
Rapport Np/Ns
8.7
Duty estimé
56 %
Puissance sortie
25 W
Ton
2.8 µs
Tdemag
2.1 µs
Ipk primaire
1.47 A
Vds max estimé
82 V
Énergie stockée/cycle
82 µJ
ΔB estimé
0.50 T
Risque saturation élevé
Moyen
Pertes totales estimées
1.2 W
Objectif pédagogique : cet outil ne remplace pas LTspice ni la mesure HeP200. Il sert à prédire les tendances avec le core E22/PLT22 et à comprendre comment le transformateur HF commun aux plateformes HeP100 et HeP200 influence les formes d’ondes du convertisseur flyback.
Transformateur HF commun
HeP200 : flyback réel
DCM / CrM / CCM
Lm / Lk / couplage
surtension MOSFET
pertes core & cuivre
Le transformateur HF n’est pas un sujet isolé : c’est le cœur physique commun étudié séparément, puis observé dans le convertisseur flyback HeP200.
Courants flyback
Tensions et commande
En DCM, Vds présente deux phénomènes distincts : 1) un pic rapide au blocage MOSFET lié à Lk/Coss ; 2) une oscillation plus lente après la fin du courant secondaire. Cette deuxième oscillation part du plateau flyback et oscille autour de Vin : elle est liée à la résonance Lm avec Coss et les capacités parasites. Pour bien la voir, choisir une charge légère, par exemple Rload élevée.
Énergie stockée
Flux ΔB
Puissance transférable
Pertes estimées
Interprétation automatique
Positionnement pédagogique de l’outil
Cet outil interactif ne cherche pas à reproduire exactement la plateforme HeP200 réelle.
HeP200 est un convertisseur flyback industriel multi-sorties, avec plusieurs secondaires, des inductances différentes, des interactions de régulation et des comportements plus complexes.
L’objectif de cet outil est de : • mettre en évidence les phénomènes physiques principaux,
• comprendre l’influence du transformateur HF,
• visualiser les modes DCM / CrM / CCM,
• observer les surtensions et oscillations,
• relier théorie, simulation LTspice et mesures expérimentales.
L’outil sert donc de support pédagogique simplifié pour aider enseignants et étudiants à interpréter les comportements observés sur la vraie plateforme HeP200.
HeP200 est un convertisseur flyback industriel multi-sorties, avec plusieurs secondaires, des inductances différentes, des interactions de régulation et des comportements plus complexes.
L’objectif de cet outil est de : • mettre en évidence les phénomènes physiques principaux,
• comprendre l’influence du transformateur HF,
• visualiser les modes DCM / CrM / CCM,
• observer les surtensions et oscillations,
• relier théorie, simulation LTspice et mesures expérimentales.
L’outil sert donc de support pédagogique simplifié pour aider enseignants et étudiants à interpréter les comportements observés sur la vraie plateforme HeP200.
Travaux de simulation LTspice — observation Vds
Cette simulation LTspice simplifiée permet de retrouver les comportements observés sur HeP200,
sans chercher à reproduire exactement la plateforme réelle multi-sorties.
Observation typique en mode DCM :
• pic Vds au blocage du MOSFET,
• oscillations HF liées à l’inductance de fuite Lk et aux capacités parasites Coss,
• plateau flyback pendant le transfert d’énergie,
• seconde oscillation après démagnétisation complète,
• réduction et amortissement du pic grâce au snubber RCD.
Observation typique en mode DCM :
• pic Vds au blocage du MOSFET,
• oscillations HF liées à l’inductance de fuite Lk et aux capacités parasites Coss,
• plateau flyback pendant le transfert d’énergie,
• seconde oscillation après démagnétisation complète,
• réduction et amortissement du pic grâce au snubber RCD.
La simulation LTspice accompagne l’outil interactif afin d’apporter une vision plus précise du comportement du convertisseur flyback dans une approche de design, d’analyse et de développement.
Scénarios rapides pour la simulation LTspice
Ces scénarios accompagnent l’outil interactif afin d’aider l’enseignant et les étudiants
à identifier rapidement les phénomènes visibles dans la simulation LTspice.
L’objectif n’est pas d’obtenir exactement les mêmes courbes que l’outil interactif,
mais de renforcer la compréhension des comportements du convertisseur flyback.
1. DCM sans snubber
Observer le retour à zéro du courant secondaire, le pic Vds et les oscillations HF.
2. DCM avec snubber RCD
Observer la réduction du pic Vds et l’amortissement des oscillations HF.
3. Variation de la charge
Modifier Rload pour observer l’évolution du mode de conduction : DCM, CrM puis CCM.
4. Variation du coefficient de couplage K
Diminuer K pour mettre en évidence l’effet de l’inductance de fuite sur la surtension Vds.
5. Variation de Vin
Augmenter Vin pour observer l’augmentation des contraintes sur le MOSFET.
6. Influence du transformateur HF
Modifier Lm pour observer l’impact sur le courant primaire, l’énergie stockée et le mode de conduction.
Ces scénarios peuvent être utilisés comme base de travaux de simulation guidés avant les mesures expérimentales sur HeP200.
Calculs utilisés
Np/Ns = √(Lp / Ls)
Vreflected = (Np/Ns) × (Vout + Vd)
D ≈ Vreflected / (Vin + Vreflected)
dIp/dt = Vin / Lp
E = 1/2 × Lm × Ipk²
ΔB ≈ Vin × Ton / (Np × Ae)
Pcu ≈ Rpri × Ipri,rms² + Rsec × Isec,rms²
Pcore ≈ k × f^α × B^β × Ve
Vds ≈ Vin + Vreflected + Vpic_fuite
Efuite ≈ 1/2 × Lk × Ipk²
Psnubber ≈ Efuite × Fsw
fringing ≈ 1 / (2π√(Lk × Coss))
Rôle du snubber : le snubber RCD absorbe une partie de l’énergie stockée dans l’inductance de fuite.
Il limite le pic de tension Vds au blocage du MOSFET et amortit les oscillations HF. En contrepartie, il dissipe de l’énergie sous forme de pertes.
Guide d’utilisation en séance
Étape 1 — Comprendre le fonctionnement flyback
Modifier
Rload et observer le passage DCM → CrM → CCM sur le courant primaire et le courant secondaire.
Étape 2 — Relier le transformateur HF au convertisseur
Modifier
L primaire / Lm et K couplage pour voir comment le transformateur influence la pente de courant, la surtension drain et le oscillations HF.
Étape 3 — Étudier le stress composants
Augmenter
Vin ou diminuer K pour observer l’augmentation de Vds max et discuter du rôle du snubber.
Étape 4 — Étudier les pertes et l’échauffement
Comparer les pertes cuivre, pertes noyau et pertes liées à la fuite. Discuter du risque de saturation avec le matériau 3C90 fixé.
Étape 5 — Comparer avec LTspice puis HeP200 réel
Vérifier la fréquence, les formes d’ondes attendues, le retour à zéro du courant et les oscillations mesurées à l’oscilloscope.
Continuité pédagogique : transformateur HF → convertisseur HeP200
| Ce que l’étudiant étudie sur le transformateur HF | Effet observé sur HeP200 / simulation |
|---|---|
| Lm, inductance magnétisante | Pente du courant primaire, énergie stockée, mode DCM/CCM |
| Lk, inductance de fuite | Surtension drain MOSFET, oscillations HF, besoin de snubber |
| Couplage magnétique K | Qualité du transfert d’énergie et stress composants |
| Matériau ferrite | Pertes noyau, échauffement, comportement en fréquence |
| Entrefer | Valeur de Lm, énergie stockable, risque saturation |
Limites du modèle
Ce modèle est volontairement simplifié. Il donne des tendances physiques cohérentes, mais ne remplace pas un modèle SPICE complet ni les mesures réelles.
Les pertes noyau sont estimées avec une loi simplifiée de type Steinmetz. Les pertes cuivre sont approximées avec des résistances équivalentes. Les effets détaillés comme l’effet de peau, l’effet de proximité, les capacités parasites du transformateur et le comportement exact du snubber ne sont pas entièrement modélisés.
L’objectif est pédagogique : aider l’étudiant à comprendre pourquoi les paramètres du transformateur HF commun aux plateformes HeP100 et HeP200 modifient les formes d’ondes observées sur le convertisseur HeP200.
Effet des paramètres
| Paramètre | Modification | Effet attendu |
|---|---|---|
| Rload | Diminue | Courant augmente, passage vers CrM/CCM |
| Vin | Augmente | Pente du courant primaire augmente, Ton diminue, ΔB augmente |
| K couplage | Diminue | Fuite magnétique plus forte, surtension et oscillations HF drain plus élevés |
| L primaire | Augmente | Courant primaire monte plus lentement, énergie par ampère plus élevée |
| Rsense | Augmente | Courant crête limité plus tôt, puissance disponible plus faible |
| Ae / Np | Diminue | Flux B plus élevé, risque saturation plus fort |
| Matériau | Fixe : 3C90 | Référence commune pour analyser les effets de Lm, Lk, K, ΔB et saturation |
Interprétation physique et observations
K ↓ → Lk ↑ → énergie de fuite ↑ → Vds ↑ → oscillations HF ↑
Vin ↑ → dIp/dt ↑ → ΔB ↑ → risque saturation ↑
Point d'observation spécifique : en saturation, le courant primaire n'est plus parfaitement triangulaire. Une cassure de pente apparaît en fin de conduction MOSFET. Cette signature est un indicateur important à rechercher ensuite en simulation LTspice et lors des mesures expérimentales.
Charge ↑ → énergie transférée ↑ → passage DCM → CrM → CCM
Entrefer ↑ → Lm ↓ → Ipk ↑ → énergie stockée ↑ → modes DCM / CrM / CCM modifiés
Influence de l’entrefer / Kapton :
Dans les plateformes HeP100 et HeP200, l’entrefer réalisé avec les couches de Kapton agit également sur le comportement du flyback. En modifiant l’inductance magnétisante Lm et l’énergie stockée dans le transformateur HF, l’entrefer influence directement les modes DCM / CrM / CCM et les formes d’ondes observées.
Dans les plateformes HeP100 et HeP200, l’entrefer réalisé avec les couches de Kapton agit également sur le comportement du flyback. En modifiant l’inductance magnétisante Lm et l’énergie stockée dans le transformateur HF, l’entrefer influence directement les modes DCM / CrM / CCM et les formes d’ondes observées.
Ce qu’on doit observer à l’oscilloscope :
Mode DCM :
• le courant secondaire revient à zéro,
• la seconde oscillation Vds est visible,
• les oscillations HF sont plus marquées.
Mode CrM :
• le courant secondaire revient presque à zéro,
• le convertisseur fonctionne à la frontière DCM/CCM.
Mode CCM :
• le courant secondaire ne revient plus à zéro,
• les oscillations sont généralement moins visibles,
• la démagnétisation devient incomplète sur une période.
Mauvais couplage :
• le pic Vds augmente,
• le ringing HF augmente,
• les pertes et contraintes MOSFET augmentent.
Snubber actif :
• le pic Vds diminue,
• les oscillations HF sont amorties,
• une partie de l’énergie de fuite est dissipée.
Mode DCM :
• le courant secondaire revient à zéro,
• la seconde oscillation Vds est visible,
• les oscillations HF sont plus marquées.
Mode CrM :
• le courant secondaire revient presque à zéro,
• le convertisseur fonctionne à la frontière DCM/CCM.
Mode CCM :
• le courant secondaire ne revient plus à zéro,
• les oscillations sont généralement moins visibles,
• la démagnétisation devient incomplète sur une période.
Mauvais couplage :
• le pic Vds augmente,
• le ringing HF augmente,
• les pertes et contraintes MOSFET augmentent.
Snubber actif :
• le pic Vds diminue,
• les oscillations HF sont amorties,
• une partie de l’énergie de fuite est dissipée.
Lien avec le flyback industriel réel HeP200 :
Dans un flyback industriel réel : • les inductances de fuite provoquent des surtensions,
• le snubber protège le MOSFET contre les pics Vds,
• le couplage du transformateur impacte rendement et EMI,
• les modes DCM / CrM / CCM modifient fortement le comportement du convertisseur,
• les tensions de sortie et les contraintes des composants dépendent directement du transformateur HF.
Dans un flyback industriel réel : • les inductances de fuite provoquent des surtensions,
• le snubber protège le MOSFET contre les pics Vds,
• le couplage du transformateur impacte rendement et EMI,
• les modes DCM / CrM / CCM modifient fortement le comportement du convertisseur,
• les tensions de sortie et les contraintes des composants dépendent directement du transformateur HF.