SMPS : Convertisseurs isolés asymétriques

L'article précédent de notre série sur alimentations à découpage (SMPS) couverts topologies de convertisseurs non isolés. Nous allons maintenant étudier convertisseurs isolés, en commençant par convertisseur asymétrique topologies.

Aperçu des convertisseurs isolés

Les topologies isolées dans les alimentations à découpage utilisent un transformateur à haute fréquence comme isolateur entre l'élément de commutation et la sortie. En fonction du rapport des tours du transformateur, la tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée. Les topologies SMPS basées sur des transformateurs peuvent être conçues pour générer plusieurs tensions de sortie en utilisant plusieurs enroulements.

Les convertisseurs isolés se divisent en deux catégories principales, appelées convertisseurs asymétriques et convertisseurs symétriques, en fonction de la manière dont le transformateur est utilisé.

En convertisseurs asymétriques le point de fonctionnement magnétique du transformateur se situe toujours dans un quadrant. Le noyau doit être réinitialisé à chaque cycle de commutation pour éviter la saturation, ce qui signifie que seule la moitié du flux utilisable est exploitée. Les convertisseurs Flyback et Forward sont tous deux des convertisseurs asymétriques.

La courbe B-H indique clairement que le convertisseur flyback fonctionne avec une perméabilité (B/H) et une inductance plus faibles que les autres topologies. Comme le transformateur flyback est en fait une inductance couplée qui stocke toute l'énergie avant de l'envoyer dans la charge, un entrefer est nécessaire pour stocker cette énergie et empêcher la saturation du noyau. L'entrefer a pour effet de réduire la perméabilité globale du noyau. Tous les autres convertisseurs ont une véritable action de transformateur et n'emmagasinent idéalement pas d'énergie, de sorte qu'aucun entrefer n'est nécessaire.

Convertisseurs symétriques Les convertisseurs asymétriques nécessitent un nombre pair d'interrupteurs et la totalité du flux disponible dans les deux quadrants de la boucle B-H est utilisée, ce qui permet d'exploiter le cœur de manière beaucoup plus efficace. Il peut donc produire plus d'énergie que les convertisseurs asymétriques. Les convertisseurs push-pull, demi-pont et pont complet sont tous des convertisseurs symétriques.

Convertisseurs asymétriques

Convertisseur Flyback

Un convertisseur flyback (FBT) est également appelé convertisseur isolé. buck-boost Il est utilisé pour la conversion AC-DC et DC-DC avec une isolation galvanique entre l'entrée et la sortie. Les convertisseurs Flyback assurent l'isolation grâce à l'utilisation d'un transformateur qui joue le rôle d'inducteur de stockage. Le transformateur assure non seulement l'isolation, mais en faisant varier le rapport des tours, la tension de sortie peut être ajustée et des sorties multiples sont possibles.

Les convertisseurs Flyback sont largement utilisés pour les applications à faible puissance jusqu'à 150 W et peuvent également être conçus pour des tensions de sortie plus élevées jusqu'à 400 V à une faible puissance de sortie (15-20 W).

Les principaux composants d'un convertisseur flyback sont l'interrupteur supérieur, le circuit oscillateur, le transformateur, la diode et le condensateur. Le transformateur flyback fonctionne différemment d'un transformateur normal, puisque le primaire et le secondaire ne conduisent pas simultanément.

Le principe du convertisseur flyback est basé sur le stockage de l'énergie dans l'inducteur pendant la durée de vie du convertisseur. T_sur et la décharge de l'énergie à la charge pendant la période de T_éteint période.

Lorsque l'interrupteur est tourné ON, La tension induite dans l'enroulement secondaire est négative, la diode est inversée (bloquée) et le transformateur se comporte comme une inductance. La tension induite dans l'enroulement secondaire est négative, la diode est polarisée en sens inverse (bloquée), de sorte que le transformateur se comporte comme un inducteur. Le courant primaire et le flux magnétique dans le transformateur augmentent et emmagasinent de l'énergie. Au cours de la T_sur le condensateur de sortie fournit de l'énergie à la charge. La valeur du condensateur de sortie doit donc être suffisamment grande pour fournir le courant de la charge pendant la période de temps. T_sur, avec la baisse maximale spécifiée de la tension de sortie.

Lorsque l'interrupteur est tourné OFF, la tension secondaire s'inverse sous l'effet de l'effondrement du champ magnétique, la diode de redressement de sortie D1 devient polarisé vers l'avant, et l'énergie stockée dans le noyau du transformateur recharge le condensateur et alimente la charge.

A la fin de la ON période, lorsque l'interrupteur est tourné OFF, il n'y a pas de chemin de courant pour dissiper l'énergie de fuite stockée dans le noyau magnétique du transformateur flyback. Il existe de nombreuses façons de dissiper cette énergie de fuite, y compris la conception à un seul interrupteur avec snubber et la topologie à deux interrupteurs.

La mise en œuvre d'un seul interrupteur est efficace, mais elle nécessite la conception d'un snubber ou une approche résonante pour amortir les pics de tension générés par l'inductance de fuite du transformateur. La topologie à deux interrupteurs permet d'écrêter activement les pointes de tension, mais augmente la complexité du circuit.

Magnétisation de l'énergie stockée dans le transformateur Flyback :

Où EP = Joule IPK= Ampères & LM= Henries

V_sortir/V_en Relation

V_en > V_sortir ou V_en < V_sortir

Plage du rapport cyclique = 0 à < 0,5

Entrefer

Pour obtenir une énergie stockée suffisamment élevée, l'inductance primaire doit être nettement inférieure à celle requise pour un véritable transformateur et un courant de crête élevé est nécessaire. On y parvient normalement en créant un “trou” dans le noyau. L'entrefer réduit l'inductance et la majeure partie de l'énergie de crête élevée est alors stockée dans l'entrefer du noyau, ce qui empêche la saturation du noyau. L'entrefer ne modifie pas la valeur de la densité de flux de saturation (BSAT) du matériau du noyau ; cependant, il augmente l'intensité du champ magnétique, H, pour atteindre la saturation et réduit la densité de flux résiduelle BR.

Modes de fonctionnement

Le convertisseur flyback a deux modes de fonctionnement selon que l'inductance primaire du transformateur est complètement démagnétisée ou non.

En mode discontinu, Le courant secondaire tombe à zéro à chaque période de commutation, et toute l'énergie est fournie à la charge avant le cycle suivant. Il y a également un temps mort entre le moment où le courant secondaire atteint zéro et le début du cycle suivant. C'est ce qu'on appelle le fonctionnement triangulaire.

En mode continu, L'énergie stockée dans l'inducteur n'est pas entièrement transférée au condensateur de sortie et à la charge avant la période de charge suivante. C'est ce qu'on appelle le fonctionnement en mode trapézoïdal. Le principal avantage du mode continu est que les courants de crête circulant ne sont que la moitié de ceux du mode discontinu pour la même puissance de sortie, ce qui permet de réduire l'ondulation de sortie. Cependant, la taille du noyau est environ 2 à 4 fois plus grande en mode continu afin d'obtenir l'inductance accrue nécessaire pour réduire les courants de crête et assurer la continuité.

Avantages

• Un transformateur flyback est en réalité un inducteur de stockage, ce qui rend inutile l'utilisation d'un inducteur séparé. La simplicité du circuit et le nombre réduit de composants font de la topologie flyback une topologie rentable et populaire.
• Permet d'accommoder facilement des sorties multiples

Inconvénients

• Grand condensateur de sortie nécessaire pour réduire le courant d'ondulation
• Les exigences élevées en matière d'isolation peuvent réduire le couplage étroit des enroulements primaire et secondaire.
• Perte par courants de Foucault élevée dans la zone de l'entrefer
• Considérations sur les interférences électromagnétiques
• Mauvaise utilisation du transformateur car il est à une seule extrémité

Applications

• Alimentations à découpage de faible puissance (chargeur de téléphone portable, alimentation de secours dans les PC)
• Alimentations à sorties multiples à faible coût (par exemple, alimentations principales de PC <200 W)
• Alimentation haute tension pour le tube cathodique des téléviseurs et des moniteurs
• Production de haute tension (par exemple, pour les lampes flash au xénon, les lasers, les photocopieurs, etc.)
• Pilote de grille isolé

Convertisseur en aval

Un convertisseur forward est essentiellement un convertisseur buck qui utilise un transformateur d'impulsions unidirectionnel pour assurer l'isolation galvanique de la charge et pour assurer la fonction de conversion de tension (AC-DC & DC-DC) par paliers.

Le convertisseur direct, comparé au circuit flyback, est généralement plus économe en énergie et est utilisé pour des applications nécessitant une puissance de sortie un peu plus élevée (de l'ordre de 100 W à 250 W). Cependant, la topologie du circuit, en particulier le circuit de filtrage de sortie, n'est pas aussi simple que dans le convertisseur flyback.

Contrairement au flyback, le convertisseur forward a une véritable action de transformateur (qui est basée sur un transformateur avec des enroulements de même polarité, une inductance magnétisante plus élevée et pas d'entrefer), et ne stocke pas d'énergie pendant le temps de conduction de l'élément de commutation. En effet, les transformateurs à noyau non encapsulé ne peuvent pas stocker une quantité importante d'énergie comme le font les inductances. Au lieu de cela, l'énergie est transmise directement à la sortie du convertisseur à terme par l'action du transformateur pendant la phase de conduction de l'interrupteur. La tension de sortie est déterminée par la tension d'entrée, le rapport des tours du transformateur et le rapport cyclique. L'énergie est stockée dans l'étage de sortie du convertisseur dans l'inductance et le condensateur. L'inductance de sortie réduit les courants d'ondulation dans le condensateur de sortie et le volume du transformateur dépend de la fréquence de commutation et de la dissipation de puissance.

Lorsque l'interrupteur est ON, l'énergie est transférée à la charge et stockée dans le Lo à travers D₁ et le transformateur.

Lorsque l'interrupteur est OFF, l'énergie stockée dans Lo est transférée à la charge par l'intermédiaire de D₂. Diode D₁ reste désactivé pendant ce mode et isole la section de sortie du circuit du transformateur et de l'entrée.

V_sortir/V_en Relation

Plage du rapport cyclique = 0 à < 0,5

A la fin de la ON période, lorsque l'interrupteur est tourné OFF, En effet, il n'y a pas de chemin de courant pour dissiper l'énergie stockée dans le noyau magnétique. Chaque fois qu'un noyau est entraîné de manière unidirectionnelle (le courant n'est entraîné que dans une seule direction dans le primaire), le noyau doit être réinitialisé. Le noyau du transformateur a été magnétisé par le courant de magnétisation. La rémanence du matériau du noyau entraînerait la saturation du noyau en l'espace de quelques cycles de commutation, de sorte qu'il doit être démagnétisé après chaque période de commutation. Diverses techniques ont été utilisées à cette fin, notamment :

• Un interrupteur avec bobine de réinitialisation
• Deux commutateurs vers l'avant
• Pince active vers l'avant

Un interrupteur avec enroulement de réinitialisation

L'option la plus simple est un interrupteur avec un enroulement de réinitialisation. Dans cette méthode, le flux stocké à l'intérieur du noyau magnétique induit une tension négative à l'extrémité du point de l'enroulement NR, qui polarise la diode vers l'avant. D₃ et réinitialise l'énergie magnétisante stockée dans le noyau. L'enroulement NR est donc appelé réinitialiser l'enroulement. Il est important de réinitialiser le courant de magnétisation pendant la période d'arrêt pour éviter la saturation.

L'enroulement de réarmement est enroulé en bifilaire avec le primaire pour assurer un bon couplage et minimiser l'inductance de fuite, et il est normalement fait pour avoir le même nombre de tours que le primaire. (Le calibre du fil de l'enroulement de réinitialisation peut être très faible, puisqu'il ne doit conduire que le petit courant de magnétisation). Le temps nécessaire pour que l'énergie de magnétisation tombe à zéro est donc de la même durée que le temps d'enclenchement de l'interrupteur. Cela signifie que le rapport d'exploitation théorique maximal du convertisseur à terme est de 0,5 et qu'après prise en compte des délais de commutation, il tombe à 0,45. La tension de blocage maximale observée par le commutateur sera plus de deux fois supérieure à la tension d'entrée en raison de la non-linéarité des composants et de l'inductance de fuite du transformateur.

L'utilisation incomplète du magnétisme, la limite maximale du cycle de travail et la tension élevée du commutateur rendent le convertisseur à terme réalisable pour une puissance de sortie allant jusqu'à 150 W. Son courant d'inductance de sortie non pulsatoire rend le convertisseur à terme bien adapté à l'application impliquant un courant de charge très élevé (> 15 A). La présence de l'inductance de sortie limite l'utilisation d'un convertisseur direct dans une application à tension de sortie élevée (> 30 V), qui nécessite une inductance volumineuse pour s'opposer à la tension de sortie élevée.

Deux commutateurs vers l'avant

Afin d'éviter l'utilisation de commutateurs à tension plus élevée, il est possible d'utiliser la méthode de démagnétisation du noyau à deux commutateurs. La tension aux bornes de l'interrupteur est à nouveau bridée à V_en, La réinitialisation de la magnétisation est réalisée par deux diodes de clampage, ce qui permet de supprimer l'enroulement de réinitialisation. La réinitialisation de la magnétisation est réalisée par les deux diodes de serrage, ce qui permet de supprimer l'enroulement de réinitialisation.

La version à deux interrupteurs est populaire pour les applications hors ligne. Elle offre un niveau de puissance de sortie plus élevé (150 W à 350 W) et des fréquences de commutation plus rapides. Les inconvénients sont encore une fois le coût supplémentaire lié au nombre plus élevé de composants et la nécessité d'une commande isolée pour le commutateur de ligne haute.

Pince active vers l'avant

D'autres possibilités de démagnétisation sont offertes par l'utilisation d'un convertisseur à terme avec serrage actif. Dans le cas du convertisseur en aval à serrage actif, le condensateur du transformateur génère une tension négative plus élevée, de sorte que la démagnétisation s'effectue en un temps plus court. Cela signifie que des cycles de fonctionnement supérieurs à 50% sont possibles.

L'ajout de la pince active présente un certain nombre d'avantages. L'enroulement de réarmement du transformateur n'est plus nécessaire et la tension aux bornes de l'interrupteur S₁ Les pics sont à V_en et non 2 × V_en. Le rendement global est plus élevé car les pertes de diodes sont évitées et seul le courant de démagnétisation traverse le commutateur. S₂.

L'inconvénient de la pince active est qu'un deuxième signal PWM doit être généré et que le commutateur doit être activé. S₂ a besoin d'un pilote côté haut. Cependant, il existe de nombreux circuits intégrés de contrôleurs qui intègrent en interne les circuits de synchronisation nécessaires et les circuits d'attaque côté haut. Le condensateur de serrage C_pince a un courant d'ondulation élevé, il faut donc veiller à ce qu'il ne surchauffe pas.

Avantages

• Gamme de puissance élevée par rapport au flyback
• Meilleure utilisation des transformateurs
• Courant de pointe plus faible
• Faible courant d'ondulation (petit condensateur de sortie)
• Plusieurs sorties sont possibles
• Circuit relativement simple avec un nombre moyen de composants

Inconvénients

• Le coût est plus élevé en raison de l'inductance de sortie supplémentaire et de la diode de roue libre.
• Nombre de composants plus élevé, en particulier pour les sorties régulées multiples.
• Exigence de haute tension pour l'interrupteur supérieur
• Inductance de sortie importante requise

Applications

• Alimentation ATX
• Adaptateurs CA
• Système d'énergie solaire
• Ordinateur personnel

Le prochain article de notre série sur les SMPS couvrira le deuxième groupe principal de topologies isolées : convertisseurs isolés symétriques.