SMPS : Convertisseurs résonants

Les exigences croissantes en matière de produits électroniques plus légers, plus petits et plus efficaces obligent les concepteurs d'alimentations à développer des convertisseurs AC-DC et DC-DC à haute densité de puissance et à haut rendement. Une fréquence de commutation élevée et un rendement élevé sont les deux méthodes utilisées pour améliorer la densité de puissance et le profil des alimentations à découpage (SMPS). 

Les efforts déployés pour obtenir une densité de puissance toujours plus élevée dans un SMPS ont été limités par la taille des composants passifs. Le fonctionnement à des fréquences plus élevées réduit considérablement la taille des composants passifs tels que les transformateurs et les filtres ; cependant, les pertes de commutation constituent un obstacle au fonctionnement à haute fréquence.

Les techniques résonantes sont utilisées pour réduire les pertes de commutation dans les dispositifs semi-conducteurs et pour permettre un fonctionnement à haute fréquence. Ces techniques traitent l'énergie de manière sinusoïdale et les dispositifs de commutation sont commutés en douceur. Par conséquent, les pertes de commutation et le bruit peuvent être considérablement réduits en raison des caractéristiques de commutation douce. Les techniques résonantes sont utilisées dans les convertisseurs en demi-pont et en pont complet.

Les trois convertisseurs résonnants les plus populaires sont les suivants,

• Convertisseur résonnant en série
• Convertisseur résonant parallèle
• Convertisseur résonnant LLC

Convertisseur résonnant en série

Dans un convertisseur résonant en série (SRC), l'inducteur résonant (L_r) et le condensateur résonant (C_r) sont en série et placés en série avec la charge. Le réservoir résonant et la charge agissent comme un diviseur de tension.

L'impédance du réservoir résonant peut être modifiée en changeant la fréquence de la tension d'alimentation (V_a).

La tension d'entrée sera répartie entre cette impédance et la charge réfléchie. Comme il s'agit d'un diviseur de tension, le gain en courant continu d'un SRC est toujours inférieur à 1 (le gain maximal se produit à la fréquence de résonance).

À faible charge, l'impédance de la charge est très grande par rapport à l'impédance du réseau résonant et toute la tension d'entrée est imposée à la charge. Il est donc difficile de réguler la sortie à faible charge. Théoriquement, la fréquence devrait être infinie pour réguler la sortie à vide. 

Avantages

• Réduction des pertes de commutation et des interférences électromagnétiques grâce à la commutation sans tension et à l'amélioration de l'efficacité
• Réduction de la taille des composants magnétiques grâce à un fonctionnement à haute fréquence

Inconvénients

• Une énergie de circulation élevée et une perte de commutation importante se produisent à une tension d'entrée élevée. Ils ne conviennent pas à des applications telles que les applications DC/DC frontales.
• Le courant de redressement pulsé provenant du condensateur de sortie limite donc les applications à courant de sortie élevé.
• Impossible de réguler la sortie à vide.

Convertisseur à résonance parallèle

Dans un convertisseur résonant parallèle (PRC), le condensateur résonant (C_r) est placé en parallèle avec la charge, ce qui nécessite inévitablement de grandes quantités de courant de circulation. Il est donc difficile d'utiliser des topologies résonnantes parallèles dans des applications à haute densité de puissance ou à fortes variations de charge.

L'impédance du réservoir résonant peut être modifiée en changeant la fréquence de la tension d'alimentation (V_a). Le côté primaire du transformateur étant un condensateur, une inductance est ajoutée au côté secondaire pour adapter l'impédance.

Avantages

• Pas de problème de régulation de la sortie à vide
• Courant de redressement continu à partir de l'inducteur de sortie, il convient donc aux applications à courant de sortie élevé.

Inconvénients

• Le courant du côté primaire est presque indépendant de la charge, un courant important peut circuler dans le réseau résonant, même à vide.
• Une énergie de circulation élevée et une perte de commutation importante se produisent à une tension d'entrée élevée. Ils ne conviennent pas aux applications telles que les applications DC/DC frontales.

Convertisseur résonant LLC en demi-pont

La topologie LLC en demi-pont se compose d'un générateur de signaux carrés, d'un réservoir résonnant en série, d'un transformateur, d'un circuit de redressement de sortie et d'un filtre de sortie.

Le réservoir résonant en série est composé d'un inducteur résonant en série L_r, un condensateur résonant en série C_r, et le Lm formé par l'inductance magnétisante du transformateur T₁. L'inducteur résonant en série peut être un composant externe ou l'inductance de fuite de l'inducteur résonant en série. T₁. Le circuit redresseur qui comprend D₁ et D₂ convertit le courant de résonance en un courant unidirectionnel. Le filtre de sortie C_o module le courant d'ondulation à haute fréquence. 

Le convertisseur résonant LLC utilise l'inductance de magnétisation du transformateur pour générer une fréquence de résonance supplémentaire, qui est beaucoup plus basse que la fréquence de résonance principale comprenant le réservoir résonant. L_r et C_r. Le convertisseur résonant LLC est conçu pour fonctionner à une fréquence de commutation supérieure à la fréquence de résonance du réservoir résonant. L_r et C_r.

Interrupteurs S₁ et S₂ fonctionnent à un rapport cyclique de 50% et la tension de sortie est régulée en faisant varier la fréquence de commutation du convertisseur. Le convertisseur a deux fréquences de résonance : une fréquence de résonance inférieure Fr₂ (donnée par L_m, L_r, et C_r) et une fréquence de résonance en série supérieure fixe Fr₁ (donnée par Lr et Cr uniquement).

La réponse en fréquence typique d'un convertisseur résonant LLC est la suivante :

Les deux fréquences de résonance sont

Le facteur de qualité du réservoir résonant est le suivant :

CAR = Résistance équivalente en courant alternatif,  n = Taux de rotation

Les caractéristiques d'un convertisseur résonant LLC peuvent être divisées en trois régions en fonction du fonctionnement.

Région 1 est similaire au fonctionnement SRC. Lorsque la fréquence de commutation est supérieure à Fr₁, Le convertisseur fonctionne dans la région ZVS et l'inductance magnétisante ne participe pas à la résonance. Dans cette région, également appelée région de charge inductive, le gain de tension du convertisseur résonant LLC est toujours inférieur à un.

Région 2 est la région du convertisseur multi-résonant (MRC). Entre Fr₁ et Fr₂, Dans les conditions ZVS et ZCS, le gain de tension du convertisseur atteint sa valeur maximale. Dans cette région, l'énergie stockée dans les composants magnétiques provoque le ZVS pour le dispositif de commutation opposé.

Région 3 est la zone de surcharge. Lorsque la fréquence de commutation est supérieure à Fr₂, le convertisseur fonctionne toujours en condition ZCS. Cette région est appelée région du mode capacitif, les commutateurs S₁ et S₂ sont soumis à une commutation dure et présentent des pertes de commutation élevées. Le fonctionnement en ZCS doit donc toujours être évité.

En général, le convertisseur résonnant LLC est conçu pour fonctionner dans les régions 1 et 2 en raison de la régulation de la sortie et du fonctionnement ZVS. Commutateurs S₁ et S₂ peut être commutée en douceur pour toute la plage de charge en faisant fonctionner le convertisseur en mode de charge inductive (région ZVS). Elle peut être supérieure ou inférieure à la fréquence de résonance. Fr₁. Le gain requis est déterminé par la relation entre la tension d'entrée et la tension de sortie, qui peut être représentée par :

g = Gain de tension pour le convertisseur résonant LLC

V_o = Tension de sortie

V_IN = Tension d'entrée

Cette équation montre que plus la tension d'entrée est faible, plus le gain en tension est élevé.

Avantages

• Variation de fréquence étroite sur une large gamme de lignes et de charges, ce qui fait de cette topologie le meilleur choix pour les applications DC-DC frontales.
• Capacité ZVS sur toute la plage de charge, faible courant de coupure, donc perte de commutation très faible.
• Commutation à tension nulle même à vide
• Tous les éléments parasites essentiels, y compris les capacités de jonction de tous les dispositifs semi-conducteurs et l'inductance de fuite du transformateur, sont utilisés pour obtenir une commutation douce.
• Aucune self de sortie n'est nécessaire, ce qui permet de réduire les coûts.
• Magnétique intégrée : Lorsqu'un transformateur est utilisé dans un convertisseur LLC, l'inductance de magnétisation et l'inductance de fuite peuvent être utilisées dans le circuit résonant au lieu d'utiliser une inductance externe séparée.
• Rendement élevé > 96% et puissance élevée jusqu'à 1 kW.

Inconvénients

• Courant d'ondulation plus élevé sur le secondaire, d'où la nécessité de condensateurs à faible ESR

Applications

• Téléviseurs LED et LCD
• Ordinateurs et portables
• Éclairage LED industriel
• Audio haut de gamme
• Appareils ménagers
• Chargeurs de batterie industriels