SMPS : Convertisseurs symétriques isolés

L'article précédent de notre série sur les alimentations à découpage (SMPS) traitait des sujets suivants topologies de convertisseurs isolés asymétriques. Nous allons maintenant étudier plusieurs convertisseurs isolés symétriques ainsi que leurs avantages et inconvénients pour différentes applications.

Convertisseurs symétriques nécessitent un nombre pair d'interrupteurs. 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. Push-pull, demi-pont, et pont complet sont tous des convertisseurs symétriques.

Convertisseur push-pull

Un convertisseur push-pull est un convertisseur bidirectionnel qui utilise un transformateur pour assurer l'isolation galvanique de la charge et la conversion de la tension (AC-DC et DC-DC).

Les convertisseurs push-pull sont utilisés lorsqu'il y a une grande variation dans l'entrée et lorsque la tension de sortie est inférieure à la tension d'entrée. Ils peuvent être utilisés à des niveaux de puissance compris entre 100 W et 500 W.

Le transformateur utilisé dans un convertisseur push-pull se compose d'un primaire à prise centrale et d'un secondaire à prise centrale. Les interrupteurs S₁ et S₂ sont commandés par le circuit de commande, chaque interrupteur étant commandé alternativement, ce qui permet de commander le transformateur dans les deux sens. Le transformateur push-pull est généralement deux fois plus petit que celui des types à simple extrémité, ce qui permet une conception plus compacte.

Cette action push-pull produit une réinitialisation naturelle du noyau pendant chaque demi-cycle, ce qui ne nécessite pas d'enroulement de serrage. La puissance est transférée au circuit de sortie de type buck pendant chaque période de conduction de l'interrupteur. Le rapport cyclique de chaque interrupteur est généralement inférieur à 0,45. Cela permet d'obtenir un temps mort suffisant pour éviter la conduction croisée des interrupteurs. La puissance peut alors être transférée à la sortie jusqu'à 90% de la période de commutation, ce qui permet d'obtenir un débit plus important qu'avec les types à extrémité unique.

Lorsque l'interrupteur S₁ est ON et le commutateur S₂ est OFF, l'énergie est transférée à la charge par l'intermédiaire du transformateur secondaire NS₂, D₄ et Lo.

Lorsque l'interrupteur S₂ est ON et le commutateur S₁ est OFF, l'énergie est transférée à la charge par l'intermédiaire du transformateur secondaire NS₁, D₃ et Lo.

Lorsque les deux interrupteurs S₁ et S₂ sont OFF, La diode de corps de l'interrupteur fournit le chemin pour l'énergie de fuite stockée dans le primaire du transformateur. La diode de redressement de sortie D₃ devient polarisé vers l'avant et transporte la moitié du courant de l'inducteur à travers le secondaire du transformateur NS₁, et la moitié du courant de l'inducteur est transportée par la diode D₄ à travers le secondaire du transformateur NS₂. Il en résulte des tensions égales et opposées appliquées aux secondaires du transformateur (les deux NS₁ et NS₂ ont un nombre égal de spires), la tension nette appliquée au secondaire pendant la durée de vie de l'appareil est donc plus élevée que celle appliquée au secondaire. T_éteint est égale à zéro.

V_sortir/V_en Relation

V_en > V_sortir

Plage du rapport cyclique < 1

Avantages

• Gamme de puissance pouvant aller jusqu'à plusieurs KW
• La commande de commutateurs push-pull ne nécessite pas d'alimentation isolée.
• Circuit simple
• Haute efficacité
• Petite inductance de sortie nécessaire
• Possibilité de sorties multiples

Inconvénients

• Chaque interrupteur doit bloquer deux fois la tension d'entrée en raison de l'effet de doublement du primaire à prise centrale, même si deux interrupteurs sont utilisés.
• La disposition de la prise centrale signifie également qu'il faut plus de cuivre pour le primaire et qu'un très bon couplage entre les deux moitiés est nécessaire pour minimiser les éventuelles pointes de fuite. Un primaire à prise centrale est normalement bobiné en bifilaire, mais cela provoque une tension alternative importante entre les spires adjacentes.
• La haute tension (2 - V_en) sur le commutateur et l'utilisation du primaire du transformateur rend l'utilisation de la topologie push-pull indésirable lorsque la tension d'entrée est européenne, asiatique, la gamme universelle (90 VAC-230 VAC), ou lorsque le PFC est utilisé. C'est pourquoi la topologie push-pull est la plus favorable pour les applications à basse tension telles que la réglementation américaine 110 VAC entrée directe hors ligne SMPS. Elle a également été largement utilisée dans les convertisseurs fonctionnant avec des systèmes alimentés par des batteries de 12 V et 24 V.
• Un autre problème qui peut survenir dans un convertisseur push-pull est le déplacement du flux magnétique (flux walking). Si la variation du flux dans chaque demi-cycle n'est pas exactement symétrique, le volt-sec ne s'équilibrera pas, ce qui entraînera une saturation du transformateur, en particulier pour les tensions d'entrée élevées. Ce déséquilibre magnétique peut être causé par une tension d'entrée inégale. T_sur de la période pour les deux interrupteurs, un nombre inégal de tours du primaire. NP₁ et NP₂ et le secondaire NS₁ et NS₂, et une chute de tension avant inégale des diodes de sortie D₃ et D₄. Ce déséquilibre peut être réduit en choisissant soigneusement le circuit d'entraînement des impulsions de la grille, en utilisant un dispositif de commutation et en ajoutant un entrefer au noyau du transformateur.
• Nombre de composants plus élevé, en particulier pour les sorties régulées multiples.

Applications

• Amplificateur RF (CAR Audio)
• Conducteurs de moteurs à courant alternatif
• Pilotes de moteurs à courant continu
• Onduleurs

Convertisseur en demi-pont

Le convertisseur en demi-pont est le plus populaire pour les applications à forte puissance (jusqu'à 500 W). Il s'agit d'un dérivé du convertisseur convertisseur buck qui utilise un transformateur pour assurer l'isolation galvanique de la charge et la conversion de la tension (AC-DC et DC-DC).

Cette topologie utilise également deux composants magnétiques majeurs, un transformateur et une inductance de sortie, mais dans ce cas, le noyau du transformateur est mieux utilisé que dans un convertisseur direct. Les éléments de commutation fonctionnent indépendamment, avec un temps mort entre les deux, commutant le primaire du transformateur à la fois positivement et négativement par rapport au point central.

Temps morts t_d entre deux commutations consécutives sont absolument nécessaires pour éviter un court-circuit de la jambe de pont.

Lorsque l'interrupteur S₁ est ON et le commutateur S₂ est OFF, l'énergie est transférée à la charge par l'intermédiaire du transformateur secondaire NS₂, D₂ et Lo.

Lorsque l'interrupteur S₂ est ON et le commutateur S₁ est OFF, l'énergie est transférée à la charge par l'intermédiaire du transformateur secondaire NS₁, D₁ et Lo.

V_sortir/V_en Relation

V_en > V_sortir

Plage du rapport cyclique < 1

Avantages

• La tension exercée sur l'interrupteur est de V_en ce qui le rend beaucoup plus adapté aux applications 250 VAC et PFC.
• Le problème de la marche du flux est éliminé car le primaire n'est qu'un enroulement unique. Un petit condensateur de blocage du courant continu est placé en série avec le primaire du transformateur, pour bloquer le flux de courant continu dans le noyau du transformateur.
• Le rendement élevé, la densité de puissance élevée et la construction simplifiée du transformateur en font la solution idéale pour les applications de moyenne puissance.
• Excellente utilisation du transformateur, très faible ondulation de sortie et faible inductance de sortie requise.

Inconvénients

• Courant d'ondulation élevé en C₁ et C₂, qui doivent être sélectionnés avec soin afin d'éviter toute surchauffe.
• Un pilote isolé est nécessaire pour l'interrupteur supérieur, ce qui augmente le coût des composants.
• Fonctionnement à la moitié de la tension d'entrée (V_en), le courant de collecteur est donc doublé par rapport au schéma push-pull.
• Ne convient pas pour le contrôle en mode courant.

Applications

• Convient parfaitement aux applications à haute tension d'entrée jusqu'à 440 V.
• Grandes fournitures informatiques.
• Fournitures de matériel de laboratoire.

Convertisseur à pont complet

Le convertisseur en pont complet est une version plus puissante du demi-pont et fournit le niveau de puissance de sortie le plus élevé (jusqu'à 1000 W) de tous les convertisseurs mentionnés ci-dessus.

Les convertisseurs en pont complet utilisent un transformateur pour abaisser la tension primaire pulsée et pour assurer l'isolation entre la source de tension d'entrée et la tension de sortie. V_sortir.

Le convertisseur en pont complet utilise quatre interrupteurs qui fonctionnent en alternance. Deux interrupteurs diagonaux tournent ON et  OFF dans un cycle PWM, puis les deux autres interrupteurs diagonaux dans le cycle PWM suivant. Le flux est réinitialisé lorsque l'autre paire d'interrupteurs est activée ON, Les cycles d'utilisation peuvent donc aller de 0 à 1. Deux impulsions de puissance sont transférées à chaque cycle, ce qui permet d'utiliser une inductance et un condensateur de sortie plus petits.

Lorsque l'interrupteur S₁, S₄ sont ON et le commutateur S₂, S₃ sont OFF, l'énergie est transférée à la charge par l'intermédiaire du transformateur secondaire NS₂, D₂et Lo.

Lorsque l'interrupteur S₂, S₃ sont ON et le commutateur S₁, S₄ sont OFF, l'énergie est transférée à la charge par l'intermédiaire du transformateur secondaire NS₁,  D₁et Lo.

V_sortir/V_en relation

V_en > V_sortir

Plage du rapport cyclique < 1

Le déséquilibre des flux peut être un problème avec le convertisseur à pont complet. Un condensateur optionnel CB peut être ajoutée, de sorte que si une paire d'interrupteurs conduit plus de courant que l'autre paire, la tension sur l'interrupteur est réduite. CB se déplacera vers le haut ou vers le bas de manière à égaliser le flux de courant à travers les interrupteurs. Les totem La disposition des interrupteurs (où l'un est superposé à l'autre) est susceptible de provoquer des courants de fuite. tir à l'arc de la V_bus le rail d'alimentation vers le retour lorsqu'un interrupteur est en train de tourner OFF tandis que l'autre tourne ON. Pour éviter le "shoot-through", un temps mort doit être inséré entre chaque transition de l'interrupteur.

Avantages

• Un seul condensateur de lissage du réseau, contre deux pour le demi-pont, permet d'économiser de l'espace.
• Prise en charge d'une large gamme de niveaux de tension d'entrée et de sortie
• Densité de puissance élevée
• La tension exercée sur l'interrupteur est de V_en
• Une utilisation élevée du cœur (flux complet dans les quadrants 1 et 3) permet l'utilisation d'un cœur plus petit.

Inconvénients

• Les dispositifs de commutation peuvent être coûteux, il est donc logique d'inclure des circuits de contrôle appropriés qui offrent une bonne protection des dispositifs, une capacité de démarrage progressif et des circuits d'attaque rapides et à courant élevé.
• Le circuit de synchronisation est plus complexe et deux pilotes côté haut sont nécessaires.
• Nombre de composants plus élevé, en particulier pour les sorties régulées multiples.
• Cher par rapport à d'autres convertisseurs car il utilise plus de composants.

Applications

• Fournitures pour ordinateurs centraux.
• Grandes fournitures d'équipement de laboratoire.
• Systèmes de télécommunication.
• Servomoteurs à courant continu.
• Génération de tension alternative pour les entraînements de moteurs à courant alternatif.
• Chauffage RF.
• Chargeurs de batterie.

Le prochain article de notre série SMPS portera sur convertisseurs résonnants et leurs principales applications.