Expliquez la topologie d'une alimentation à découpage dans un seul article.
La topologie d'un circuit désigne la connexion entre les dispositifs de puissance et les composants électromagnétiques. La conception des composants magnétiques, des circuits de compensation en boucle fermée et de tous les autres composants du circuit dépend de cette topologie. Les topologies les plus courantes sont les convertisseurs Buck, Boost et Buck/Boost, Flyback simple (flyback isolé), Forward, Push-Pull, demi-pont et pont complet. Il existe environ 14 topologies courantes pour les alimentations à découpage, chacune présentant ses propres caractéristiques et applications. Le choix de la topologie repose sur la puissance requise (haute ou basse), la tension de sortie (haute ou basse) et le nombre minimal de composants nécessaires. Il est crucial de choisir une topologie adaptée et de bien connaître ses avantages, ses inconvénients et ses applications. Un mauvais choix compromettra inévitablement la conception de l'alimentation dès le départ.
Dans cet article, nous allons examiner en détail les topologies en escalier, en escalier et en escalier-escalier descendant/élévateur sous différents angles.
Convertisseur abaisseur
La figure 1 représente le schéma d'un convertisseur abaisseur asynchrone. Ce convertisseur réduit sa tension d'entrée à une tension de sortie inférieure. Lorsque l'interrupteur Q1 est fermé, l'énergie est transférée à la borne de sortie.
Figure 1 : Schéma d'un convertisseur abaisseur asynchrone
La formule 1 calcule le rapport cyclique :
La formule 2 calcule la contrainte maximale d'un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) :
La formule 3 induit une contrainte maximale sur la diode :
Vin est la tension d'entrée, Vout est la tension de sortie et Vf est la tension directe de la diode.
Comparé aux régulateurs linéaires ou aux régulateurs à faible chute de tension (LDO), plus la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie est grande, plus l'efficacité du convertisseur abaisseur est élevée.
Bien que le convertisseur abaisseur présente un courant pulsé en entrée, le courant de sortie est continu grâce à la présence d'un filtre LC (inductance-condensateur) en sortie. Par conséquent, l'ondulation de tension réfléchie à l'entrée est plus importante que celle à la sortie.
Pour les convertisseurs abaisseurs à faible rapport cyclique et courant de sortie supérieur à 3 A, il est recommandé d'utiliser des redresseurs synchrones. Si votre alimentation nécessite un courant de sortie supérieur à 30 A, il est recommandé d'utiliser des étages de puissance multiphasés ou entrelacés, car cela permet de minimiser les contraintes sur les composants, de répartir la chaleur générée entre les différents étages de puissance et de réduire l'ondulation de réflexion à l'entrée du convertisseur.
Lorsqu'on utilise un transistor N-FET, le rapport cyclique est limité car le condensateur bootstrap doit être rechargé à chaque cycle de commutation. Dans ce cas, le rapport cyclique maximal se situe entre 95 et 99 %.
Les convertisseurs Buck présentent généralement de bonnes caractéristiques dynamiques grâce à leur topologie directe. La bande passante atteignable dépend de la qualité de l'amplificateur d'erreur et de la fréquence de commutation choisie.
Les figures 2 à 7 montrent les formes d'onde de tension et de courant du FET, de la diode et de l'inductance en mode de conduction continue (CCM) dans les convertisseurs buck asynchrones.
Convertisseur élévateur
Le convertisseur élévateur augmente sa tension d'entrée pour obtenir une tension de sortie plus élevée. Lorsque l'interrupteur Q1 est non conducteur, l'énergie est transférée à la borne de sortie. La figure 8 représente le schéma d'un convertisseur élévateur asynchrone.
Figure 8 : Schéma du convertisseur élévateur asynchrone
La formule 4 calcule le rapport cyclique :
La formule 5 calcule la contrainte maximale du MOSFET :
La formule 6 fournit la contrainte maximale de la diode :
Vin est la tension d'entrée, Vout est la tension de sortie et Vf est la tension directe de la diode.
L'utilisation d'un convertisseur élévateur permet d'observer un courant de sortie pulsé, le filtre LC étant situé à l'entrée. Par conséquent, le courant d'entrée est continu et l'ondulation de la tension de sortie est supérieure à celle de la tension d'entrée.
Lors de la conception d'un convertisseur élévateur, il est important de savoir qu'une connexion permanente existe entre l'entrée et la sortie, même lorsque le convertisseur ne commute pas. Des mesures préventives doivent être prises pour éviter tout court-circuit potentiel à la sortie.
Pour les courants de sortie supérieurs à 4 A, il convient d'utiliser des redresseurs synchrones en remplacement des diodes. Si l'alimentation doit fournir un courant de sortie supérieur à 10 A, il est fortement recommandé d'utiliser des méthodes d'alimentation multiphasées ou à étages de puissance entrelacés.
En mode de conduction continue (CCM), les caractéristiques dynamiques du convertisseur élévateur sont limitées par le point zéro du demi-plan droit (RHPZ) de sa fonction de transfert. L'impossibilité pour le RHPZ de compenser ces limitations limite généralement la bande passante accessible à un cinquième ou un dixième de la fréquence du RHPZ.
Veuillez vous référer à la formule 7 :
Parmi eux, Vout est la tension de sortie, D est le rapport cyclique, Iout est le courant de sortie et L1 est l'inductance du convertisseur élévateur.
Les figures 9 à 14 montrent les formes d'onde de tension et de courant du FET, de la diode et de l'inductance en mode CCM dans les convertisseurs boost asynchrones.
Convertisseur élévateur/abaisseur
Un convertisseur buck-boost est une combinaison d'étages de puissance buck et boost qui partagent la même inductance.
Se référer à la figure 15.
Figure 15 : Schéma d'un convertisseur buck-boost à double interrupteur
La topologie buck boost est très pratique car la tension d'entrée peut être inférieure, supérieure ou égale à la tension de sortie, et nécessite une puissance de sortie supérieure à 50 W.
Pour une puissance de sortie inférieure à 50 W, un convertisseur à inductance primaire à extrémité unique (SEPIC) est un choix plus rentable car il utilise moins de composants.
Lorsque la tension d'entrée est supérieure à la tension de sortie, le convertisseur abaisseur-élévateur fonctionne en mode abaisseur ; lorsqu'elle est inférieure, il fonctionne en mode élévateur. Dans la plage de fonctionnement où la tension d'entrée se situe entre les tensions de sortie, deux solutions sont possibles : soit les étages abaisseur et élévateur sont actifs simultanément, soit le cycle de commutation alterne entre ces deux étages, chacun fonctionnant généralement à la moitié de la fréquence de commutation nominale. La seconde solution peut générer du bruit sous-harmonique en sortie et, comparée aux fonctionnements abaisseurs ou élévateurs classiques, la précision de la tension de sortie peut être moindre. En revanche, comparée à la première solution, le convertisseur est plus efficace.
La topologie buck boost présente des courants pulsés aux extrémités d'entrée et de sortie car il n'y a pas de filtre LC dans les deux sens.
Pour les convertisseurs buck-boost, les étages de puissance buck et boost peuvent être utilisés séparément pour le calcul.
Le convertisseur buck-boost à deux interrupteurs convient à une plage de puissance de 50 W à 100 W (comme le LM5118), et sa puissance de redressement synchrone peut atteindre 400 W (comme le LM5175). Il est recommandé d'utiliser un redresseur synchrone présentant la même limitation de courant que les étages de puissance buck et boost non conjugués.
Vous devez concevoir un réseau de compensation pour le convertisseur buck boost de l'étage boost, car RHPZ limitera la bande passante du régulateur.
structures topologiques de base communes
■ Réduction de tension Buck
■Boost Boost
■Réduction de tension Buck Boost
■Flyback Flyback
■Avant Avant
■Deux transformateurs avant à double transistor avant
■Pousser Tirer
■ Demi-pont Demi-pont
■Pont complet
■ SÉPIC
■ C'uk
1. Forme d'onde de modulation de largeur d'impulsion de base
Ces structures topologiques sont toutes liées aux circuits à découpage, et la forme d'onde de modulation de largeur d'impulsion de base est définie comme suit :
2. Buck
Caractéristiques:
■Réduisez la tension d'entrée à une valeur inférieure.
■ Il s'agit peut-être du circuit le plus simple.
■Le filtre inductance/capacité aplatit le signal carré après la commutation.
■ La sortie est toujours inférieure ou égale à l'entrée.
■ Le courant d'entrée est discontinu (hachage).
Courant de sortie régulier.
3、Boost
Caractéristiques:
■ Augmenter la tension d'entrée.
■Similaire à la réduction de tension, mais avec des inductances, des commutateurs et des diodes réorganisés.
■La sortie est toujours supérieure ou égale à l'entrée (en négligeant la chute de tension directe de la diode).
■ Courant d'entrée régulier.
■ Courant de sortie discontinu (hachage).
4、Buck-Boost
Caractéristiques:
■Une autre méthode d'agencement pour les inductances, les commutateurs et les diodes.
■Combiner les inconvénients des circuits abaisseurs et élévateurs.
■ Le courant d'entrée est discontinu (hachage).
■Le courant de sortie est également discontinu (hachage).
■ La sortie est toujours opposée à l'entrée (notez la polarité du condensateur), mais l'amplitude peut être inférieure ou supérieure à l'entrée.
■Le convertisseur « flyback » est en fait sous la forme d'un circuit d'isolation abaisseur-élévateur (couplage par transformateur).
5. Retour
Caractéristiques:
■Il fonctionne comme un circuit buck boost, mais l'inductance possède deux enroulements qui agissent à la fois comme un transformateur et une inductance.
■La sortie peut être positive ou négative, selon la polarité de la bobine et de la diode.
■La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée, en fonction du rapport de transformation du transformateur.
■Il s'agit de la structure topologique isolée la plus simple.
■L’ajout d’enroulements et de circuits secondaires peut donner lieu à plusieurs sorties.
6. Avant
Caractéristiques:
■ La forme de couplage du transformateur du circuit abaisseur.
■ Courant d'entrée discontinu, courant de sortie régulier.
■ Grâce à l'utilisation de transformateurs, la sortie peut être supérieure ou inférieure à l'entrée, et peut être de n'importe quelle polarité.
■L’ajout d’enroulements et de circuits secondaires permet d’obtenir plusieurs sorties.
■ Le noyau du transformateur doit être démagnétisé à chaque cycle de commutation. La pratique courante consiste à ajouter un enroulement comportant le même nombre de spires que l'enroulement primaire.
■L'énergie stockée dans l'inductance primaire pendant la phase d'activation est libérée par des enroulements et des diodes supplémentaires pendant la phase de désactivation.
7. Entrée à deux transistors
Caractéristiques:
■ Deux interrupteurs fonctionnent simultanément.
■Lorsque l'interrupteur est déconnecté, l'énergie stockée dans le transformateur inverse la polarité du primaire, ce qui provoque la conduction de la diode.
Principaux avantages :
■La tension sur chaque interrupteur ne dépassera jamais la tension d'entrée.
■Il n'est pas nécessaire de réinitialiser le rail d'enroulement.
8. Pousser-tirer
Caractéristiques:
■Le commutateur (FET) pilote différentes phases et effectue une modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour réguler la tension de sortie.
■ Bon taux d'utilisation des noyaux magnétiques du transformateur - transmission de puissance dans les deux demi-cycles.
■ Structure topologique à onde complète, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est le double de la fréquence du transformateur.
■La tension appliquée au FET est le double de la tension d'entrée.
9. Demi-pont
Caractéristiques:
■ Une structure topologique couramment utilisée dans les convertisseurs de puissance élevée.
■Le commutateur (FET) pilote différentes phases et effectue une modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour réguler la tension de sortie.
■ Bon taux d'utilisation des noyaux magnétiques du transformateur : transmission de puissance sur les deux alternances. ■ De plus, le taux d'utilisation de l'enroulement primaire est supérieur à celui d'un circuit push-pull.
■ Structure topologique à onde complète, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est le double de la fréquence du transformateur.
■La tension appliquée au FET est égale à la tension d'entrée.
10、Pont complet
Caractéristiques:
■ La structure topologique la plus couramment utilisée pour les convertisseurs de puissance élevée.
■Les commutateurs (FET) sont pilotés par paires diagonales et une modulation de largeur d'impulsion (PWM) est effectuée pour réguler la tension de sortie.
■ Bon taux d'utilisation des noyaux magnétiques du transformateur - transmission de puissance dans les deux demi-cycles.
■ Structure topologique à onde complète, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est le double de la fréquence du transformateur.
■La tension appliquée aux FET est égale à la tension d'entrée.
■À une puissance donnée, le courant primaire est la moitié de celui du demi-pont.
11、SEPIC Convertisseur à inductance primaire à extrémité unique (SEPIC)
Caractéristiques:
■La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée.
■Comme un circuit élévateur, le courant d'entrée est régulier, mais le courant de sortie est discontinu.
■ L'énergie est transmise de l'entrée à la sortie par l'intermédiaire de condensateurs.
■Deux inducteurs sont nécessaires.
12、C'uk (brevet Slobodan C'uk)
Caractéristiques:
■Sortie en phase inverse.
■ L'amplitude de la tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à celle de la tension d'entrée.
■Le courant d'entrée et le courant de sortie sont tous deux réguliers.
■ L'énergie est transmise de l'entrée à la sortie par l'intermédiaire de condensateurs.
■Deux inducteurs sont nécessaires.
■L'inductance peut se coupler pour obtenir un courant d'inductance à ondulation nulle.
13. Détails du fonctionnement du circuit
■Ce qui suit explique le fonctionnement détaillé de plusieurs structures topologiques :
■Régulateur de tension : conduction continue, conduction critique, conduction discontinue.
■Régulateur Boost (conduction continue).
■Fonctionnement du transformateur.
■ transformateur flyback.
■ Transformateur direct.
14. Régulateur de tension Buck à conduction continue
Caractéristiques:
■Le courant dans l'inductance est continu.
■Vout est la moyenne de sa tension d'entrée (V1).
■La tension de sortie est le produit de la tension d'entrée et du rapport de charge du commutateur (D).
■Une fois connecté, le courant de l'inductance sort de la batterie.
■Lorsque l'interrupteur est éteint, le courant circule à travers la diode.
■En négligeant les pertes dans les commutateurs et les inductances, D est indépendant du courant de charge.
■Les caractéristiques du régulateur de tension et de ses circuits dérivés sont les suivantes :
■ Courant d'entrée discontinu (hachage), courant de sortie continu (lissage).
15. Conductivité critique du régulateur de tension Buck
■ Le courant dans l'inductance reste continu, mais s'annule lorsque l'interrupteur est remis en marche ; c'est ce qu'on appelle la « conduction critique ». La tension de sortie est toujours égale à la tension d'entrée multipliée par D.
16. Régulateur de tension Buck à conduction discontinue
■ Dans ce cas, le courant dans l'inductance est nul pendant une certaine période de temps à chaque cycle.
■La tension de sortie reste (toujours) la valeur moyenne de v1.
■La tension de sortie n’est pas le produit de la tension d’entrée et du rapport de charge du commutateur (D).
■Lorsque le courant de charge est inférieur à la valeur critique, D change avec le courant de charge (tandis que Vout reste constant).
17. Régulateur de suralimentation
■ La tension de sortie est toujours supérieure (ou égale) à la tension d'entrée.
■ Courant d'entrée continu, courant de sortie discontinu (contrairement au régulateur de tension).
■ La relation entre la tension de sortie et le rapport de charge (D) n'est pas aussi simple que dans un régulateur de tension. Dans le cas d'une conductivité continue :
Dans cet exemple, Vin = 5, Vout = 15 et D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
18. Fonctionnement du transformateur (y compris le rôle de l'inductance primaire)
■ Un transformateur est considéré comme un transformateur idéal, avec son inductance primaire (magnétisée) connectée en parallèle avec le primaire.
19. Transformateur Flyback
■ L'inductance primaire est ici très faible ; elle sert à déterminer le courant de crête et l'énergie stockée. Lorsque l'interrupteur primaire est ouvert, l'énergie est transférée au secondaire.
20、 Transformateur convertisseur direct
■ L'inductance primaire est élevée car il n'est pas nécessaire de stocker de l'énergie.
Le courant magnétisant (i1) circule dans l'« inducteur magnétisant », provoquant la démagnétisation du noyau magnétique (tension inverse) après la mise hors tension de l'interrupteur principal.
Résumé
■ Cet article passe en revue les topologies de circuits les plus courantes dans la conversion de puissance en mode découpage.
■ Il existe de nombreuses autres structures topologiques, mais la plupart d'entre elles sont des combinaisons ou des variations de la topologie décrite ici.
■ Chaque structure topologique présente des compromis de conception uniques :
1) Tension appliquée à l'interrupteur
2) Hachage et lissage des courants d'entrée et de sortie
3) Taux d'utilisation de l'enroulement
■ Le choix de la topologie optimale nécessite des recherches sur :
1) Plage de tension d'entrée et de sortie
2) Plage de courant
3) Le rapport coût/performance, taille/poids