Les alimentations a découpage

Les alimentations a découpage

La miniaturisation, des équipements de télécommunication, des Machines de traitement de l’information, des ordinateurs etc… , oriente l’intention des chercheurs vers la  recherche des éléments à grand rendement tout en réduisant le poids, la taille et les pertes. Pour réduire la taille des systèmes de conversion, qui alimentent ces équipements courant-continu, fonctionnant à une puissance définie, il est désirable d’augmenter la fréquence de fonctionnement afin de pouvoir utiliser des composantes magnétiques moins volumineuses. Lorsqu’on veut utiliser des fréquences de commande supérieures à quelques kHz, on se heurte rapidement aux problèmes de pertes par commutation, qui affectent le rendement de façon considérable. Les pertes par commutation sont dues au chevauchement des formes d’ondes de la tension et du courant lors des commutations (passage de l’état bloqué à l’état passant et vice versa). Cet empiétement induit une dissipation d’énergie à chaque commutation et détériore le rendement du convertisseur lorsque la fréquence des impulsions est augmentée.

Par conséquent, pour obtenir un niveau satisfaisant de l’échauffement des interrupteurs de puissance lors d’un fonctionnement à fréquence élevée, et cela sans entraîner un déclassement de la puissance transitée par les semi-conducteurs, il faut minimiser les pertes par commutation. Pour limiter ces pertes à une valeur raisonnable, les méthodes qui étaient envisageables sont: soit l’utilisation d’un réseau d’aide à la commutation ou l’accélération des commutations. Le réseau d’aide à la commutation réduit les pertes dans les semi conducteurs seulement, mais les pertes totales restent sensiblement pareilles. L’accélération des commutations n’est pas non plus une solution encourageante car, d fait des temps de commutation très courts, les gradients de courant et de tension génèrent des perturbations électromagnétiques. De plus, l’augmentation de la vitesse des commutations favorise également l’apparition des oscillations accompagnées de dangereux dépassements.

Pour réduire les pertes par commutation qui résultent du fonctionnement à haute fréquence, il est intéressant d’utiliser les convertisseurs de puissance à résonnance. Parmi les convertisseurs de puissance utilisés en hautes fréquences, on trouve les trois types de convertisseurs à résonnance suivant: le convertisseur à résonnance série (CRS), le convertisseur à résonnance parallèle (CRP) et la combinaison série-parallèle (CRSP). Les principales différences, entre ces convertisseurs, dont chacun a ses avantages et ses inconvénients, résident dans le nombre de composantes utilisées, la taille du circuit, le coût, le fonctionnement en court-circuit et à vide et surtout les contraintes sur les semi-conducteurs de puissance.

Dans cette étude nous comptons réaliser expérimentalement un prototype pouvant fonctionner à haute fréquence pour une charge variable, sans ce soucier des problèmes de fonctionnement en pleine charge ou à vide, ainsi que chercher un rendement élevé en proposant une méthode d’étude et de design générale du convertisseur. Le prototype choisi doit développer une puissance. L’application envisagée est l’alimentation de plusieurs sorties.

Ce mémoire est divisé en trois parties, il présente en premier chapitre une généralité sur les convertisseurs de puissance à résonnance ainsi que les avantages et les inconvénients de chacun d’eux. En deuxième chapitre on présente le principe de fonctionnement d’une alimentation a découpage, ainsi que les différents modèle de cette dernière. Dans le troisième partie on présente une application, détaillée, du CRP à partir duquel on déduit le design complet du convertisseur incluant, les éléments du circuit résonant, les éléments du filtre d’entrée de sortie et les éléments magnétiques des inductances et du transformateur d’isolation.

Paramètres importants :
VOUT , Tension de sortie
VIN Max , tension d’entrée max supportable par le circuit.
VIN min , Tension mini d’entrée pour garantir une régulation satisfaisante.
IOUT , courant maximum délivrable à la charge.
Suivant l’application, on peut être contraint de minimiser la tension minimum admissible en entrée pour garantir un fonctionnement satisfaisant du régulateur. Ce sera par exemple le cas des alimentations à partir de batteries. Dans ce cas nous choisirons des régulateurs à faibles perte dit « low drop ». Cette tension étant d’environs 1 à 2,5 V pour un régulateur classique, peut descendre de quelques centaines à quelques dizaines de millivolts pour un régulateur de ce type.
Remarques : Pour des problèmes de stabilité, un condensateur de quelques µF est placé en sortie du régulateur. Lors de la mise hors tension du montage la tension d’entrée du régulateur devient nul. Dans ce cas, un courant provenant de la charge risque d’entrer par la sortie du régulateur et de le détériorer. Pour éviter ce problème, une diode est placée en inverse entre l’entrée et la sortie de celui-ci.

Protections :

Les fusibles

Le premier élément de sécurité indispensable est un fusible F1 qui protégera le réseau d’une défaillance de l’alimentation, Il sautera au cas où un court-circuit venait à se produire au découpage notamment. Dans ce cas, le courant appelé devient extrêmement élevé et le fusible fond pour ne pas surcharger le réseau.

La varistance (varistor) 

On continue dans la sécurité avec une varistance (MOV : Metal Oxide Varistor), noté S1, qui protège l’alimentation des surtensions brutales qu’il peut y avoir si jamais la foudre venait à s’abattre pas loin par exemple. En temps normal, cet élément à une très grande résistance électrique, le courant de fuite qui le traverse est donc négligeable et rien ne se passe. Par contre, lorsque la tension augmente brutalement au delà d’un certain seuil, sa résistance chute d’un seul coup et elle « court-circuite » alors directement l’entrée. Comme elle est capable d’absorber une grosse énergie durant la fraction de seconde que dure le phénomène, elle évite que la haute tension n’endommage le reste du système. Ca ne remplace pas un vrai système parasurtenseur monté en amont de l’alimentation, mais c’est une sécurité supplémentaire qui peut s’avérer utile dans certains cas.

Filtre antiparasites 

On trouve juste derrière les éléments de protections plusieurs filtres pour empêcher les parasites hautes fréquences générés de remonter vers le réseau pour le polluer. Sur le schéma, on a 2 filtres T1 et T2 avec les condensateurs associés C1, C2 et C3, mais il peut y en avoir 3 pour encore plus d’efficacité. Le filtre T1 s’occupe des interférences dites en mode commun et T2 s’occupe de celles en mode différentiel. On ne s’étalera pas sur les différences qui sont liées au sens de parcours du courant dans certains fils et aux interactions interlignes. Le but est de bloquer les hautes fréquences grâce à des condensateurs et des ferrites d’antiparasitage qui font office de barrière. Ils produisent très peu de pertes pour le rendement final.

Le transistor :

trodes actives, qui permet de contrôler un courant (ou une tension) sur une des électrodes de sorties (le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet de champ) grâce à une électrode d’entrée (la base sur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ). C’est un composant fondamental des appareils électroniques.

Applications 

– analogique,
– numérique,
Et à ceux de l’électronique de puissance et haute tension.
– La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analogique et en électronique de puissance.
– Les technologies FET et CMOS sont principalement utilisées en électronique numérique (réalisation d’opérations logiques). Ils peuvent être utilisés pour faire des blocs analogiques dans des circuits numériques (régulateur de tension par exemple). Ils sont aussi utilisés pour faire des commandes de puissance (moteurs) et pour l’électronique haute tension (automobile). Leurs caractéristiques s’apparentent plus à celles des tubes électroniques. Ils offrent une meilleure linéarité dans le cadre d’amplificateurs Hi-Fi, donc moins de distorsion.

description schématique

Dans les deux types de transistors bipolaires (NPN, PNP), l’électrode traversée par l’ensemble du courant s’appelle l’émetteur. Le courant dans l’émetteur est égal à la somme des courants du collecteur et de la base. La flèche identifie l’émetteur et suit le sens du courant; elle pointe vers l’extérieur dans le cas d’un NPN, vers l’intérieur dans le cas d’un PNP. L’électrode reliée au milieu de la barre centrale figure la base et la troisième électrode figure le collecteur. Dans le cas de l’effet de champ, la flèche disparaît, car le dispositif est symétrique (drain et source sont échangeables). Les traits obliques sont habituellement remplacés par des traits droits. Pour le transistor MOS, la grille se détache des autres électrodes, pour indiquer l’isolation due à la présence de l’oxyde. En réalité, il existe une quatrième connexion pour les transistors à effet de champ, le substrat (parfois appelé bulk), qui est habituellement relié à la source (c’est la connexion entre S et les deux traits verticaux sur le schéma).

Dans le domaine des alimentations, les technologies évoluent. Les alimentations traditionnelles sont constituées à partir d’un transformateur à enroulements séparés, assurant en plus de la conversion de tension. L’amélioration de la technologie à découpage associée d’une baisse des coûts en font une alternative intéressante par plusieurs points. Nous allons voir cette technologie dans le chapitre qui suit.

Une alimentation à découpage est un convertisseur Continu / Continu. Celui-ci est beaucoup utilisé dans l’électronique, TV, Ordinateur, …. Une alimentation à découpage hache une tension redressée et filtrée à des fréquences élevées, ce qui permet l’utilisation de transformateurs beaucoup plus petits que les alimentations conventionnelles, une isolation galvanique, un transfert du quasi totalité de la puissance de la source à la charge… Les alimentations à découpage permettent d’obtenir une tension continue réglable à partir du secteur. Elles sont de faible poids, faible volume et offrent un bon rendement (90%).

Pourquoi du découpage ? :

Principe de base 

Le problème c’est que le régulateur linéaire, qui agit comme une résistance variable s’occupant de maintenir ce 12 V en sortie quelles que soient la tension d’entrée et la charge appliquée, occasionne une chute de tension (on passe de 15 à 12V par exemple). Celle-ci génère donc des pertes et une puissance thermique qu’il faut évacuer. Le rendement d’un tel système est très mauvais (25-50 %) car on dissipe beaucoup d’énergie inutilement, mais il est suffisant pour de très petites puissances car c’est très peu cher à fabriquer. Néanmoins, on emploie de plus en plus du découpage pour optimiser et réduire énormément la taille de ces adaptateurs. Si on utilisait ce genre de système linéaire pour alimenter un PC qui demanderait 300 W, il faudrait consommer pas loin de 900 W pour que le système fonctionne, avec une différence de 600 W qui partirait en chaleur. En 50 Hz, il faudrait un gros transformateur, pesant pas loin de 10 kg, pour être capable de fournir 300 W, en plus des 600 W de pertes induites par la régulation, qu’il faudra bien dissiper….

Comment découpe-t-on une tension 

Cet interrupteur électronique est un transistor (technologie bipolaire ou MOSFET) que l’on pilotera tout simplement en ouverture et en fermeture (régime de commutation). Le processus se fait à une fréquence de plus de 20 kHz pour être au dessus des fréquences audibles par l’homme. En général, on se trouve entre 32 et 100 kHz, mais ça peut monter beaucoup plus haut vers le mégahertz suivant l’application. C’est d’ailleurs ce que l’étage d’alimentation d’un processeur fait en découpant le 12 V à près de 500 kHz pour sortir une tension stabilisée entre 1 et 2 V avec un très fort courant, quelles que soient les conditions. Pour éviter les pertes inutiles, il suffit simplement de ne pas avoir la tension et le courant en un même point au même instant. Ici, l’interrupteur n’a que 2 états, soit il laisse passer le courant (état passant) soit il l’empêche de passer (état bloqué), donc théoriquement la tension et le courant ne sont jamais présents en même temps. Quand le transistor est bloqué, le courant qui le traverse est nul et quand il est passant, la tension à ses bornes est nulle (toujours en théorie). En réalité, le transistor n’est pas parfait et occasionne des pertes à son ouverture et sa fermeture car ce n’est pas instantané (pertes par commutation) et aussi lorsque le courant le traverse car il a une résistance très faible mais pas nulle (pertes par conduction).

Pour réduire les pertes au maximum, une alimentation à découpage utilisera donc des éléments non dissipatifs (en théorie) du genre transformateur, inductance, interrupteurs électroniques, condensateurs. Alors qu’un système linéaire permet un rendement de 25 50 %, les meilleures alimentations à découpage (tous domaines confondus) permettent d’atteindre 70 à 95 % ! Le fait de découper à haute fréquence est important car plus on découpe vite, plus on peut réagir vite face aux sollicitations extérieures, plus on manipule de petites quantités d’énergie et plus on peut réduire la taille des composants. Pour un transformateur, sa taille est inversement proportionnelle à sa fréquence d’utilisation.

C’est pour cela qu’on trouve des monstres (transformateurs toriques très lourds) dans les amplificateurs audio pour éviter le découpage car ça implique de filtrer les nombreux parasites générés (ça coûte cher) et les audiophiles n’aiment pas vraiment les parasites. On peut aussi réduire la valeur des condensateurs et l’encombrement des autres éléments car on travaille sur de toutes petites quantités en un temps donné. A 50 kHz, un tout petit transformateur suffit à fournir une grosse puissance sans problème. Les alimentations à découpage permettent alors d’avoir des puissances volumiques en W/cm3 (rapport puissance/encombrement) très élevées car les éléments ne prennent pas trop de place et on peut sortir des grosses puissances.

A priori, le découpage apparaît donc comme une solution idéale, mais il a des inconvénients notables au niveau de la compatibilité électromagnétique notamment. Outre le fait que ce soit bien plus complexe et plus cher à faire qu’une alimentation linéaire, le découpage engendre un tas de parasites et une ondulation qu’il est impératif de filtrer en sortie (normes sévères là dessus). Découper très vite génère des pics et des variations ultra rapides de la tension et du courant, et qui dit variations rapides dit interférences et rayonnements électromagnétiques. Ces parasites prennent la forme d’interférences électromagnétiques (EMI) rayonnées ou réinjectées par conduction dans les fils vers le réseau. Il faut absolument les contenir et les atténuer pour éviter de polluer l’environnement électrique proche.

Pour le premier type, le châssis en acier agit comme un blindage pour atténuer les émissions radiofréquences qui peuvent perturber la réception de la TV ou de la radio par exemple. Le deuxième type est plus compliqué à gérer car il faut mettre en place des filtres en ligne pour les absorber. Ces filtres sont évidemment présents dans les bonnes alimentations et souvent de manière incomplète dans les alimentations bas de gamme pour réduire les coûts. Ils protègent aussi bien l’alimentation du bruit électrique qui circule sur le réseau, que le réseau des parasites hautes fréquences générés par le découpage, ça marche dans les 2 sens.

Fonctionnement :

La tension du secteur est d’abord filtrée, redressée puis lissée pour obtenir une tension continue entre 325 et 400 V (suivant s’il y a un PFC actif ou non). On la découpe à l’aide d’un ou plusieurs transistors selon la topologie électrique adoptée et l’on injecte les impulsions dans l’enroulement primaire du transformateur. Le transfert énergétique s’effectue alors au rythme du découpage vers les différents enroulements au secondaire pour avoir une tension plus basse en sortie. En général, il n’y a que 2 enroulements différents au secondaire, un pour le 12 V et un pour le 5 V. Le 3.3 V sera créé à partir du 5 V. La forme en créneau qui sort du secondaire est alors redressée par des diodes, puis filtrée pour donner une tension continue la plus propre possible.

On régule la tension de sortie en fonction de la charge en modulant la largeur des impulsions créées par les transistors (ils restent passants plus ou moins longtemps). C’est un circuit intégré qui s’occupe de cet asservissement dont on détaillera les différents modes plus loin dans le dossier. Ce système fait varier la largeur des impulsions en agissant sur le temps de conduction des transistors (rapport cyclique), tout en gardant une fréquence de découpage constante : c’est de la Modulation de Largeur d’Impulsion  (MLI). Plus les transistors resteront passants longtemps, plus l’impulsion sera large, plus on enverra d’énergie dans le transformateur, et finalement plus la/les tension(s) en sortie augmentera (ont). Cette régulation est impérative car lors d’une demande de puissance sur une ligne, il se produit une chute de tension inévitable qu’il faut compenser sans cesse en relevant-abaissant le niveau de tension à la volée suivant la charge.

Points forts et points faibles des alimentations à découpage :

Points forts 

– Le transformateur travaille à une fréquence f de 20 kHz très supérieure à celle du réseau 50Hz, il est donc de dimension réduite.
– Le transistor de puissance fonctionne en régime de commutation (VCE 0 et IC pour l’état on ; IC = 0 pour l’état off ; soit P = VCE IC » 0 et présente des pertes réduites. Donc : Le dissipateur associé est de faibles dimensions, d’où un gain en volume et en masse. Le rendement de l’alimentation est supérieur à 80 % (contre 60 % maximum pour les alimentations linéaires).

Points faibles 

– Elles sont moins simples à mettre en œuvre que les alimentations linéaires.
– Une ondulation résiduelle due au découpage subsiste en sortie, la stabilité relative se situe entre 10-2 et 10-3 .
– Elles sont perturbatrices pour l’environnement électrique et électronique, les parasites rayonnés sont importants du fait du découpage.

Conclusion générale

Ce projet de recherche nous a permis d’étudier et de concevoir une alimentation à découpage utilisant le convertisseur à résonance parallèle. Le principe de la résonance est utilisé pour maximiser le rendement, diminuer le poids et le coût. Que dire si ce n’est que développer une alimentation puissante et efficace est une tâche compliquée. Beaucoup de facteurs interviennent pour que le produit soit adapté aux besoins des machines actuelles. Même si les fabricants améliorent un peu les alimentations au fil du temps, on est encore loin de l’alimentation parfaite. De plus, ils ne semblent pas très pressés de les améliorer radicalement en adoptant des topologies modernes (celles employées Actuellement ont près de 40 ans). Elles sont plus efficaces, mais aussi beaucoup plus complexes à mettre en œuvre et à calculer. Elles demandent plus de compétences et de nouvelles études au lieu de se référer aux 40 années d’expérimentation et de documentations en tout genre qui existent déjà.

Table des matières

Introduction générale 
Chapitre I : Rappels sur les alimentations électroniques
I.1 Introduction
I.2 Les alimentations linéaires
I.2-1 schéma fonctionnel
I.2-2 principe de fonctionnement d une alimentation linéaire
I.2-2-1 LE TRANSFORMATEUR
I.2-2-2 LE REDRESSEUR
I.2-2-3 LE REDRESSEMENT
I.2-2-4 LA STABILISATION
I.3 Protections
I.3-1 Les fusibles
I.3-2 Le varistor
I.3-3 Filtre antiparasites
I.4 Le transistor
I.4.1 Applications
I.4.2 description schématique
I.4-3 Fonctionnement en commutation
I.5 Conclusion
Chapitre II : Les alimentations a découpage
II.1 Introduction
II.2 Pourquoi du découpage ?
II.2-1 Principe de base
II.2-2 Comment découpe-t-on une tension ?
II.3 Fonctionnement
II.4 Types des alimentations à découpage
II.4-1 Alimentation type « Buck »
II.4-2 Alimentation « Boost »
II.4-3 Alimentation type « flyback »
II.4-4 Alimentation Push-Pull
II.4-5 Autres types de montages
II.4-6 Choix du principe
II.5 Points forts et points faibles des alimentations à découpage
II.5-1 Points forts
II.5-2 Points faibles
II.6 Conclusion
Chapitre III : Réalisation pratique
III.1 Introduction
III.2 Description du circuit
III.3 Analyse fonctionnelle et structurelle
III.3-1Bloc redressement / filtrage réseau
III.3-2 Transfert d’énergie
III.3-3 Bloc redressement / filtrage secondaire
III.3-4 Bloc mesure tension avec isolation galvanique
III.3-5 Bloc découpage de la tension continue
III.4 Processus de calcul de l’alimentation et de choix des composants
III.4-1 Mode discontinu
III.4-2 Mode continu
III.5 Circuit imprimé de notre application
III.6 Conclusion
Conclusion générale

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