Alimentations à découpage convertisseurs à résonance
Principes, composants, modélisation

Sommaire et contenu du livre "Alimentations à découpage convertisseurs à résonance - Principes, composants, modélisation"

Table des matières CHAPITRE 1 : INTRODUCTION . 1. Présentation des alimentations à découpage................................. 1 1. 1. Evolution des systèmes d'alimentations................................................ 1 1.2. Principes 1 1.2.1. Alimentations à régulation linéaire 1 1.2.2. Alimentations à découpage 2 1.3. Intérêts et limitations du découpage 2 1.3.1. Composants à semi-conducteurs 2 1.3.2. Transformateur 3 1.3.3. Impact de la fréquence de découpage 3 1.3.3.1. Dimensionnement des filtres 3 1.3.3.2. Limitations du découpage 4 1.4. Comparaison des deux systèmes existants 4 2. Introduction aux convertisseurs d'énergie 5 2.1. Les sources 6 2.2. Principes fondamentaux 8 2.3. Les intemtpteurs 8 2.3.1. Caractéristiques statiques 8 2.3.2. Changements d'état d'un interrupteur 9 2.3.3. Classification des interrupteurs 10 2.3.3.1. lntemtpteurs à deux segments 10 2.3.3.2. Intemtpteurs à trois segments II 2.3.3.3. Intemtpteurs à quatre segments 12 2.4. La commutation................................................................................. 12 2.4.1. La cellule de commutation... 13 2.4.2. Détermination des caractéristiques statiques 13 2.4.3. La notion de commutation naturelle 14 2.4.4. Influence de ve et i sur la nature des commutations 15 2.4.5. Influence de la commutation sur la nature des intelTupteurs d'une cellule...................................... 17 2.5. Règles de la dualité 18 2.5.1. Définitions ·................................................ 18 2.5.2. Application aux intemtpteurs......................................... 19 2.5.3. Application aux convertisseurs 20 2.6. Eléments de synthèse d'un convertisseur 20 2.7. Remarques générales 23 CHAPITRE Il: ALIMENTATIONS A DECOUPAGE A COMMUTATION COMMANDEE 25 1. Convertisseurs continu-continu sans isolement galvanique 25 1.1. Introduction......................................... 25 1.2. Hacheur série (type BUCK) 27 1.2.1. Principe de fonctionnement en conduction continue 27 1.2.2. Principales relations et contraintes sur les composants 28 1.2.2.1. Ondulations de courant et de tension 28 1.2.2.2. Contraintes 30 1.2.2.3. Facteurs de dimensionnement... 30 1.2.3. Fonctionnement en conduction discontinue 30 1.3. Hacheur parallèle (type BOOST) 32 1.3.1. Principe de fonctionnement 32 1.3.2. Fonctionnement en conduction discontinue 33 1.3.3. Principales relations et contraintes sur les composants 34 1.3.3.1. Contraintes 34 1.3.3.2. Facteurs de dimensionnement... 34 1.3.3.3. Ondulations de courant et de tension 34 lA. Hacheur à stockage inductif (type BUCK-BOOST) 35 1.4.1. Principe de fonctionnement 35 104.2. Fonctionnement en conduction discontinue 36 104.3. Principales relations et contraintes sur les composants 38 104.3.1. Ondulations 38 104.3.2. Contraintes 38 1.4.3.3. Facteurs de dimensionnement... 38 1.5. Hacheur à stockage capacitif (hacheur de CUK) 38 1.5.1. Principe de fonctionnement 38 1.5.2. Fonctionnements en conduction discontinue 40 1.5.2.1. Régime discontinu de courant... 40 1.5.2.2. Régime discontinu de tension 41 1.5.3. Principales relations et contraintes sur les composants 42 1.5.3.1. Ondulations 42 1.5.3.2. Contraintes 43 1.5.3.3. Facteurs de dimensionnement.. 43 1.504. Couplage magnétique des inductances 43 1.5.5. Hacheurs dérivés du hacheur de Cuk 44 1.5.5.1. Hacheur SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter)...... 44 1.5.5.2. Hacheur ZETA 45 1.6. Choix du rapport cyclique 45 1.6.1. Influence des résistances parasites 45 1.6.2. Facteurs de dimensionnement 46 1.7. Tableaux récapitulatifs 47 1.8. Modes de commande 48 1.8.1. Commande à Temps de conduction fixe et Fréquence variable.................................................... 49 1.8.2. Commande en Fourchette : 49 1.8.3. Commande en mode courant... 51 1.8.4. Commande auto-oscillante....... 51 2. Alimentations à découpage asymétriques 52 2.1. Introduction 52 2.2. Alimentation à découpage FLYBACK..... 52 2.2.1. Principe de fonctionnement en régime continu 53 2.2.2. Principales relations et contraintes sur les composants 54 2.2.2.1. Ondulations... 54 2.2.2.2. Contraintes sur les composants 54 2.2.2.3. Facteur de dimensionnement de l'interrupteur.................................................................. 54 2.2.3. Alimentation FLYBACK en régime auto-oscillant 54 2.2.4. Structures FLYBACK entrelacées 56 2.3. Alimentation à découpage FORWARD 58 2.3.1. Principe de fonctionnement en régime continu 58 2.3.2. Principales relations et caractéristiques 61 2.3.2.1. Contraintes sur les composants 61 2.3.2.2. Ondulations 62 2.3.2.3. Facteur de dimensionnement -Choix de m' 62 2.3.3. Variantes du montage FORWARD 62 2.3.3.1. Démagnétisation par réseau RCD 62 2.3.3.2. Démagnétisation par pont asymétrique 63 2.3.3.3. Alimentations FOIward entrelacées (montage push-push)....... 63 2.4. Convertisseur à stockage capacitif isolé galvaniquement 64 2.4.1. Principe de fonctionnement 64 2.4.2. Contraintes....... 65 2.4.3. Variante à couplage magnétique total 65 3. Alimentations à découpage symétriques........................................... 66 3.1. Définition 66 32. Montage Push-Pull........................................................................... 66 3.2.1. Fonctionnement à vide 66 3.2.2. Fonctionnement en charge 67 3.2.3. Principales relations et caractéristiques 69 3.2.3.1. Contraintes sur les composants 69 3.2.3.2. Facteur de dimensionnement 69 3.3. Montage en demi-pont 69 3.4. Montage en pont 69 3.4.1. Fonctionnement 69 3.4.2. Principales relations et caractéristiques 71 3.4.2.1. Contraintes sur les composants 7 3.4.2.2. Facteur de dimensionnement 7 3.5. Problèmes inhérents aux structures symétriques 7 3.5.1. Polarisation du transfonnateur 71 3.5.2. Mise en oeuvre des intenupteurs 72 4. Influence des inductances de fuite sur le transfert de puissance -Exemple du Forward 72 . 5. Alimentations multi-voies 74 5.1. Présentation du problème technique 74 5.2. Post-régulation magnétique................................................................ 75 5.3. Commandes mixtes............................................................................ 79 6. Alimentations à absorption sinusoïdale............................................................. 80 6.1. La correction du facteur de puissance 80 6.1.1. Introduction....................... 80 6.1.2. Définitions 80 6.1.3. La nonne EN 61000-3-2 81 6.1.4. Le redressement classique 82 6.1.4.1. Fonctionnement en conduction continue: L de valeur élevée 83 6.1.4.2. Fonctionnement en conduction discontinue: L de valeur faible 83 6.2. Topologies de convertisseurs à absorption sinusoïdale 84 6.3. Exemple du hacheur parallèle 86 6.3.1. Fonctionnement et définition de la loi de commande 86 6.3.2. Dimensionnement des composants 88 6.3.2.1. Dimensionnement des composants à semi-conducteurs 88 6.3.2.2. Dimensionnement du condensateur et de l'inductance............... 89 6.3.3. Modes de commande 90 6.3.3.1. Fonctionnement en conduction continue 90 6.3.3.2. Fonctionnement en conduction discontinue 91 6.4. Exemple de l'alimentation FLYBACK 93 6.4.1. Analyse en conduction continue 94 6.4.2. Analyse en conduction discontinue 95 CHAPITRE III : ALIMENTATIONS A DECOUPAGE A COMMUTATION NATURELLE.......................................................... 97 1. Introduction................................................................................................... 97 2. Alimentations à découpage quasi-résonnantes 98 2.1. Intenupteurs résonnants 99 2.2. Hacheurs quasi-résonnants..... 99 2.2.1. Principes de synthèse 100 2.2.2. Fonctionnement -exemple des hacheurs série 10 1 2.2.2.1. Hacheur série HSRA 1 101 2.2.2.2. Hacheur série HSRA2 105 2.2.2.3. Hacheur série HSRBI 107 2.2.2.4. Hacheur série HSRB2 111 2.2.3. Eléments de généralisation (caractéristiques -contraintes) 112 2.2.3. 1. Caractéristiques de sortie.................................... 112 2.2.3.2. Contraintes et facteurs de dimensionnement 113 2.2.4. Application aux hacheurs à stockage inductif HlRA 115 2.2.5. Régime discontinu-exemple du hacheur série HSRA2 117 2.3. Alimentations à découpage quasi-résonnantes 119 2.3.1. Alimentation FORWARD de type RAI 120 2.3.1. 1. Principe de fonctionnement.............................. 120 2.3.1.2. Principales relations et contraintes sur les composants 121 2.3.2. Alimentation FORWARD de type RA2 122 2.3.2.1. Principe...................................... 122 2.3.2.2. FORWARD RA2 avec démagnétisation résonnante.............................................. 123 2.3.3. Alimentation FLYBACK de type RA2 127 2.3.3.1. Principe de fonctionnement 127 2.3.3.2. Principales relations et contraintes sur les composants................................................ 128 3. Alimentations à découpage à résonance......................................................... 129 3.1. Principes.................... 129 3.1.1. Rappels des propriétés des circuits résonnants 129 3.1.2. Structures de base -modes de commutation 130 3.1.2.1. Onduleurs de tension à commutation monotype -circuits série........................ 130 3.1.2.2. Ondu1eurs de tension à commutation mixte -circuits série................................. 131 3.1.2.3. Onduleurs de courant à commutation monotype -circuits parallèles 132 3.2. Convertisseur à résonance série -F > Fo 133 3.2.1. Fonctionnement pour F > Fo 134 3.2.2. Analyse au 1er harmonique 136 3.2.3. Eléments de dimensionnement -contraintes 137 3.2.3.1. Dimensionnement 137 3.2.3.2. Influence des condensateurs d'aide à la commutation.................... 138 3.2.3.3. Contraintes sur les composants -facteurs de dimensionnement 139 3.2.4. Caractéristiques générales -avantages et inconvénients. 139 3.3. Convertisseur à résonance série -F < Fo 140 3.3.1. Fonctionnement pour Fo/2 < F < Fo 141 3.3.1.1. Fonctionnement en régime continu 141 3.3.1.2. Fonctionnement en régime discontinu 141 3.3.2. Fonctionnement pour F < Fo/2 142 3.3.3. Contraintes sur les composants -facteurs de dimensionnement.................................................................... 144 3.4. Caractéristiques de transfert des convertisseurs à résonance série..................................................................................... 144 3.5. Convertisseur à résonance parallèle 145 3.6. Convertisseur à résonance série -parallèle 146 3.6.1. Eléments de dimensionnement -contraintes 148 3.6.1.1. Dimensionnement 148 3.6.1.2. Contraintes sur les composants -facteurs de dimensionnement 149 CHAPITRE IV : LES COMPOSANTS A SEMI-CONDUCTEURS -ET LEUR ENVIRONNEMENT DANS LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE............................. 151 1. Eléments sur les composants de puissance...................................................... 151 1. 1. Les diodes.......................................................... 151 1.1.1. Les diodes PIN 152 1.1.1. 1. Caractéristiques statiques.. 152 1. 1.1.2. Comportement dynamique 153 1. 1. 1.3. Quelques ordres de grandeurs à propo des diodes PIN rapides 155 1. 1.2. Les diodes shottky 156 1.2. Les composants commandés 156 1.2.1. Le transistor bipolaire ,.......................... 156 1.2.1.1. Caractéristiques statiques..................................... 157 1.2.1.2. Comportement dynamique 158 1.2.1.3. Aires de sécurité en commutation 161 1.2.1.4. Quelques ordres de grandeurs à propos des transistors bipolaires.................................................. 162 1.2.2. Le transistor à effet de champ et grille isolée (MOSFET) 162 1.2.2.1. Caractéristiques statiques...... 162 1.2.2.2. Comportement dynamique 163 1.2.2.3. Quelques ordres de grandeurs à propos des transistors MOSFET 166 1.2.3. Le transistor 'IGBT' 167 1.2.3.1. Caractéristiques statiques.............................. 167 1.2.3.2. Comportement dynamique 168 1.2.3.3. Quelques ordres de grandeurs à propos des IGBT 169 2. Commutation et environnement 169 2.1. Forme générale de la commutation commandée 169 dans une cellule interrupteur-diode.................. 169 2.1.1. Approche simplifiée des principaux phénomènes 170 2.1.1.1. Fermeture 170 2.1.1.2. Ouverture 172 2.1.1.3. Pertes par commutation 173 2.1.2. Influence du phénomène de recouvrement des diodes à la fermeture 174 2.1.3. Influence de l'inductance de maille à l'ouverture 176 2.1.4. Bilan sur le problème énergétique de la commutation commandée 176 2.2. Impact des techniques de commutation naturelle 177 2.2.1. Commande de fermeture 177 2.2.2. Commande d'ouverture 178 2.3. Circuits d'Aide à La Commutation (CALe) 179 2.3.1. Principe des circuits d'aide à la fermeture 179 2.3.2. Plincipe des circuits d'aide à l'ouverture 182 2.3.3. Association des circuits d'aide 183 2.3.4. Exemple de circuits non dissipatifs 185 2.3.4.1. CALC non dissipatif dans une cellule de commutation......... 185 2.3.4.2. CALC non dissipatif dans une alimentation mono-interrupteur -exemple du Fonvard 187 3. Circuits d'écrêtage dans les alimentations à découpage................................... 189 3.1. Ecrêtage dans les structures non isolées -exemple de la cellule de commutation................................................................ 189 3.2. Ecrêtage dans les structures isolées 192 3.2.I.CasduFORWARD 192 3.2.2. Cas du FLYBACK 196 3.2.2.1. Influence des inductances de fuite 196 3.2.2.2. Introduction d'écrêteurs 196 3.2.2.3. Enroulement auxiliaire 198 3.2.3. Influence des circuits d'aide à l'ouverture 201 3.2.3.1. Cas du FOJward 201 3.2.3.2. Cas du Flyback 202 CHAPITRE V: LES COMPOSANTS PASSIFS DANS LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE 205 1. Les composants magnétiques 205 1.1. Introduction....... 205 1.2. Les circuits magnétiques 205 1.2.1. Quelques caractéristiques des matériaux utilisables en HF 206 1.2.1.1. Les ferrites 206 1.2.1.2. Les matériaux à entrefer réparti à poudres métalliques.......................................... 207 1.2.1.3. Les matériaux amorphes 208 1.3. Les bobinages 209 1.3. 1. Résistance d'un conducteur en régime alternatif 209 1.3.2. Résistance des bobinages de transfonnateur en régime alternatif 214 1.3.3. Choix des conducteurs....................................................... 21 9 1.3.3.1. Cas des transformateurs 220 1.3.3.2. Cas des inductances 221 1.4. Techniques de dimensionnement... 222 1.4.1. Principes fondamentaux......... 222 1.4.1.1. Transformateurs de tension 222 1.4.1.2. Inductances 224 1.4.1.3. Volume d'un composant magnétique 225 1.4.2. Limites théoriques à une procédure rigoureuse 226 1.4.3. Proposition d'une méthode simplifiée 227 1.4.3.1. Etapes 1 à 5 -Choix de J et des conducteurs 229 1.4.3.2. Etapes 6 à8 -choix de BM -calcul de A et choix du noyau............................................................. 229 1.4.3.3. Etapes 9 à Il -détermination des bobinages ........ 230 1.4.3.4. Calcul de l'entrefer dans le cas des inductances 230 1.5. Etudes de cas 231 1.5.1. Transfonnateurs de tension -exemple du FORWARD................. 231 1.5.2. Inductances........................................................................ 233 1.5.2.1. Inductances de lissage 233 1.5.2.2. Inductances de résonance 233 1.5.3. Cas particulier de l'inductance couplée du FLYBACK.................................................................................. 233 l.6. Transformateurs d'intensité....... 235 1.6.1. Relations caractéristiques. 235 1.6.2. Eléments de dimensionnement ..: 238 1.7. Modèles électriques simplifiés d'un composant magnétique 240 1.7.1. Modèle inductif 240 1.7.1.1. Composant à deux enroulements 240 1.7.1.2. Composants à trois enroulements 242 1.7.1.3. Détermination des inductances de fuite 245 1.7.1.4. Influence de la fréquence sur les inductances de fuite.................................................... 252 1.7.2. Capacités parasites. 254 1.7.2.1. Localisation 254 1.7.2.2. Détermination des capacités propres 255 1.7.3. Modèle réactif global 259 2. Les condensateurs.......................................................................................... 260 2.1. Caractéristiques principales des condensateurs 260 2.1.1. Schéma équivalent............................................................. 260 2.1.2. Limitations d'un condensateur..... 261 2.1.2.1. Problèmes thermiques 261 2.1.2.2. Problèmes liés à l'inductance série 262 2.1.2.3. Problèmes liés aux courants impulsionnels 262 2.2. Emploi des condensateurs 262 2.2.1. Condensateurs de filtrage 263 2.2.2. Condensateurs de commutation et de résonance 263 2.3. Technologies employées 266 2.3.1. Les condensateurs électrolytiques 266 2.3.2. Les condensateurs céramiques 267 2.3.3. Les condensateurs films 268 CHAPITRE VI : MODELISATION DES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE........... 271 1. Principes généraux de modélisation................................................................ 271 1.1. Classification des convertisseurs 271 1.2. Méthode des schémas équivalents moyens 272 1.2.1. Mise en équations............................................................. 272 1.2.2. Modèle équivalent moyen... 272 1.2.3. Exemple 273 1.2.4. Exploitation de la méthode 275 1.3. Méthode des générateurs équivalents moyens 276 1.3.1. Principe de la modélisation 276 1.3.2. Exemple du hacheur série en conduction discontinue 276 2. Modélisation des alimentations à commutation commandée 278 2.1. Alimentation FORWARD 278 2.1.1. Fonctions de transfert en conduction continue 278 2.1.2. Commande en amplitude. 279 2.1.3. Fonctionnement en conduction discontinue 284 2.2. Alimentation FLYBACK 285 3. Modélisation des alimentations àcommutation naturelle 288 3.1. Modélisation des convertisseurs quasi-résonnants 288 3.1.1. Principe de la modélisation 288 3.1.2. Application au FLYBACK RA2 288 3.2. Modélisation du convertisseur à résonance série 290 3.2.1. Méthode du générateur équivalent moyen 290 3.2.2. Modélisation dynamique au 1er harmonique 292 3.3. Modélisation du convertisseur à résonance série-parallèle 294 ANNEXE A : CALCUL DU FONCTIONNEMENT STATIQUE DE L'ALIMENTATION A RESONANCE SERIE 297 1. Fonctionnement pour F > Fo 297 1. 1. Calcul du courant moyen redressé.................................................... 299 1.2. Détermination de la tension de sortie Vs en fonction de la fréquence F et de la charge R.................................................................. 300 2. Fonctionnement pour Fo/2