La topologie du circuit est la manière dont les dispositifs de puissance et les composants électromagnétiques sont connectés dans un circuit. La conception des composants magnétiques, la conception des circuits de compensation en boucle fermée et toutes les autres conceptions de composants de circuit dépendent de la topologie. Les topologies les plus courantes sont les suivantes : Buck (buck), Boost (boost) et Buck/Boost (boost/buck), flyback (flyback isolé), forward, push-pull, half-bridge et full-bridge. Changeur. Il existe environ 14 topologies courantes d'alimentation à découpage, chacune ayant ses propres caractéristiques et situations d'application. Le principe de sélection dépend de la puissance ou de la faible puissance, de la sortie haute tension ou de la sortie basse tension, et de la nécessité d'avoir le moins de composants possible. Pour choisir une topologie de manière appropriée, il est important de se familiariser avec les avantages, les inconvénients et l'applicabilité des différentes topologies. Un mauvais choix peut condamner la conception d'une alimentation électrique à l'échec dès le départ.
Dans cet article, nous examinerons en détail les différents aspects des topologies buck, boost et buck-boost. Et un résumé des 20 topologies de base des alimentations à découpage.
Table des matières
Convertisseur Buck
La figure 1 est un schéma d'un convertisseur buck non synchrone. Un convertisseur buck réduit sa tension d'entrée à une tension de sortie plus faible. Lorsque l'interrupteur Q1 est activé, l'énergie est transférée à la sortie.
Figure 1 : Schéma d'un convertisseur buck non synchrone
L'équation 1 permet de calculer le rapport cyclique :
L'équation 2 calcule la contrainte maximale des transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) :
L'équation 3 donne la contrainte maximale de la diode :
Où Vin est la tension d'entrée, Vout est la tension de sortie et Vf est la tension directe de la diode.
Plus la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie est importante, plus le convertisseur buck est efficace par rapport à un régulateur linéaire ou à un régulateur à faible chute (LDO).
Bien que le convertisseur buck ait un courant pulsé à l'entrée, le courant de sortie est continu en raison du filtre inductance-capacité (LC) situé à la sortie du convertisseur. Par conséquent, l'ondulation de la tension réfléchie à l'entrée sera plus importante que l'ondulation à la sortie.
Pour les convertisseurs buck avec de petits cycles de travail et des courants de sortie supérieurs à 3A, 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 minimise les contraintes sur les composants, répartit la chaleur générée entre plusieurs étages de puissance et réduit les réflexions sur l'ondulation de l'entrée du convertisseur.
Le rapport cyclique est limité lorsque l'on utilise des N-FET car le condensateur d'amorçage doit être rechargé à chaque cycle de commutation. Dans ce cas, le rapport cyclique maximal est compris entre 95 et 99%.
Les convertisseurs Buck ont généralement une bonne dynamique en raison de leur topologie en aval. La largeur de bande réalisable 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'ondes de tension et de courant des transistors à effet de champ, des diodes et des inductances dans un convertisseur buck non synchrone en mode de conduction continue (CCM).
Convertisseur Boost
Un convertisseur boost augmente sa tension d'entrée pour obtenir une tension de sortie plus élevée. Lorsque l'interrupteur Q1 ne fonctionne pas, l'énergie est transférée à la sortie. La figure 8 est un schéma de principe d'un convertisseur boost non synchrone.
Figure 8 : Schéma d'un convertisseur boost non synchrone
L'équation 4 permet de calculer le rapport cyclique :
L'équation 5 calcule la contrainte maximale du MOSFET :
L'équation 6 donne la contrainte maximale de la diode :
Où Vin est la tension d'entrée, Vout est la tension de sortie et Vf est la tension directe de la diode.
Avec un convertisseur boost, vous pouvez voir le courant de sortie pulsé parce que le filtre LC est à l'entrée. Par conséquent, le courant d'entrée est continu et l'ondulation de la tension de sortie est plus importante que l'ondulation de la tension d'entrée.
Lors de la conception d'un convertisseur boost, il est important de savoir que même lorsque le convertisseur ne commute pas, il existe une connexion permanente entre l'entrée et la sortie. Des précautions doivent être prises pour se protéger contre d'éventuels courts-circuits à la sortie.
Pour les courants de sortie supérieurs à 4A, un redresseur synchrone doit être utilisé pour remplacer la diode. Si l'alimentation doit fournir un courant de sortie supérieur à 10A, il est fortement recommandé d'utiliser des étages de puissance multiphasés ou entrelacés.
Lorsqu'il fonctionne en mode CCM, la dynamique du convertisseur boost est limitée en raison du zéro du demi-plan droit (RHPZ) de sa fonction de transfert. Comme le RHPZ ne peut pas compenser, la largeur de bande réalisable sera généralement inférieure à un cinquième ou à un dixième de la fréquence du RHPZ. Voir l'équation 7 :
où 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'ondes de tension et de courant des transistors à effet de champ, des diodes et des inductances dans le convertisseur élévateur non synchrone en mode CCM.
Convertisseur Buck-Boost
Un convertisseur buck-boost est une combinaison d'étages de puissance buck et boost qui partagent le même inducteur. Voir la figure 15.
Figure 15 : Schéma d'un convertisseur buck-boost à deux interrupteurs
La topologie buck-boost est pratique car la tension d'entrée peut être plus petite, plus grande ou identique à la tension de sortie, ce qui nécessite une puissance de sortie supérieure à 50W.
Pour les puissances de sortie inférieures à 50 W, le convertisseur à inducteur primaire simple (SEPIC) est une option plus rentable car il utilise moins de composants.
Lorsque la tension d'entrée est supérieure à la tension de sortie, le convertisseur buck-boost fonctionne en mode buck ; lorsque la tension d'entrée est inférieure à la tension de sortie, il fonctionne en mode boost. Lorsque le convertisseur fonctionne dans la zone de transmission où la tension d'entrée est comprise dans la plage de tension de sortie, il existe deux concepts pour gérer ces situations : soit les étages abaisseur et élévateur sont actifs simultanément, soit les cycles de commutation entre les étages abaisseur et élévateur sont alternés, chacun fonctionnant généralement à la moitié de la fréquence de commutation normale. Le second concept peut induire un bruit sub-harmonique à la sortie et, bien que la précision de la tension de sortie puisse ne pas être aussi élevée que dans le cas d'un fonctionnement classique en mode "buck" ou "boost", le convertisseur sera plus efficace que dans le cas du premier concept.
La topologie buck-boost présente des courants pulsés à l'entrée et à la sortie parce qu'il n'y a pas de filtres LC dans les deux sens.
Pour un convertisseur buck-boost, les calculs des étages de puissance buck et boost peuvent être utilisés séparément.
Les convertisseurs buck-boost à deux interrupteurs conviennent pour des puissances comprises entre 50W et 100W (comme le LM5118), avec un redressement synchrone jusqu'à 400W (comme le LM5175). Il est recommandé d'utiliser un redresseur synchrone ayant la même limite de courant que l'étage de puissance buck et boost non combiné.
Vous devez concevoir le réseau de compensation du convertisseur buck-boost pour l'étage boost car la RHPZ limite la bande passante du régulateur.
Source : Texas Instruments
Supplément : Comparaison de 20 topologies d'alimentation à découpage
1. Topologies de base communes :
■ Buck
■ Boost
■ Buck-Boost Buck-Boost
■ Flyback
■ En avant
■ Transmission à deux transistors
■ Push-Pull push-pull
■ Demi-pont Demi-pont
■ Pont complet Pont complet
■ SEPIC
■C'uk
2. Forme d'onde de base de la modulation de largeur d'impulsion
Ces topologies sont liées aux circuits de commutation. La forme d'onde de base de la modulation de largeur d'impulsion est définie comme suit :
3. Le daim réduit la tension artérielle
Caractéristiques :
■ Réduire l'entrée à une tension inférieure
■ Peut-être le circuit le plus simple
■ Le filtre inducteur/condensateur aplatit l'onde carrée après la commutation
■ La sortie est toujours inférieure ou égale à l'entrée
■ Le courant d'entrée est discontinu (hachage)
■ Lissage du courant de sortie
4. Boost
Caractéristiques :
■ Booster l'entrée à une tension plus élevée
■ Identique au buck, mais l'inducteur, l'interrupteur et la diode sont réorganisés.
■ La sortie est toujours supérieure ou égale à l'entrée (sans tenir compte de la chute de tension directe de la diode).
■ Lissage du courant d'entrée
■ Le courant de sortie est discontinu (hachage)
5. Buck-Boost
Caractéristiques :
■Une autre disposition d'inducteurs, de commutateurs et de diodes
■ Combine les inconvénients des circuits buck et boost
■ Le courant d'entrée est discontinu (hachage)
■ Le courant de sortie n'est pas non plus continu (hachage)
■ La sortie est toujours opposée à l'entrée (notez la polarité du condensateur), mais l'amplitude peut être plus petite ou plus grande que l'entrée.
■ Un convertisseur "flyback" est en fait une forme isolée (couplée à un transformateur) d'un circuit buck-boost.
6. Retour de flamme
Caractéristiques :
■ Fonctionne comme un circuit buck-boost, mais l'inducteur a deux enroulements, agissant à la fois comme un transformateur et un inducteur.
■ La sortie peut être positive ou négative, déterminée par la polarité de la bobine et de la diode.
■ La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée, déterminée par le rapport des tours du transformateur.
■ Il s'agit de la plus simple des topologies d'isolation.
■ Des sorties multiples peuvent être obtenues en ajoutant des enroulements et des circuits secondaires.
7. Avancer
Caractéristiques :
■ Forme de couplage de transformateur du circuit abaisseur.
■ Courant d'entrée discontinu, courant de sortie régulier.
■ Grâce au transformateur, la sortie peut être plus grande ou plus petite que l'entrée et peut avoir n'importe quelle polarité.
■ Des sorties multiples peuvent être obtenues en ajoutant des enroulements et des circuits secondaires.
■ Le noyau du transformateur doit être démagnétisé à chaque cycle de commutation. Une pratique courante consiste à ajouter un enroulement ayant le même nombre de tours que l'enroulement primaire.
■ L'énergie stockée dans l'inductance primaire pendant la phase d'allumage est libérée par l'enroulement supplémentaire et la diode pendant la phase d'extinction.
8. Transitoire à deux transistors
Caractéristiques :
■ Les deux interrupteurs fonctionnent simultanément.
■ Lorsque l'interrupteur s'ouvre, l'énergie stockée dans le transformateur inverse la polarité du primaire, provoquant la conduction de la diode.
Le principal avantage :
■ La tension aux bornes de chaque interrupteur ne dépasse jamais la tension d'entrée.
■ Il n'est pas nécessaire de réinitialiser la piste d'enroulement.
9. Pousser-Tirer
Caractéristiques :
■ Le commutateur (FET) est déphasé et la modulation de largeur d'impulsion (PWM) est effectuée pour réguler la tension de sortie.
■ Bonne utilisation du noyau du transformateur - la puissance est transférée dans les deux demi-cycles.
■ Topologie pleine onde, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est deux fois supérieure à la fréquence du transformateur.
■ La tension appliquée au FET est le double de la tension d'entrée.
10. Demi-pont
Caractéristiques :
■ Topologie très courante pour les convertisseurs de puissance supérieure.
■ Le commutateur (FET) est déphasé et la modulation de largeur d'impulsion (PWM) est effectuée pour réguler la tension de sortie.
■ Bonne utilisation du noyau du transformateur - la puissance est transférée dans les deux demi-cycles. De plus, le taux d'utilisation de l'enroulement primaire est meilleur que celui du circuit push-pull.
■ Topologie pleine onde, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est deux fois supérieure à la fréquence du transformateur.
■ La tension appliquée au FET est égale à la tension d'entrée.
11. Pont complet
Caractéristiques :
■ Topologie la plus courante pour les convertisseurs de puissance supérieure.
■ Les interrupteurs (FET) sont commandés par paires diagonales et modulés en largeur d'impulsion (PWM) pour réguler la tension de sortie.
■ Bonne utilisation du noyau du transformateur - la puissance est transférée dans les deux demi-cycles.
■ Topologie pleine onde, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est deux fois supérieure à la fréquence du transformateur.
■ La tension appliquée aux FET est égale à la tension d'entrée.
■ Pour une puissance donnée, le courant primaire est deux fois moins important que celui d'un demi-pont.
12. Convertisseur à inductance primaire simple SEPIC
Caractéristiques :
■ La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée.
■ Comme dans le circuit boost, le courant d'entrée est régulier, mais le courant de sortie est discontinu.
■ L'énergie est transférée de l'entrée à la sortie par le biais de la capacité.
■ Deux inductances sont nécessaires.
13. C'uk (brevet de Slobodan C'uk)
Caractéristiques :
■ Inversion de la sortie
■ L'amplitude de la tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à celle de l'entrée.
■ Les courants d'entrée et de sortie sont lisses.
■ L'énergie est transférée de l'entrée à la sortie par le biais de la capacité.
■ Deux inductances sont nécessaires.
■ Les inducteurs peuvent être couplés pour obtenir un courant d'inducteur sans ondulation.
14. Détails du fonctionnement du circuit
Les paragraphes suivants expliquent les détails de fonctionnement de plusieurs topologies :
■ Régulateur Buck : conduction continue, conduction critique, conduction discontinue
■ Régulateur Boost (conduction continue)
■ Fonctionnement du transformateur
■ Transformateur Flyback
■ Transformateur en aval
15. Régulateur pas-à-pas à conduction continue
Caractéristiques :
■ Le courant de l'inducteur est continu.
■ Vout est la valeur moyenne de sa tension d'entrée (V1).
■ La tension de sortie est la tension d'entrée multipliée par le rapport de service du commutateur (D).
■ Lorsqu'il est allumé, le courant de l'inducteur circule à partir de la batterie.
■ Le courant traverse la diode lorsque l'interrupteur est ouvert.
■ Si l'on néglige les pertes dans l'interrupteur et l'inducteur, D est indépendant du courant de charge.
■ Les caractéristiques des régulateurs buck et de leurs circuits dérivés sont les suivantes :
Le courant d'entrée est discontinu (hachage) et le courant de sortie est continu (lissage).
16. Régulateur pas-à-pas - conductivité critique
■ Le courant de l'inducteur est toujours continu, mais il "atteint" zéro 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.
17. Régulateur Buck-step-down - conduction discontinue
■ Dans ce cas, le courant dans l'inducteur est nul pendant une partie de chaque cycle.
■ La tension de sortie est toujours (toujours) la valeur moyenne de v1.
■ La tension de sortie n'est pas égale à la tension d'entrée multipliée par le rapport cyclique du commutateur (D).
■ Lorsque le courant de charge est inférieur à la valeur critique, D varie en fonction du courant de charge (alors que Vout reste constant).
18. Régulateur de suralimentation
■ La tension de sortie est toujours supérieure (ou égale) à la tension d'entrée.
■ Le courant d'entrée est continu, le courant de sortie est discontinu (contrairement à un régulateur buck).
■ La relation entre la tension de sortie et le rapport de service (D) n'est pas aussi simple que dans un régulateur buck. Dans le cas d'une conduction continue :
Dans cet exemple, Vin = 5, Vout = 15 et D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
19. Fonctionnement des transformateurs (y compris le rôle de l'inductance primaire)
■ Le transformateur est considéré comme un transformateur idéal avec son inductance primaire (magnétisante) connectée en parallèle avec le primaire.
20. Transformateur Flyback
■ Ici, l'inductance primaire est faible et est utilisée pour déterminer le courant de crête et l'énergie stockée. Lorsque l'interrupteur primaire s'ouvre, l'énergie est transférée au secondaire.
21. Transformateur à conversion directe
■ L'inductance primaire est élevée car il n'est pas nécessaire de stocker de l'énergie.
■ Le courant de magnétisation (i1) circule dans l'"inducteur de magnétisation", provoquant la démagnétisation du noyau (inversion du sens de la tension) après l'ouverture de l'interrupteur primaire.
22. Résumé
■ Les topologies de circuits les plus courantes actuellement utilisées dans la conversion des alimentations à découpage sont passées en revue ici.
■ Il existe de nombreuses autres topologies, mais il s'agit principalement de combinaisons ou de variations des topologies décrites ici.
■ Chaque topologie implique des compromis de conception uniques :
1) La tension appliquée à l'interrupteur
2) Hachage et lissage du courant d'entrée et de sortie
3) Utilisation de l'enroulement
■ Le choix de la meilleure topologie nécessite des recherches sur :
1) Plage de tension d'entrée et de sortie
2) Plage de courant
3) Rapport coût/performance, taille/poids
