Quelle est l'alimentation électrique ?
Une alimentation est un dispositif électrique qui convertit le courant d'une source d'énergie (telle qu'un réseau électrique) en la tension requise par une charge (telle qu'un moteur ou un appareil électronique).
Il existe deux types d'alimentations : les alimentations linéaires et les alimentations à découpage.
Alimentation linéaire : Les alimentations linéaires utilisent un transformateur pour abaisser la tension d'entrée, puis redresser et convertir la tension en tension continue, qui est ensuite filtrée pour améliorer la qualité de la forme d'onde. Les alimentations linéaires utilisent des régulateurs linéaires pour maintenir la tension de sortie constante. Les régulateurs linéaires dissipent tout excès d'énergie sous forme de chaleur.
Alimentation à découpage : La conception d'une alimentation à découpage est une approche plus récente qui résout un grand nombre des problèmes présents dans la conception d'une alimentation linéaire, notamment la taille du transformateur et les problèmes de régulation de la tension. Dans une alimentation à découpage, la tension d'entrée n'est plus réduite, mais redressée et filtrée à l'entrée ; elle est ensuite convertie en une séquence d'impulsions à haute fréquence par un hacheur ; elle est à nouveau filtrée et redressée avant que la tension n'atteigne la sortie.
Table des matières
Principe de fonctionnement de l'alimentation à découpage
Les alimentations linéaires AC/DC sont utilisées depuis longtemps pour convertir le courant alternatif du réseau électrique en courant continu destiné aux appareils électroménagers ou à l'éclairage. Mais les applications à forte puissance nécessitent de plus en plus des alimentations plus petites. Les alimentations linéaires ont été reléguées à des usages industriels et médicaux spécifiques, où leur faible niveau de bruit les rend encore utiles ; les alimentations à découpage les ont largement remplacées en raison de leur petite taille, de leur rendement élevé et de leur capacité à gérer des puissances importantes. alimentation linéaire. La figure 1 illustre le processus général de conversion du courant alternatif (CA) en courant continu (CC) dans une alimentation à découpage.
Figure 1 : Alimentation à découpage AC/DC isolée
Rectification de l'entrée
La rectification est le processus de conversion de la tension alternative en tension continue. Le redressement du signal d'entrée est la première étape des alimentations AC/DC à découpage.
La tension continue est généralement considérée comme une tension constante en ligne droite, comme celle fournie par une batterie. Mais en réalité, le courant continu (CC) est défini comme un flux de charge unidirectionnel. Cela signifie que la tension continue circule dans la même direction, mais qu'elle n'est pas nécessairement constante.
Onde sinusoïdale Courant alternatif (CA) L'onde sinusoïdale est la forme d'onde de tension la plus typique, la première moitié du cycle étant positive et la seconde moitié du cycle étant négative. Si le demi-cycle négatif est inversé ou éliminé, le courant cesse d'être alternatif et devient continu. Ce processus de conversion peut être réalisé par la rectification.
Le redressement est obtenu en utilisant des diodes dans un redresseur passif en demi-pont pour éliminer la moitié négative de l'onde sinusoïdale (voir figure 2). La diode laisse passer le courant pendant le demi-cycle positif de l'onde et bloque le courant lorsqu'il circule dans la direction opposée.
Figure 2 : Redresseur en demi-pont
Une onde sinusoïdale redressée aura une faible puissance moyenne et ne pourra pas alimenter efficacement un appareil. Une autre méthode, plus efficace, consiste à changer la polarité de la demi-onde négative, en la transformant en une onde positive. Cette méthode, appelée redressement à onde pleine, ne nécessite que quatre diodes dans une configuration en pont complet (voir la figure 3). Cette configuration garantit une direction stable du courant quelle que soit la polarité de la tension d'entrée.
Figure 3 : Redresseur en pont complet
Par rapport au redressement en demi-pont, la tension de sortie moyenne de la forme d'onde redressée à pleine onde est plus élevée, mais elle est encore loin de la forme d'onde continue constante requise pour alimenter les équipements électroniques. Bien qu'il s'agisse déjà d'une forme d'onde continue, la forme de l'onde de tension montre que la tension change très rapidement et fréquemment, et l'utilisation d'une telle forme d'onde continue pour alimenter l'équipement sera inefficace. Cette variation périodique de la tension continue est appelée ondulation, et la réduction ou l'élimination de l'ondulation est essentielle pour obtenir une alimentation électrique efficace.
Le moyen le plus simple et le plus courant de réduire l'ondulation est d'ajouter un grand condensateur, appelé condensateur de stockage ou filtre de lissage, à la sortie du redresseur (voir figure 4).
Ce condensateur stocke la tension pendant le pic de l'onde et alimente ensuite la charge en courant jusqu'à ce que sa tension soit inférieure à l'onde de tension redressée ascendante. La forme d'onde qu'il produit sera plus proche de la forme souhaitée et peut également être considérée comme une tension continue sans composante alternative. Cette forme d'onde de tension finale peut alimenter des équipements à courant continu.
Figure 4 : Redresseur en pont complet avec filtre de lissage
Les redresseurs passifs utilisent des diodes semi-conductrices comme interrupteurs non contrôlés. Il s'agit de la méthode la plus simple pour redresser les ondes alternatives, mais ce n'est pas la plus efficace.
Les diodes sont des interrupteurs relativement efficaces. Elles s'allument et s'éteignent rapidement avec une consommation d'énergie minimale. Mais le seul problème est qu'il y a une chute de tension de polarisation directe de 0,5V à 1V, ce qui réduit l'efficacité.
Les redresseurs actifs remplacent les diodes par des commutateurs contrôlables, tels que des transistors MOSFET ou BJT (voir figure 5). Ils présentent deux avantages : premièrement, les redresseurs à transistors n'ont pas la chute de tension de 0,5 à 1 V inhérente aux diodes à semi-conducteurs, car leur résistance peut être arbitrairement faible et la chute de tension est donc également faible ; deuxièmement, le transistor est un interrupteur contrôlé, ce qui signifie que la fréquence de commutation peut être réglée et optimisée.
L'inconvénient est que les redresseurs actifs nécessitent des circuits de contrôle plus complexes pour atteindre leurs objectifs, ce qui implique des composants supplémentaires et donc un coût plus élevé.
Figure 5 : Redresseur actif en pont complet
Correction du facteur de puissance (PFC)
La deuxième étape de la conception d'une alimentation à découpage est la correction du facteur de puissance (PFC).
Les circuits PFC contribuent peu à la conversion réelle du courant alternatif en courant continu, mais ils constituent un élément important de la plupart des alimentations commerciales.
Figure 6 : Formes d'ondes de tension et de courant à la sortie du redresseur
En observant la forme d'onde du courant du condensateur de stockage du redresseur (voir figure 6), vous constaterez que le courant de charge traverse le condensateur dans un laps de temps très court ; plus précisément, à partir du moment où la tension à l'entrée du condensateur est supérieure à la charge du condensateur, jusqu'au moment où le signal redressé entre les crêtes. Cela provoque une série de courtes pointes de courant dans le condensateur, ce qui pose de graves problèmes non seulement pour l'alimentation électrique, mais aussi pour l'ensemble du réseau. En effet, ces pointes de courant sont injectées dans le réseau et génèrent un grand nombre d'harmoniques. Les harmoniques créent une distorsion qui peut affecter les autres sources d'énergie et les équipements connectés au réseau.
Dans la conception d'une alimentation à découpage, l'objectif du circuit de correction du facteur de puissance est de filtrer ces harmoniques et de les minimiser. Il existe deux types de circuits de correction du facteur de puissance : les circuits actifs et les circuits passifs.
Les circuits PFC passifs consistent en des filtres passifs passe-bas qui tentent d'éliminer les harmoniques à haute fréquence. Cependant, la PFC passive seule ne permet pas aux alimentations, en particulier dans les applications de haute puissance, de respecter les spécifications internationales en matière de bruit harmonique. Une correction active du facteur de puissance doit être utilisée.
Le PFC actif peut modifier la forme de l'onde du courant de manière à ce qu'elle suive la forme de l'onde de la tension. Les harmoniques sont déplacées vers des fréquences plus élevées et sont donc plus faciles à filtrer. Dans ce cas, le circuit le plus couramment utilisé est un convertisseur boost (ou step-up).
Isolation : Alimentations à découpage isolées et non isolées
Indépendamment de la présence d'un circuit PFC, la dernière étape de la conversion d'énergie consiste à réduire la tension continue redressée à une valeur appropriée pour l'application envisagée.
Comme la forme d'onde CA entrante est redressée à l'entrée, la tension CC de sortie est très élevée : sans PFC, la tension CC de sortie du redresseur sera d'environ 320 V ; en présence du circuit PFC actif, la sortie du convertisseur élévateur sera de 400 V ou plus.
Dans les deux cas, les tensions élevées sont extrêmement dangereuses et inutiles pour la plupart des applications qui nécessitent des tensions très basses. Le tableau 1 énumère plusieurs aspects à prendre en compte lors de la sélection de la topologie d'isolation correcte, y compris le convertisseur et l'application.
Tableau 1 : Alimentations AC/DC isolées et non isolées
Le choix de la méthode de réduction de la pression artérielle est principalement lié à la sécurité.
L'entrée de l'alimentation est connectée au secteur, ce qui signifie qu'en cas de fuite à la sortie, un choc de cette ampleur peut provoquer des blessures graves, voire mortelles, et endommager tout équipement connecté à la sortie.
La sécurité est assurée par l'isolation magnétique des circuits d'entrée et de sortie AC/DC connectés au réseau électrique. Les circuits les plus utilisés dans les alimentations AC/DC isolées sont les convertisseurs flyback et les convertisseurs LLC résonants, car ils disposent tous deux d'une isolation électrique ou magnétique (voir figure 7).
Figure 7 : Convertisseur Flyback (à gauche) et convertisseur résonant LLC (à droite)
L'utilisation d'un transformateur signifie que le signal ne peut pas être une tension continue plate. Au contraire, la tension doit changer, et donc le courant, afin que l'énergie puisse être transférée d'un côté du transformateur à l'autre par couplage inductif. Par conséquent, les convertisseurs flyback et LLC "découpent" la tension continue d'entrée en une onde carrée, qui est ensuite abaissée par l'intermédiaire d'un transformateur. Enfin, la forme d'onde est à nouveau redressée avant d'être émise.
Principalement utilisé dans les applications de faible puissance, un convertisseur flyback est également un convertisseur buck-boost isolé dont la tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée, en fonction de la relation entre les enroulements primaires et secondaires du transformateur. ratio de tours.
Le fonctionnement d'un convertisseur flyback est très similaire à celui d'un convertisseur boost.
Lorsque l'interrupteur est fermé, la bobine primaire est chargée par l'entrée et forme un champ magnétique ; lorsque l'interrupteur est ouvert, la charge de l'inducteur primaire est transférée à l'enroulement secondaire, qui injecte du courant dans le circuit, alimentant ainsi la charge.
Le convertisseur flyback est relativement facile à concevoir et nécessite moins de composants que les autres convertisseurs, mais il n'est pas efficace car il oblige le transistor à s'allumer et à s'éteindre à volonté, et cette commutation brutale entraîne d'énormes pertes (voir figure 8). En particulier dans les applications à haute puissance, cela réduit la durée de vie des transistors et crée une énorme dissipation de puissance. C'est pourquoi le convertisseur flyback convient mieux aux applications à faible puissance, où la puissance ne dépasse généralement pas 100 W.
Les convertisseurs LLC résonants sont couramment utilisés dans les applications de haute puissance. Son circuit est également isolé magnétiquement par l'intermédiaire d'un transformateur. Les convertisseurs LLC sont basés sur le phénomène de résonance, ce qui signifie que lorsque la fréquence de fonctionnement correspond à la fréquence naturelle du filtre, cette fréquence est amplifiée. Dans ce cas, la fréquence de résonance du convertisseur LLC est définie par l'inductance et le condensateur en série (filtre LC) et est également affectée par l'effet supplémentaire de l'inductance primaire (L) du transformateur, d'où le nom de convertisseur LLC.
Les convertisseurs résonants LLC sont préférés pour les applications à haute puissance car ils peuvent produire une commutation à courant nul, également connue sous le nom de commutation douce (voir la figure 8). Lorsque le courant dans le circuit est proche de zéro, il peut activer et désactiver le commutateur, en minimisant les pertes de commutation du transistor, ce qui réduit les interférences électromagnétiques et améliore le rendement. Cependant, cette amélioration des performances a un prix : Il est très difficile de concevoir un convertisseur résonant LLC capable de réaliser une commutation douce dans différentes conditions de charge. À cette fin, MPS a développé un outil de conception LLC spécial qui garantit que le convertisseur fonctionne à l'état de résonance correct, ce qui permet d'obtenir une meilleure efficacité de commutation.
Figure 8 : Pertes dues à la commutation dure (à gauche) et à la commutation douce (à droite)
Comme indiqué précédemment, l'une des limites des alimentations AC/DC est la taille et le poids du transformateur d'entrée. En effet, la faible fréquence de fonctionnement du transformateur d'entrée (50 Hz) nécessite une inductance et un noyau plus importants pour éviter la saturation.
Dans les alimentations à découpage, la fréquence d'oscillation de la tension est nettement plus élevée (au moins supérieure à 20 kHz). Cela signifie que le transformateur abaisseur peut être plus petit, car les signaux à haute fréquence créent moins de pertes magnétiques dans le transformateur linéaire. Comme la taille du transformateur d'entrée devient plus petite, le système peut être miniaturisé, ce qui permet de faire tenir l'ensemble de l'alimentation dans un chargeur de téléphone portable, comme ceux que nous utilisons aujourd'hui.
Certains équipements à courant continu ne nécessitent pas de transformateur pour assurer l'isolation. C'est le cas des appareils qui ne nécessitent pas un contact direct avec l'utilisateur (par exemple, les lampes, les capteurs, l'IoT, etc.), car tout traitement des paramètres de l'appareil est effectué sur un appareil distinct (par exemple, un téléphone, une tablette ou un ordinateur).
Cela présente des avantages significatifs en termes de poids, de taille et de performance de l'appareil. Ces convertisseurs réduisent le niveau de tension de sortie à l'aide d'un convertisseur buck à haute tension. Son circuit peut être considéré comme le circuit inversé du convertisseur élévateur mentionné précédemment. Dans ce cas, lorsque l'interrupteur du transistor est fermé, le courant circulant dans l'inducteur crée une tension aux bornes de l'inducteur, qui annule la tension provenant de l'alimentation, réduisant ainsi la tension à la sortie. Lorsque l'interrupteur est ouvert, l'inducteur fournit du courant à la charge, ce qui maintient la tension à travers la charge lorsque le circuit est déconnecté de la source d'alimentation.
Les alimentations à découpage AC/DC utilisent des convertisseurs buck à haute tension car les transistors MOSFET qui servent d'interrupteurs doivent être capables de supporter de grandes variations de tension (voir figure 9). Lorsque l'interrupteur est fermé, la tension aux bornes du MOSFET est proche de 0V ; mais lorsqu'il est ouvert, cette tension passe à 400V dans une application monophasée et à 800V dans un convertisseur triphasé. Ces variations soudaines de tension peuvent facilement endommager les transistors ordinaires, c'est pourquoi des MOSFET haute tension spéciaux sont utilisés.
Figure 9 : Alimentation à découpage AC/DC non isolée avec PFC actif
Un convertisseur buck est plus facile à intégrer qu'un transformateur car il ne nécessite qu'une seule inductance. Son efficacité en matière de réduction de tension est également plus élevée, avec un rendement pouvant atteindre 95% dans des conditions normales. Ce rendement élevé est obtenu parce que les transistors et les diodes ne consomment pratiquement pas de puissance de commutation, les seules pertes provenant de l'inductance.
Résumer
Les alimentations à découpage AC/DC constituent actuellement la méthode la plus efficace pour convertir le courant alternatif en courant continu. La conversion de l'énergie se fait en trois étapes :
1. Redressement de l'entrée : La tension secteur d'entrée est convertie en une onde continue redressée par un pont de diodes. L'ajout d'un condensateur à la sortie du pont peut réduire la tension d'ondulation.
2. Correction du facteur de puissance (PFC) : en raison de la présence d'un courant non linéaire dans le redresseur, le contenu harmonique du courant est très important. Il existe deux façons de résoudre ce problème : la première consiste à utiliser la PFC passive, qui fait appel à des filtres pour supprimer les effets harmoniques, mais cette méthode n'est pas efficace ; la seconde méthode est appelée PFC active, qui utilise des interrupteurs pour le convertisseur de tension afin que la forme d'onde du courant suive la forme d'onde de la tension d'entrée. La PFC active est le seul moyen de permettre aux convertisseurs de puissance de répondre aux normes actuelles en matière de taille et d'efficacité.
3. Isolation : Les alimentations à découpage peuvent être isolées ou non isolées. Un dispositif est isolé lorsque l'entrée et la sortie d'une alimentation ne sont pas physiquement connectées. L'isolation peut être obtenue grâce à un transformateur, qui isole électriquement les deux moitiés du circuit. La tension continue redressée est donc découpée en une onde carrée à haute fréquence, puis transmise au circuit secondaire ; elle est ensuite redressée à nouveau et enfin transmise à la sortie.
La conception d'une alimentation à découpage nécessite la prise en compte de tous les aspects, en particulier la sécurité, les performances, la taille et le poids. Les circuits de commande des alimentations à découpage sont également plus complexes que ceux des alimentations linéaires, et de nombreux concepteurs trouvent utile d'utiliser des modules intégrés dans l'alimentation.
