Convertisseurs CC-CC — Buck, Boost et isolation

0. Ce que cet article explique

• Pourquoi le rapport cyclique détermine la tension d'abaissement et d'élévation.

• La différence entre les convertisseurs buck/boost non isolés et les convertisseurs Flyback, LLC et DAB à transformateur.

• Un processus de conception prenant en compte l'ondulation de l'inductance, le rendement, la dissipation thermique, l'isolation et la sécurité.

1. Qu'est-ce qu'un convertisseur DC-DC ?

Un convertisseur DC-DC hache le courant continu, stocke l'énergie dans une inductance ou un transformateur et fournit une tension et un courant continus différents. Contrairement à une chute de tension résistive, il convertit idéalement la tension en courant tout en conservant la majeure partie de la puissance d'entrée. Le rendement réel inclut les pertes par conduction et commutation, les pertes magnétiques, les circuits de commande et la consommation en veille ; la puissance d'entrée et la puissance de sortie ne peuvent être considérées comme égales pour le calcul des caractéristiques.

2. Buck : abaissement de tension

À la mise sous tension, un convertisseur buck injecte l'énergie d'entrée dans l'inductance ; à la mise hors tension, un circuit de roue libre maintient le courant. En conduction continue,

où D représente le rapport cyclique, L l'inductance et f_s la fréquence de commutation. Il s'agit d'un résultat en régime permanent pour un modèle idéal en conduction continue (CCM) avec une faible ondulation de sortie ; les chutes de tension aux bornes de l'interrupteur et la résistance en courant continu de l'inductance sont négligées. À faible charge, le convertisseur passe en conduction discontinue et la relation de tension change, même pour une même valeur de D. La documentation technique de TI analyse également les modes CCM et DCM séparément.

Exemple d'application : conversion de 12 V à 5 V à 2 A

Considérons un convertisseur abaisseur idéal en conduction continue, avec L=10\,\mu\mathrm{H} et f_s=500\,\mathrm{kHz}. Alors D=5/12\simeq0.417 et \Delta I_L\simeq0.583\,\mathrm{A}. Sous une charge de 2 A, le courant dans l'inductance oscille entre environ 1,71 et 2,29 A. Choisissez les valeurs de saturation et de limitation de courant en vous basant sur la valeur de crête, et non sur la valeur moyenne à 2 A.

Cet exemple sans pertes illustre le calcul ; il ne constitue pas une recommandation de composant. Vérifiez les conditions d'entrée les plus défavorables, la tolérance en fréquence, les transitoires et la température. Les sections 2 et 3 de TI SLVA477B établissent le lien entre ces calculs et les caractéristiques.

3. Convertisseur élévateur : un défi de contrôle

Un convertisseur élévateur stocke de l'énergie pendant sa phase conductrice, puis connecte l'entrée et l'inductance en série avec la sortie pendant sa phase défectueuse.

Une valeur élevée de D augmente la tension idéale, mais les caractéristiques du commutateur, la saturation de l'inductance, le temps de récupération inverse de la diode et la bande passante de contrôle limitent la réalité. Un convertisseur élévateur peut présenter un zéro dans le demi-plan droit ; un simple compensateur à gain élevé peut donc le déstabiliser.

4. Architecture de base

Les flèches pleines transportent l'énergie ; les flèches en pointillés transportent les mesures et les commandes de porte. Le contrôleur PWM n'est pas sur le chemin d'alimentation de la charge.

5. Flyback isolé, LLC et DAB

Un Flyback stocke l'énergie dans l'inductance de magnétisation du transformateur et la transfère au secondaire lorsque l'interrupteur est ouvert. Il convient aux adaptateurs basse consommation et aux alimentations auxiliaires, mais les pics d'inductance de fuite et les pics de courant sont difficiles à gérer. Un Forward transfère l'énergie directement pendant sa phase de conduction et nécessite un circuit de réinitialisation ou de limitation.

Un convertisseur résonant LLC utilise l'inductance de fuite, l'inductance de magnétisation et un condensateur pour commuter à une tension ou un courant proche de zéro. Il permet une fréquence et un rendement élevés, mais le contrôle devient difficile en dehors de sa plage d'entrée et de charge. Un Dual Active Bridge (DAB) transmet une puissance bidirectionnelle par déphasage entre deux ponts complets, ce qui convient aux chargeurs de batterie et aux alimentations CC. Distribution.

6. Ondulation, pertes et chaleur

Pour un convertisseur abaisseur en mode de conduction continue (CCM) avec un courant d'inductance triangulaire symétrique, la composante capacitive de l'ondulation de sortie peut être approximée par :

Ne pas appliquer cette expression d'ondulation telle quelle au fonctionnement en mode élévateur (Boost) ou en mode de conduction discontinue (DCM) ; recalculer à partir de la forme d'onde réelle.

L'augmentation de la capacité C réduit l'ondulation capacitive, mais peut augmenter la taille et le coût. L'échauffement dû à la résistance série équivalente (ESR) dépend de l'ESR et du courant d'ondulation, et non de la capacité seule. Une fréquence de commutation plus élevée f_s permet de réduire l'ondulation, mais au détriment des pertes de commutation et des risques d'interférences électromagnétiques (EMI). Les pertes dans le cuivre I^2R et dans le noyau des inductances, les fuites du transformateur et le temps de récupération inverse des diodes doivent être mesurés sur le même profil de charge.

7. Comparaison des topologies

8. Conditions difficiles et sécurité

Les transitoires d'entrée, les courts-circuits, les courants d'appel et la saturation peuvent saturer le contrôleur. Il est nécessaire d'intégrer une limitation de courant cycle par cycle, une protection contre les surtensions et les sous-tensions, un démarrage progressif, des fusibles, une surveillance de l'isolation et une protection thermique. Une conception isolée doit respecter les exigences de ligne de fuite, d'isolement, de tenue au courant du transformateur et d'énergie de défaut.

9. Pratique Choix

• Conversion batterie vers 12/48 V : convertisseur abaisseur ou abaisseur entrelacé lorsque la tension d'entrée minimale dépasse la tension de sortie ; convertisseur abaisseur-élévateur si la tension d'entrée dépasse la tension de sortie, et convertisseur élévateur si la tension d'entrée reste inférieure à la tension de sortie ; vérifier la plage d'entrée, le courant continu, la réponse transitoire et la température de l'inductance.

• Conversion PV ou pile à combustible vers liaison CC : convertisseur élévateur ou élévateur entrelacé ; évaluer le MPPT, l'ondulation d'entrée et le rapport cyclique maximal.

• Adaptateur secteur : convertisseur Flyback pour les faibles puissances ou LLC pour les puissances plus élevées ; privilégier l'isolation, la consommation en veille, la compatibilité électromagnétique et la conformité.

• Recharge rapide pour véhicules électriques et distribution CC : convertisseurs DAB bidirectionnels ou multiphases isolés ; inclure la régénération, la gestion de l'alimentation en cas de défaut et le refroidissement.

10. Récapitulatif en trois points

Un convertisseur CC-CC transforme l'énergie à travers une inductance (L), un transformateur et une capacité (C) pour modifier la tension.

Les équations des convertisseurs abaisseur et élévateur ne représentent que le point d'entrée en conduction continue ; l'ondulation, les transitions de mode, la compensation et les pertes magnétiques sont les principaux facteurs matériels.

Isolation, court-circuit La réactivité, la dissipation thermique et la protection contre les interférences électromagnétiques (EMI) permettent d'obtenir un rendement idéal et un produit fiable.

Références

• Conception d'alimentations Texas Instruments

• Conversion de puissance Infineon

• Sécurité CEI 62368-1

• Société IEEE d'électronique de puissance