Convertisseurs AC/DC

Les circuits nécessitent souvent une source d’alimentation AC intégrée comme stratégie optimale pour réduire la taille, le coût ou en raison de besoins spécifiques à l’application. Comprendre les concepts clés associés à la conversion et les alternatives pratiques disponibles est un bon début vers une conception réussie.

Sécurité d’abord !
Lorsque la source de courant alternatif est une prise de courant secteur, une grande attention doit être prise pour s’assurer qu’une implémentation est sûre à utiliser. Sans exception, ce sous-système doit être conçu et mis en œuvre par un expert qualifié. Si possible, utilisez un pack de prises préapprouvé sur étagère.

La conformité est obligatoire !
Lorsque vous branchez quelque chose sur une prise secteur, il doit être conforme aux normes de certification légales du pays dans lequel il sera utilisé. Plus que cela, il doit avoir été testé et certifié pour le faire – un processus coûteux. Ceci afin de s’assurer qu’il est sûr, qu’il n’interfère pas avec d’autres personnes ou qu’il ne contribue pas au bruit des lignes électriques principales CA.

Qu’est-ce qu’un convertisseur CA/CC ?
L’énergie électrique est transportée sur des fils soit sous forme de courant continu (CC) circulant dans une direction à une tension constante non oscillante, soit sous forme de courant alternatif (CA) circulant d’avant en arrière en raison d’une tension oscillante. Le courant alternatif est la méthode dominante de transport de l’électricité car il offre plusieurs avantages par rapport au courant continu, notamment des coûts de distribution moins élevés et une manière simple de passer d’un niveau de tension à l’autre grâce à l’invention du transformateur. Le courant alternatif envoyé à haute tension sur de longues distances, puis converti à une tension inférieure, est une source d’énergie plus efficace et plus sûre dans les foyers. Selon le lieu, la haute tension peut aller de 4kV (kilo-volts) à 765kV. Pour rappel, le courant alternatif dans les foyers varie de 110V à 250V, selon la région du monde où vous vivez. Aux États-Unis, la ligne principale typique de courant alternatif est de 120V.

Les convertisseurs dirigent un courant alternatif, puisque sa tension alterne également, vers des éléments d’impédance réactive, tels que des inductances (L) et des condensateurs (C), où il est stocké et intégré. Ce processus sépare la puissance associée aux potentiels positifs et négatifs. Des filtres sont utilisés pour lisser l’énergie stockée, ce qui aboutit à la création d’une source de courant continu pour d’autres circuits. Ce circuit peut prendre de nombreuses formes mais comprend toujours les mêmes éléments essentiels, et peut comporter un ou plusieurs étages de conversion. Le convertisseur représenté sur la figure 1 est appelé « convertisseur direct », dont l’efficacité est supérieure à celle d’une architecture légèrement plus simple, le « convertisseur à retour de flamme ». Bien qu’il ne soit pas abordé en détail, un convertisseur flyback diffère d’un convertisseur direct en ce que son fonctionnement dépend de l’énergie stockée dans l’entrefer du transformateur du circuit. En dehors de cette différence, ils peuvent utiliser les mêmes blocs essentiels.

Figure 1 : Schéma fonctionnel d’une alimentation AC/DC à convertisseur direct

Bloc de filtrage d’entrée
Un filtre d’entrée est important car il empêche le bruit produit dans les éléments de commutation de l’alimentation de revenir sur l’alimentation secteur. Il empêche également le bruit qui peut se trouver sur l’alimentation secteur de pénétrer dans les circuits ultérieurs. Le filtre laisse passer la fréquence du secteur de 50/60 Hz et atténue les bruits de plus haute fréquence et les harmoniques qui pourraient être présents. Comme pour les autres parties d’un convertisseur CA-CC, les éléments réactifs tels que les condensateurs et les inductances jouent le rôle important de suppression sélective de la fréquence. Les condensateurs ne laissent pas passer le courant continu et peuvent être utilisés en série (comme éléments de  » filtre passe-haut  » bloquant le courant continu), ou en parallèle (pour shunter les hautes fréquences à la terre en les empêchant de passer dans le convertisseur).

Le bloc de filtrage d’entrée comprendra aussi généralement une résistance dépendant de la tension, ou varistance, pour empêcher les pointes de tension élevées sur le réseau électrique d’endommager l’alimentation. Il s’agit de la boîte rectangulaire traversée par une ligne diagonale sur l’entrée de la figure 1. Le type de varistance le plus courant est une varistance à oxyde métallique (MOV). Toute tension supérieure à la « tension de serrage » des dispositifs rend le MOV conducteur, shuntant la pointe de haute tension et supprimant la surtension.

Rectification
Les convertisseurs AC/DC les plus simples comprennent un transformateur suivant le filtrage d’entrée, qui passe ensuite sur un redresseur pour produire du DC. Dans ce cas, le redressement intervient après le transformateur car les transformateurs ne laissent pas passer le courant continu. Cependant, de nombreux convertisseurs AC/DC utilisent des topologies de conversion plus sophistiquées, à plusieurs étages, telles que représentées sur la figure 1, en raison des avantages liés à la réduction des besoins en transformateurs et à la diminution du bruit renvoyé vers l’alimentation secteur.

Les redresseurs sont mis en œuvre à l’aide de dispositifs à semi-conducteurs qui conduisent conditionnellement le courant dans un seul sens, comme les diodes. Les redresseurs à semi-conducteurs plus sophistiqués comprennent les thyristors. Les redresseurs contrôlés par le silicium (SCR) et les triodes pour courant alternatif (TRIAC) sont analogues à un relais dans la mesure où une petite quantité de tension peut contrôler le flux d’une tension et d’un courant plus importants. Leur fonctionnement est le suivant : ils ne sont conducteurs que lorsqu’une « porte » de contrôle est déclenchée par un signal d’entrée. En allumant ou en éteignant le dispositif au bon moment pendant que la forme d’onde alternative circule, le courant est dirigé pour créer une séparation continue. Il existe de nombreux circuits permettant de réaliser cette opération, les signaux prélevés sur la forme d’onde CA étant utilisés comme signaux de commande pour définir les quadrants de phase dans lesquels les thyristors sont activés ou désactivés. C’est la commutation, et elle peut être naturelle (dans le cas d’une simple diode) ou forcée, comme dans le cas de dispositifs plus sophistiqués.

Les alimentations à haut rendement peuvent utiliser des dispositifs actifs comme les MOSFET comme commutateurs dans de tels circuits. La raison de l’utilisation de topologies plus complexes est généralement l’amélioration du rendement, la réduction du bruit ou le contrôle de la puissance. Les diodes ont une chute de tension intrinsèque lorsqu’elles sont conductrices. Cela entraîne une dissipation de puissance dans ces diodes, mais d’autres éléments actifs peuvent avoir une chute de tension beaucoup plus faible et donc une perte de puissance plus faible. Les circuits SCR et TRIAC sont particulièrement courants dans les circuits de contrôle de puissance à faible coût, comme l’exemple de gradateur de lumière ci-dessous, utilisé pour diriger et contrôler directement le courant fourni à la charge lorsque le secteur d’entrée alterne. Notez que ces implémentations ne sont pas galvaniques lorsqu’elles n’ont pas de transformateur dans le circuit – elles ne sont utiles que dans les circuits appropriés, comme le contrôle direct de la lumière connectée au secteur. Ils sont également utilisés dans les alimentations industrielles et militaires à haute puissance où la simplicité et la robustesse sont essentielles

Figure 2 : Conversion basée sur SCR

Correction du facteur de puissance (PFC)
C’est l’aspect le plus compliqué à comprendre d’un convertisseur. La PFC est un élément essentiel pour améliorer l’efficacité d’un convertisseur en corrigeant la phase relative du courant tiré à la forme d’onde de la tension pour maintenir le facteur de puissance optimal. Cela réduit les caractéristiques de « charge réactive » que le convertisseur pourrait autrement présenter à l’alimentation secteur. Ceci est essentiel pour maintenir des réseaux électriques efficaces et de haute qualité. Les sociétés d’approvisionnement en électricité peuvent même imposer des tarifs spéciaux pour le courant réactif aux clients qui ont un mauvais facteur de puissance. La PFC passive ou active fait référence à l’utilisation d’éléments actifs ou passifs pour corriger les relations de phase. La PFC à semi-conducteurs peut faire référence à des circuits intégrés à usage spécifique dotés de contrôleurs intégrés conçus pour surveiller et ajuster activement le circuit PFC, réduisant ainsi le nombre de composants et simplifiant la conception globale tout en obtenant de meilleures performances. Ils peuvent intégrer d’autres fonctions comme la protection contre les surtensions et les sous-tensions, la protection contre les surintensités, le démarrage progressif et la détection/réponse aux défauts.

Le convertisseur représenté sur la figure 1 est un convertisseur PFC à un seul étage. Le condensateur de cette section est utilisé pour stocker l’énergie déséquilibrée entre la puissance d’entrée pulsée et la puissance de sortie relativement constante de l’étage. Voir la section « Stockage de l’énergie réactive » pour plus de détails à ce sujet. Les convertisseurs PFC à deux étages sont couramment utilisés car ils n’ont pas à gérer une gamme de tension aussi large sur le condensateur de stockage que celle que l’on trouve dans les alimentations universelles, ce qui a un effet néfaste sur l’efficacité de la conversion. Ils peuvent également offrir de meilleurs compromis dans la taille du condensateur, ce qui peut aider à réduire le coût.

Étage de puissance
L’étage de puissance contrôle la puissance délivrée du côté primaire au côté secondaire à travers le transformateur. Il comprend un dispositif de commutation actif qui commute à une fréquence élevée qui peut être de l’ordre de centaines de kHz. L’état de commutation ON/OFF est contrôlé par une entrée de modulation de largeur d’impulsion (PWM) qui change en fonction de la quantité de puissance qui doit être fournie dynamiquement à la charge. Cette information est obtenue par un chemin de retour depuis le côté secondaire qui peut être communiqué par un certain nombre de techniques qui tiennent compte des exigences d’isolation du convertisseur. La commutation à fréquence plus élevée entraîne un besoin en transformateur plus petit, réduisant la taille et le coût.

Transformateur
Un transformateur est composé de fils enroulés sur un noyau commun qui se couplent les uns aux autres par induction électromagnétique. Ceci est important lors de la connexion à des sources de haute tension (secteur) – appelée conversion  » hors ligne « , car le couplage inductif déconnecte le secteur du circuit subséquent, un scénario beaucoup plus sûr que la connexion directe. Ce couplage par un champ électromagnétique, plutôt que par un circuit direct en cuivre, appelé « isolation galvanique », limite l’énergie maximale pouvant provoquer un choc électrique ou une décharge dangereuse par étincelles à l’énergie stockée dans les lignes de flux du champ magnétique du transformateur. La capacité (liée à la taille et aux matériaux) du transformateur à stocker l’énergie est une considération importante dans la conception du convertisseur car elle dicte la façon dont le transformateur peut fournir l’énergie pour maintenir le potentiel de tension désiré dans des conditions de charge changeantes.

Des détails sur la théorie et le fonctionnement du transformateur peuvent être trouvés ici.

La figure 1 a un bloc appelé ‘Mag Amp Reset’ associé à la démagnétisation du transformateur en raison d’un courant de magnétisation inhérent à l’architecture. Sans cela, la rémanence du matériau du noyau le saturerait en quelques cycles du PWM de l’étage de puissance. Bien que trop complexe pour être abordé dans ce tutoriel, ce circuit supplémentaire peut être très déroutant lors de l’examen des schémas de circuit du convertisseur, et il est utile de savoir pourquoi il est nécessaire. Il existe un certain nombre de techniques pour effectuer la démagnétisation, la plus simple étant que lorsque l’interrupteur de l’étage de puissance est éteint, un courant de démagnétisation est renvoyé à la diode par un enroulement auxiliaire séparé. Ce circuit limite le rapport cyclique PWM maximum à 50%, mais des méthodes plus complexes peuvent être utilisées pour permettre des rapports cycliques plus élevés.

Des transformateurs ou d’autres méthodes d’isolation galvanique (comme les optocoupleurs) sont fréquemment utilisés pour communiquer des signaux d’information entre les côtés primaire et secondaire. Ceci est nécessaire pour faciliter un contrôle plus complexe du processus de conversion – permettant à un circuit de contrôle situé côté primaire de répondre à l’état de la charge côté secondaire et de changer dynamiquement la façon dont il dirige le courant pour obtenir un bruit plus faible et un rendement plus élevé.

Circuits de sortie
Comme mentionné dans la section de filtrage, les champs électriques dans les éléments réactifs passifs (stockage) comme les condensateurs et les inductances stockent de l’énergie. Lorsqu’ils sont utilisés après le redressement de direction de charge, ils agissent comme un réservoir d’énergie pendant le cycle de puissance d’entrée alternatif. Il s’agit d’un élément vital dans un convertisseur car ce stockage d’énergie agit comme une source – permettant une tension de sortie constante dans des conditions de charge variables. Les éléments actifs détectent la tension présentée à la charge et/ou le courant circulant dans la charge, et dans une boucle de contrôle à rétroaction négative, utilisent ces informations pour ajuster l’énergie pompée dans ces éléments de stockage afin de maintenir un niveau de tension de sortie constant. Ce processus de pompage utilise des éléments actifs pour activer et désactiver le courant circulant dans les éléments de stockage, auxquels on se réfère sous le concept général de régulation.

Régulation
Nous avons besoin d’une tension constante présentée à un circuit de charge, indépendamment de l’impédance dynamique de la charge. Sans cela, des conditions de surtension ou de sous-tension peuvent se produire, entraînant un comportement parasite du circuit ou même des dommages au circuit. C’est particulièrement vrai dans le cas de l’électronique numérique basse tension, où les tensions d’alimentation doivent être étroitement limitées à une fenêtre de quelques pour cent de la valeur nominale. Les éléments réactifs ne disposent d’aucun contrôle intégré à cet égard. La façon dont un convertisseur AC/DC réalise une fenêtre étroitement contrôlée de la tension de sortie est en contrôlant conditionnellement l’énergie stockée dans la source de stockage réactive à faible impédance.

La tension de sortie changera au fil du temps à mesure que la puissance se draine de ces éléments et peut également avoir une variance causée par les caractéristiques non idéales des dispositifs – comme la résistance série ou la capacité parasite. Une certaine forme de contrôle dynamique pour recharger cette source est nécessaire. C’est ce qu’on appelle la régulation. Les charges comme les microprocesseurs changent la puissance qu’ils demandent lorsqu’ils effectuent différentes opérations, et cela exacerbe le besoin d’avoir une régulation dynamique active.

La régulation est un circuit de rétroaction qui contrôle les éléments de commutation. Dans ce cas, l’élément de commutation se trouve sur le côté primaire du convertisseur. Pour qu’un commutateur soit efficace, il doit être soit fortement activé (impédance la plus faible possible), soit fortement désactivé (impédance la plus élevée possible) – car les états intermédiaires conduisent à ce que la puissance qui traverse le commutateur soit dissipée et gaspillée. Les commutateurs à semi-conducteurs comme les MOSFETS ne sont pas idéaux et présentent une certaine impédance, ils dissipent de l’énergie et cela diminue l’efficacité de la conversion.

Il n’y a que deux façons de contrôler un commutateur , en faisant varier le cycle de service d’un commutateur qui est allumé ou éteint, appelé modulation de largeur d’impulsion (PWM) ou en contrôlant la fréquence d’être ON ou OFF. Les convertisseurs en mode non-résonant utilisent des techniques de commutation dure, mais les convertisseurs en mode résonant utilisent une technique de commutation douce plus intelligente. La commutation douce consiste à activer ou désactiver les formes d’onde du courant alternatif aux points de tension nulle ou de courant nul, éliminant ainsi les pertes de commutation et conduisant à des architectures à très haut rendement. Des techniques comme le redressement synchrone remplacent les diodes de redressement par des éléments de commutation actifs comme les MOSFETS. Le contrôle de la commutation synchronisée à la forme d’onde alternative d’entrée permet au MOSFET de conduire avec une très faible résistance à l’état passant et une moindre chute de tension au bon moment – ce qui conduit à un rendement plus élevé par rapport à la rectification par diode.

Comment le circuit de régulation sait-il quand commuter ? Il existe deux méthodes principales de mode de régulation : la régulation de tension et la régulation de courant. Les régulateurs utilisent une ou une combinaison de ces deux méthodes pour réguler la tension présentée au circuit de charge.

Mode de régulation de la tension

Le circuit de régulation détecte la tension de sortie, la compare à une tension de référence pour créer une fonction d’erreur. Le signal d’erreur modifie le rapport de commutation pour rapprocher la sortie du niveau souhaité. Il s’agit de la méthode de contrôle la plus simple.

Mode de contrôle du courant

La tension de sortie et le courant de l’inducteur sont tous deux détectés et la combinaison est utilisée pour contrôler le rapport cyclique. Cette « boucle de détection de courant » interne permet un temps de réponse plus rapide à la variation de la charge, mais elle est plus complexe que le mode de contrôle de la tension.

Compliquant encore l’élément de régulation, au-delà de la méthode de contrôle, la façon dont un convertisseur agit en tant que cycle de commutation est appelée mode de fonctionnement continu ou discontinu. Un mode de fonctionnement continu est celui où le courant d’inductance ne tombe jamais à zéro (si la topologie du convertisseur en possède un). Il s’agit d’un mode de fonctionnement à faible ondulation de sortie et donc à faible bruit, mais comme l’inducteur est toujours conducteur, il dissipe toujours un peu d’énergie dans ses pertes de conduction en série non idéales. En mode discontinu, on laisse le courant de l’inducteur aller à zéro, ce qui permet à la charge d’obtenir de l’énergie des condensateurs de stockage. Il s’agit d’un mode de fonctionnement plus efficace, mais qui présente potentiellement plus d’ondulation et un moins bon contrôle de régulation.

Types de convertisseurs
Comme évoqué brièvement, il existe plusieurs types de convertisseurs relatifs à leur topologie, notamment les architectures flyback et buck- flyback. Ces topologies sont courantes car elles intègrent des transformateurs, ont un faible nombre de composants et peuvent être peu coûteuses par rapport aux autres options. Les convertisseurs Flyback sont des convertisseurs buck-boost (step-up/step-down) dont l’inducteur est remplacé par un transformateur. L’énergie stockée dans le transformateur est utilisée pour commuter le secondaire par le biais d’un circuit de rectification actif ou passif. Le type le plus courant de convertisseur flyback utilise le mode discontinu (DCM) – le courant circulant dans le transformateur devenant nul – car il présente généralement la boucle de contrôle la plus simple et le coût le plus bas. Les convertisseurs flyback en mode courant continu (CCM) sont nécessaires pour des niveaux de puissance plus élevés, mais ils entraînent des pertes plus importantes dans l’enroulement du transformateur en raison de la conduction continue. De nombreuses alimentations passent d’un mode à l’autre en fonction du niveau de charge. Les variations de la topologie flyback en mode quasi-résonant (QR) et en mode de commutation de vallée/fréquence variable sont des circuits plus complexes qui optimisent le moment et la manière dont la commutation se produit pour améliorer le rendement. Le flyback QR y parvient en recyclant l’énergie des inductances de fuite non idéales, et la commutation en vallée réduit les pics causés par le dépassement. Ils sont généralement utilisés dans les applications à faible puissance.