Topologies pour les appareils à conversion de puissance

L'évolution des SMPS, ou commutateurs, a utilisé de nombreuses topologies différentes pour accomplir cette tâche, chaque type offrant des avantages et des inconvénients respectifs. Mais commun à tous les types est le fait que lorsqu'une tension est appliquée aux bornes d'un inducteur et que le courant commence à circuler à travers, l'énergie est stockée dans l'inducteur, et une tension inverse à la tension appliquée apparaît aux bornes de ce dernier, opposée à la tension appliquée. Au fur et à mesure que le temps passe, l'inducteur réduit son opposition. Si le courant est supprimé avant la fin de l'opposition de l'inducteur, l'énergie emmagasinée engendre une tension et un courant qui circule dans la direction opposée à celle de la direction opposée d'origine.

Convertisseurs abaisseurs de tension

Le convertisseur abaisseur de tension est utilisé quand une tension continue élevée doit être convertie en une valeur de courant continu plus faible. Il est souvent utilisé pour remplacer le régulateur linéaire très inefficace, et les appareils modernes ont une efficacité de 95 pour cent ou plus.

 

Figure 1 : Convertisseur abaisseur de tension, avec interrupteur sous tension. (Source : Learnabout Electronics)


Le schéma ci-dessus est un schéma très simplifié d'un convertisseur abaisseur de tension. Lorsque « l'interrupteur », généralement un MOSFET de puissance, est mis sous tension, une tension est générée dans l'inducteur (L1) qui est opposée à la tension de la source. Ainsi, la tension à travers la charge et le condensateur (C1) ne devient jamais aussi élevée que la tension d'entrée provenant de la source.
 

Figure 2 : Convertisseur abaisseur de tension, avec interrupteur hors tension. (Source : Learnabout Electronics)

Lorsque l'interrupteur est hors tension, l'énergie encore résiduelle dans la bobine de l'inducteur induit une tension dans la direction opposée, le même sens que celle initialement fournie par la source. Cette tension, toujours moins élevée que la source, passe à travers la charge et le condensateur, et la diode est mise sous tension, remplaçant la source d'alimentation désormais déconnectée pour fermer le circuit.

Ainsi, la tension à travers la charge est toujours moins élevée que celle de la source de tension. Le condensateur stocke l'alimentation, et alors que l'énergie stockée dans le champ magnétique de l'inducteur commence à décliner, la charge du condensateur permet au courant de circuler dans la charge. Le MOSFET est mis sous et hors tension en continu, répétant le cycle. En choisissant des valeurs correctes d'inducteur et de condensateur, et en assurant le réglage automatique des durées, durant une période de mise sous et hors tension, pendant lesquelles l'interrupteur est mis hors, sous et de nouveau hors tension (le cycle de service), une stabilité et une efficacité remarquables sont atteintes.

Convertisseur élévateur

Le convertisseur élévateur est un convertisseur CC/CC qui est généralement utilisé pour augmenter la tension de la source, mais qui peut être également réglé pour fournir une tension plus faible.


 
Figure 3 : Convertisseur élévateur. (Source : Université de Newcastle)

Lorsque l'interrupteur MOSFET est mis sous tension, le courant de source développe un champ magnétique dans l'inducteur qui s'y oppose. Lorsque l'interrupteur est mis hors tension, comme précédemment, la tension change de direction. Désormais, la tension de la source, et la tension générée par l'inducteur, se combinent pour dépasser la tension de la seule source. La tension plus élevée résultante se déplace à travers la diode, fournissant une Vo pour charger le condensateur et circulant à travers la résistance de charge.

Ainsi, lorsque l'interrupteur est mis sous tension, la charge stockée dans le condensateur ne peut pas circuler à travers la diode, parce que la nature de la diode est de ne laisser passer la tension que d'une seule façon, de sorte qu'il reste connecté uniquement à la résistance de charge. Comme précédemment, la charge s'accumule dans l'inducteur, et le cycle se répète.

Convertisseur à récupération

Ce type de commutateur peut fonctionner à partir d'une tension CA ou CC. Étant donné que la source d'alimentation est connectée et déconnectée par le MOSFET de commutation directement à un transformateur, ce type d'alimentation présente l'avantage de fournir une isolation entre la tension de sortie et la terre et le réseau électrique. Ceci est extrêmement important dans de nombreuses applications (Voir L'alimentation électrique médicale fournit plusieurs niveaux de protection).

Alors que la conception détaillée des convertisseurs à récupération est, comme dans le cas de tous les SMPS, très complexe, les principes de base sont assez simples.

 

Figure 4 : convertisseur à récupération. (Source : Texas Instruments)

Lorsque l'interrupteur, généralement un MOSFET de puissance, se met en marche, le transformateur est mis sous tension. La relation entre la tension d'entrée du transformateur et sa tension de sortie est déterminée par son taux d'enroulements. Les « points » sur les câblages du transformateur indiquent qu'une tension positive sur le câblage d'entrée signifie qu'une tension négative apparaît sur le secondaire. Ainsi, la diode sera polarisée en sens inverse, donc aucun courant ne passe, mais un champ magnétique est créé dans les enroulements de la bobine primaire (d'entrée).

Lorsque l'interrupteur est mis hors tension, le champ magnétique stocké dans la bobine primaire induit une tension inverse dans la secondaire. La diode, désormais polarisée dans le bon sens, permet à l'énergie de circuler à travers la charge et le condensateur. Lorsque l'interrupteur est à nouveau sous tension, la charge stockée du condensateur ne pourra se décharger qu'à travers la charge, parce que la diode est, de nouveau, polarisée en sens inverse. Comme dans le cas des SMTP décrits précédemment, le cycle se répète, et à travers les bons choix de transformateur et de condensateur, ainsi que le suivi dynamique du cycle de service, la sortie désirée peut être maintenue dans des conditions réelles.

Les trois topologies décrites dans cet article sont peut-être les topologies les plus courantes en service aujourd'hui, mais il existes beaucoup d'autres variantes. Le concepteur trouvera une grande partie du circuit de commande auquel il est fait allusion sous la forme de puces de silicium disponibles dans le commerce, et trouvera également un large choix d'unités complètes d'alimentation électriques prêtes à l'emploi pour les conceptions OEM (voir Les alimentations commutées atteignent de nouveaux sommets en matière d'efficacité). En outre, la recherche progresse en un effort pour trouver des moyens de fournir des convertisseurs de puissance plus petits et plus légers, et pour atteindre les objectifs complémentaires d'efficacité accrue et de réduction de la production de chaleur. Une topologie particulièrement prometteuse est la conversion de résonance à haute fréquence (voir La conversion de résonance à très haute fréquence), qui a récemment fait son chemin dans les applications commerciales.