Principales pertes internes de l'alimentation à découpage Pour améliorer l'efficacité de l'alimentation à découpage, il est nécessaire de distinguer et d'estimer grossièrement les différentes pertes. La perte interne de l'alimentation à découpage peut être grossièrement divisée en quatre aspects : perte de commutation, perte de conduction, perte supplémentaire et perte de résistance. Ces pertes se produisent généralement simultanément dans les composants avec pertes, qui seront discutés séparément ci-dessous. Principales pertes internes de l'alimentation à découpage Pour améliorer l'efficacité de l'alimentation à découpage, il est nécessaire de distinguer et d'estimer grossièrement diverses pertes. La perte interne de l'alimentation à découpage peut être grossièrement divisée en quatre aspects : perte de commutation, perte de conduction, perte supplémentaire et perte de résistance. Ces pertes se produisent généralement simultanément dans les composants avec perte, qui seront discutés séparément ci-dessous.

Pertes associées aux interrupteurs de puissance

L'interrupteur d'alimentation est l'une des deux principales sources de perte dans une alimentation à découpage typique. La perte peut être essentiellement divisée en deux parties : la perte de conduction et la perte de commutation. La perte de conduction est la perte lorsque l'interrupteur d'alimentation est dans l'état de conduction après que le dispositif d'alimentation a été allumé et que les formes d'onde de commande et de commutation se sont stabilisées. La perte de commutation est la perte qui se produit lorsque l'interrupteur d'alimentation est amené dans un nouvel état de fonctionnement et que les formes d'onde de commande et de commutation sont en cours de transition. Ces étages et leurs formes d'onde sont illustrés à la figure 1.

La perte de conduction peut être mesurée par le produit des formes d'onde de tension et de courant aux bornes du commutateur. Ces formes d'onde sont toutes approximativement linéaires et la perte de puissance pendant la conduction est donnée par la formule (1).

La manière typique de contrôler cette perte consiste à minimiser la chute de tension pendant la conduction de l'interrupteur d'alimentation. Pour atteindre cet objectif, le concepteur doit faire fonctionner l'interrupteur en saturation. Ces conditions sont données par la Formule (2a) et la Formule (2b). Grâce à la commande de surintensité de base ou de grille, il est assuré que le courant du collecteur ou du drain est contrôlé par des composants externes au lieu de l'interrupteur d'alimentation lui-même.

La perte de commutation lors de la commutation de puissance est plus compliquée et comporte ses propres facteurs et l'influence de composants associés. La forme d'onde liée à la perte ne peut être observée que par un oscilloscope avec une sonde de tension connectée à la borne drain-source (collecteur-émetteur), et une sonde de courant alternatif peut mesurer le courant de drain ou de collecteur. Lors de la mesure de la perte instantanée de chaque interrupteur, une sonde blindée à câble court doit être utilisée, car tout fil non blindé d'une certaine longueur peut introduire du bruit provenant d'autres sources d'alimentation et la véritable forme d'onde ne peut donc pas être affichée avec précision. Une fois qu'une bonne forme d'onde est obtenue, la zone délimitée par ces deux courbes peut être calculée grossièrement par une simple méthode de sommation de sous-sections de triangle et de rectangle. Par exemple, la perte à la mise sous tension de la fig. 1 peut être calculé par l’équation (3).

Ce résultat correspond uniquement à la valeur de perte de l'interrupteur d'alimentation pendant la période de marche, et la valeur totale de la perte pendant la période de marche peut être obtenue en additionnant les pertes hors tension et sous tension.

Pertes associées au redresseur de sortie

Dans la perte interne totale d'une alimentation à découpage de redresseur asynchrone typique, la perte du redresseur de sortie représente 40 % à 65 % de la perte totale. Il est donc très important de comprendre cette section. Les formes d'onde liées au redresseur de sortie sont visibles sur la figure 2.

La perte du redresseur peut également être divisée en trois parties : perte à la mise sous tension, perte à la mise sous tension et perte à la désactivation.

La perte de conduction du redresseur correspond à la perte lorsque le redresseur est conducteur et que les formes d'onde de courant et de tension sont stables. Cette perte est réduite en sélectionnant le redresseur présentant la plus faible chute de tension directe lorsqu'un certain courant circule. La diode PN présente une caractéristique VI directe plus plate, mais sa chute de tension est plus élevée (0.7 à 1.1 V). La diode Schottky présente une faible tension de commutation (0.3 à 0.6 V), mais sa caractéristique tension-courant n'est pas trop abrupte, ce qui signifie qu'avec l'augmentation du courant, sa tension directe augmente plus rapidement que celle de la diode PN. Le processus de transition de la forme d'onde est segmenté en zones rectangulaires et triangulaires, et cette perte peut être calculée par la formule (3).

Il est beaucoup plus compliqué d'analyser la perte de commutation du redresseur de sortie. Les caractéristiques inhérentes du redresseur entraîneront de nombreux problèmes dans les circuits locaux.

Pendant la période d'ouverture, le processus de transition est déterminé par les caractéristiques de rétablissement positif du tube redresseur. Le temps de rétablissement tfrr correspond au temps écoulé entre l'application de la tension continue aux bornes de la diode et le début du courant direct. Pour les diodes à rétablissement rapide PN, ce temps est de 5 à 15 ns. Les diodes Schottky présentent parfois un temps de rétablissement direct plus long en raison de leur capacité de jonction intrinsèquement plus élevée. Bien que cette perte ne soit pas importante, elle peut entraîner d'autres problèmes au sein de l'alimentation. Pendant la période de rétablissement, l'inductance et le transformateur n'ont pas d'impédance de charge importante, tandis que l'interrupteur ou le redresseur est toujours bloqué, ce qui fait osciller l'énergie stockée jusqu'à ce que le redresseur commence enfin à faire circuler le courant direct et à bloquer le signal d'alimentation.

Au moment de la désactivation, la caractéristique de recouvrement inverse joue un rôle majeur. Lorsque la tension inverse est appliquée aux bornes de la diode, la caractéristique de recouvrement inverse de la diode PN est déterminée par les porteurs présents dans la jonction. Ces porteurs, à mobilité limitée, doivent sortir par la direction opposée à celle de leur entrée initiale dans la jonction, constituant ainsi le courant inverse traversant la diode. Les pertes associées peuvent être importantes, car avant que la charge de la jonction ne soit épuisée, la tension inverse augmente rapidement et le courant inverse est réfléchi vers l'interrupteur de puissance primaire via le transformateur, ce qui augmente les pertes du tube de puissance. La figure 1, par exemple, illustre le courant de crête pendant la période de mise sous tension.

Des caractéristiques de recouvrement inverse similaires apparaissent également dans les redresseurs Schottky haute tension. Cette caractéristique n'est pas due aux porteurs, mais à la capacité de jonction élevée de ces diodes Schottky. Une diode Schottky haute tension signifie que sa tension de claquage inverse est supérieure à 60 V. Des caractéristiques de recouvrement inverse similaires apparaissent également dans les redresseurs Schottky haute tension. Cette caractéristique n'est pas due aux porteurs, mais à la capacité de jonction élevée de ces diodes Schottky. Une diode Schottky haute tension signifie que sa tension de claquage inverse est supérieure à 60 V.

Pertes liées à la capacité du filtre

Les condensateurs de filtre d'entrée ne sont pas la principale source de perte de l'alimentation à découpage, bien qu'ils aient une grande influence sur la durée de vie de l'alimentation. Si le condensateur d'entrée n'est pas sélectionné correctement, l'alimentation ne peut pas atteindre son rendement élevé réel. Les condensateurs de filtre d'entrée ne sont pas la principale source de perte de l'alimentation à découpage, bien qu'ils aient une grande influence sur la durée de vie de l'alimentation. Si le condensateur d'entrée n'est pas sélectionné correctement, l'alimentation ne peut pas atteindre son rendement élevé réel.

Chaque condensateur a une petite résistance et une inductance en série avec le condensateur. La résistance série équivalente (ESR) et l'inductance série équivalente (ESL) sont des éléments parasites provoqués par la structure du condensateur, et ils empêchent tous deux l'application du signal externe au condensateur interne. Par conséquent, le condensateur a les meilleures performances lorsqu'il fonctionne en courant continu, mais ses performances seront bien pires à la fréquence de commutation de l'alimentation.

Le condensateur d'entrée est la seule source (ou lieu de stockage) de courant haute fréquence généré par l'interrupteur d'alimentation ou le redresseur de sortie, de sorte que le courant circulant à travers l'ESR de ces condensateurs peut être raisonnablement déterminé en observant ces formes d'onde de courant. Ce courant génère inévitablement de la chaleur dans le condensateur. La tâche principale de la conception du condensateur de filtrage est de garantir que la chaleur interne du condensateur est suffisamment faible pour assurer la durée de vie du produit. L'équation (4) donne la formule de calcul de la perte de puissance causée par l'ESR du condensateur.

Non seulement la partie résistance du modèle de condensateur posera des problèmes, mais aussi si les fils conducteurs des condensateurs parallèles sont asymétriques, l'inductance du fil conducteur déséquilibrera le chauffage interne du condensateur, raccourcissant ainsi la durée de vie du condensateur avec la température la plus élevée. .

perte supplémentaire

La perte supplémentaire est liée à tous les dispositifs fonctionnels nécessaires au fonctionnement du circuit de puissance, y compris les circuits liés au circuit intégré de commande et aux circuits de rétroaction. Par rapport aux autres pertes d'alimentation, ces pertes sont généralement faibles, mais certaines analyses peuvent être effectuées pour voir s'il existe une possibilité d'amélioration. La perte supplémentaire est liée à tous les dispositifs fonctionnels nécessaires au fonctionnement du circuit d'alimentation, y compris les circuits. liés au circuit intégré de contrôle et aux circuits de rétroaction. Par rapport à d'autres pertes d'alimentation électrique, ces pertes sont généralement faibles, mais certaines analyses peuvent être effectuées pour voir s'il existe une possibilité d'amélioration.

Commencez par démarrer le circuit. Le circuit de démarrage obtient un courant continu à partir de la tension d'entrée, de sorte que le circuit intégré de commande et le circuit de commande disposent de suffisamment d'énergie pour démarrer l'alimentation. Si ce circuit de démarrage ne peut pas couper le courant après la mise sous tension, le circuit aura une perte continue allant jusqu'à 3 W, et la perte dépend de la tension d'entrée.

Le deuxième aspect principal est le circuit de commande de l’interrupteur d’alimentation. Si un transistor de puissance bipolaire est utilisé pour l'interrupteur de puissance, le courant de commande de base doit être supérieur au courant de crête du collecteur E du transistor divisé par le gain (hFE). Le gain typique du transistor de puissance est compris entre 5 et 15, ce qui signifie que s'il s'agit d'un courant de crête de 10 A, il nécessite un courant de base de 0.66 ~ 2 A. Il y a une chute de tension de 0.7 V entre la base et l'émetteur. Si le courant de base n’est pas obtenu à partir d’une tension très proche de 0.7 V, une perte importante se produira.

Le rendement de commande d'un MOSFET de puissance est supérieur à celui d'un transistor de puissance bipolaire. La grille d'un MOSFET possède deux condensateurs équivalents connectés au drain et à la source : le condensateur grille-source Ciss et le condensateur drain-source Crss. La perte de commande de grille d'un MOSFET provient de la charge du condensateur de grille par la tension auxiliaire lorsque le MOSFET est passant, et de sa décharge à la masse lorsque le MOSFET est bloqué. Le calcul de la perte de grille est donné par l'équation (5).

Pour cette perte, il n'y a pas grand chose à faire, si ce n'est de sélectionner des MOSFET avec des valeurs Ciss et Crss plus faibles, de sorte qu'il soit possible de réduire légèrement la tension maximale de pilotage de grille.

Pertes liées aux éléments magnétiques

Pour les ingénieurs de conception générale, cette partie est très compliquée. En raison de la particularité de la terminologie des éléments magnétiques, les pertes suivantes sont principalement représentées par les fabricants de noyaux magnétiques sous forme de tableaux très pratiques à utiliser. Ces pertes sont répertoriées ici, afin que les gens puissent en évaluer la nature.

Il existe trois pertes principales liées aux transformateurs et aux inductances : la perte par hystérésis, la perte par courants de Foucault et la perte par résistance. Ces pertes peuvent être contrôlées lors de la conception et de la construction de transformateurs et d'inductances.

La perte d'hystérésis est liée au nombre de tours de bobinage et au mode de conduite. Il détermine la surface balayée dans la courbe BH à chaque cycle de travail. La zone balayée est le travail effectué par la force du champ magnétique, qui réorganise les domaines magnétiques dans le noyau magnétique. Plus la zone balayée est grande, plus la perte par hystérésis est importante. La perte est donnée par l'équation (6).

Comme le montre la formule, la perte est proportionnelle au quadratique de la fréquence de travail et à la densité de flux magnétique de travail maximale. Bien que cette perte ne soit pas aussi importante que la perte à l’intérieur de l’interrupteur d’alimentation et du redresseur, un traitement inapproprié deviendra également un problème. À 100 kHz, Bmax doit être réglé à 50 % de la densité de flux magnétique de saturation Bsat du matériau. À 500 kHz, Bmax doit être réglé à 25 % de la densité de flux magnétique de saturation Bsat du matériau. À 1 MHz, Bmax doit être réglé à 10 % de la densité de flux magnétique de saturation du matériau Bsat. Ceci est déterminé par les caractéristiques des matériaux ferromagnétiques des alimentations à découpage (3C8, etc.).

La perte par courants de Foucault est bien inférieure à la perte par hystérésis, mais elle augmente rapidement avec l'augmentation de la fréquence de fonctionnement, comme le montre l'équation (7).

Les courants de Foucault sont un courant circulant induit dans une large plage à l’intérieur du noyau magnétique dans un champ magnétique puissant. En général, les concepteurs ne disposent pas de beaucoup de moyens pour réduire cette perte. Les courants de Foucault sont un courant circulant induit dans une large plage à l'intérieur du noyau magnétique dans un champ magnétique puissant. En général, les concepteurs ne disposent pas de beaucoup de moyens pour réduire cette perte.

La perte de résistance est la perte causée par la résistance de l'enroulement interne du transformateur ou de l'inducteur. Il existe deux formes de perte de résistance : la perte de résistance CC et la perte de résistance par effet cutané. La perte de résistance CC est déterminée par le produit de la résistance du fil d'enroulement et du carré de la valeur efficace du courant qui le traverse. L'effet de peau est provoqué par le fort champ électromagnétique AC dans le conducteur, et le courant au centre du conducteur est poussé vers la surface du conducteur, ce qui augmente en fait la résistance du conducteur. Le courant circule dans une section plus petite, ce qui fait paraître le diamètre effectif du conducteur plus petit. L'équation (8) donne la formule de calcul de ces deux pertes en une seule expression.

L'inductance de fuite (représentée par une petite inductance connectée en série avec l'enroulement) fait fuir une partie du flux magnétique dans l'air et les matériaux environnants sans se verrouiller avec le noyau magnétique. Ses caractéristiques ne sont pas affectées par son transformateur ou son inductance associé, de sorte que l'impédance de réflexion de l'enroulement n'affecte pas les performances de l'inductance de fuite.

Les fuites poseront un problème car elles ne transmettent pas de puissance à la charge, mais génèrent de l'énergie oscillante dans les éléments environnants. Dans la conception structurelle du transformateur et de l'inducteur, l'inductance de fuite de l'enroulement doit être contrôlée. La valeur de l'inductance de fuite de chacun sera différente, mais elle peut être contrôlée jusqu'à une certaine valeur nominale.

Certaines règles générales pour réduire l'inductance de fuite des enroulements sont : l'allongement de la longueur de l'enroulement, le rapprochement du noyau magnétique, la technologie de couplage étroit entre les enroulements et un rapport de spires similaire (par exemple proche de L : 1). Pour le noyau EE couramment utilisé dans les convertisseurs DC-DC, l'inductance de fuite estimée est de 3 % à 5 % de l'inductance de l'enroulement. Dans un convertisseur hors ligne, l'inductance de fuite de l'enroulement primaire peut atteindre 12 % de l'inductance de l'enroulement, si le transformateur doit répondre à des règles de sécurité strictes. Le ruban utilisé pour isoler l’enroulement rendra l’enroulement plus court et le maintiendra éloigné du noyau magnétique et des autres enroulements.

On verra plus tard que la perte supplémentaire provoquée par l’inductance de fuite peut être utilisée.

Dans l’application d’un aimant à courant continu, il existe généralement un entrefer le long du circuit magnétique du noyau magnétique. Dans un noyau de ferrite, l'entrefer se trouve au milieu du noyau et le flux magnétique circule d'une extrémité du noyau à l'autre, bien que les lignes magnétiques s'étendent à partir du centre du noyau. L'existence d'un entrefer crée une zone de flux magnétique dense, ce qui provoquera un flux de courants de Foucault dans les pièces métalliques proches de la bobine ou de l'entrefer. Cette perte n’est généralement pas importante, mais elle est difficile à déterminer.

Aperçu des principaux paramètres parasites dans l'alimentation électrique

Les paramètres parasites sont des caractéristiques électriques inattendues des composants réels à l’intérieur du circuit. Ils stockent généralement de l'énergie et réagissent sur leurs propres composants pour produire du bruit et des pertes. C'est un grand défi pour les concepteurs que de distinguer, quantifier, réduire ou exploiter ces effets indésirables.

Dans le cas de la communication, les caractéristiques parasites sont plus évidentes. Il existe deux nœuds principaux avec une valeur CA élevée dans une alimentation à découpage typique, le premier est le collecteur ou le drain de l'interrupteur d'alimentation ; La seconde est l'anode du redresseur de sortie. Il faut se concentrer sur ces deux nœuds particuliers.

Principaux paramètres parasites dans le convertisseur

Toutes les alimentations à découpage présentent des paramètres parasites communs, dont l'influence est clairement visible en observant les formes d'onde des principaux nœuds CA du convertisseur. Certaines données des appareils, comme la capacité parasite des MOSFET, fournissent même ces paramètres. Les principaux paramètres parasites de deux convertisseurs courants sont présentés à la figure 3.

Certains paramètres parasites sont clairement définis, comme la capacité d'un MOSFET, tandis que d'autres paramètres parasites discrets peuvent être exprimés par des paramètres localisés, ce qui facilite la modélisation. Il est très difficile de déterminer les valeurs de paramètres parasites qui ne sont pas clairement définis, et elles sont généralement déterminées par une valeur empirique. Autrement dit, lors de la conception de commutateurs logiciels, le choix des composants doit être basé sur le principe de l'optimisation des résultats. Dans le schéma de circuit, il est essentiel de placer les éléments parasites aux bons endroits, car la branche électrique ne fonctionne que pendant une partie du temps de fonctionnement du convertisseur. Par exemple, la capacité de jonction du redresseur n'est importante que lorsque le redresseur est polarisé en sens inverse, mais disparaît lorsque la diode est polarisée en sens direct. Le tableau L répertorie quelques paramètres parasites faciles à déterminer, les composants qui les génèrent et la plage approximative de leurs valeurs. Certaines valeurs de paramètres parasites spécifiques peuvent être obtenues à partir des données de composants spécifiques.

L'influence des circuits imprimés (PCB) sur les paramètres parasites est omniprésente, et de bonnes règles de disposition des PCB peuvent minimiser ces influences.

Les lignes imprimées avec un courant de crête sont sensibles à l'inductance et à la capacité générées par toute ligne imprimée, ces lignes doivent donc être courtes et épaisses. Les joints de soudure de PCB avec haute tension CA, tels que le drain ou le collecteur d'un interrupteur d'alimentation ou l'anode d'un tube redresseur, permettent de générer facilement une capacité de couplage avec les lignes imprimées adjacentes, de sorte que le bruit CA soit couplé aux lignes imprimées adjacentes. Grâce à la connexion « via », le même signal peut circuler à travers les couches supérieure et inférieure du circuit imprimé du signal AC. L'influence d'autres paramètres parasites peut généralement être attribuée à des éléments parasites adjacents.

Connaître la nature des paramètres parasites sur chaque composant d'un convertisseur typique aidera à déterminer les paramètres des composants magnétiques, à concevoir le PCB, à concevoir le filtre EMI, etc. C'est la partie la plus difficile de toutes les conceptions d'alimentation à découpage.