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Techniques

Flyback haute puissance avec puissance de sortie supérieure à 150 W

Par Florian Mueller, Texas Instruments

Publication: 1er janvier

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Le convertisseur flyback est particulièrement intéressant : de toutes les topologies isolées, c’est la plus économique et celle qui requiert le plus petit nombre de composants...
 

Le contrôleur de commutation de vallée est couramment utilisé pour les conceptions flyback hors ligne. En effet, la tension inférieure lors de l’activation du MOSFET réduit les pertes de commutation. Cette topologie présente cependant un inconvénient majeur pour les applications à haute puissance : le contrôleur fonctionne toujours en mode de conduction discontinue (ou DCM pour « discontinuous conduction mode »). Les courants ondulés en entrée et en sortie sont donc très élevés, limitant la puissance de sortie maximale. Un flyback à haute puissance doit pouvoir fonctionner en mode de conduction continue (ou CCM pour « continuous conduction mode »). C’est le cas du modèle UCC28630 de Texas Instruments. De par sa capacité à fonctionner en modes CCM et DCM, il peut être utilisé pour une multitude d’applications, sur une large plage de puissance. L’UCC28630 utilise la réaction magnétique via l’enroulement de polarisation pour fermer la boucle de rétroaction. Les concepteurs peuvent ainsi contourner le photocoupleur et s’appuyer sur une solution particulièrement économique.

Cet article apporte des connaissances en matière de conception et inclut des conseils pratiques pour une optimisation efficace.

Avec des topologies flyback, la puissance de sortie maximale n’est pas seulement limitée par les courants de crête primaire et secondaire. Les pertes des composants de l’étage de puissance représentent également un facteur limitant. Au-delà du contrôleur, le transformateur représente le composant clé du circuit. Pour une conception de ce type, on utilise généralement un transformateur sur mesure. Celui-ci doit présenter d’excellentes caractéristiques, tant du point de vue de la fabrication que des spécifications. En effet, il contribue pour une large part aux pertes totales, c’est-à-dire aux pertes internes (pertes fer et cuivre) et externes (générées via l’inductance de fuite). La Figure 2 illustre une technique d’enroulement de transformateur à privilégier. L’enroulement primaire est divisé en deux demi-primaires encadrant tous les autres enroulements (méthode dite « en sandwich »). Cette technique assure un couplage correct des enroulements internes et réduit la fuite.

Minimisation des pertes externes du transformateur

Une inductance de fuite élevée peut être problématique. L’énergie stockée dans l’inductance de fuite doit être dissipée dans un circuit d’amortissement externe. Lorsque l’énergie est trop élevée, le circuit d’amortissement n’est plus en mesure de dissiper la chaleur. Pour les applications à haute puissance en particulier, il est essentiel de minimiser le rapport inductance primaire/inductance de fuite. Le flux magnétique n’assurant pas le couplage d’un enroulement aux autres, une inductance de fuite est générée. L’énergie de fuite est stockée dans les espaces entre les enroulements. Comment minimiser l’inductance de fuite ? La fuite dépend principalement de la géométrie de l’enroulement. On peut réduire l’inductance de fuite en utilisant une bobine plus grande ou en minimisant le nombre de couches ou le nombre de spires par enroulement. Les enroulements entrelacés offrent également une méthode très efficace pour réduire la fuite. Cependant, sachez que la minimisation de l’inductance de fuite accroît l’espace entre les enroulements, ce qui a pour effet d’augmenter la capacité interbobinage, donc les interférences électromagnétiques. Par conséquent, il y a un choix à faire entre faible inductance de fuite et faible capacité interbobinage. Pourquoi est-il préférable de maintenir une faible capacité interbobinage ? Très souvent, la masse secondaire est reliée à la terre. La tension de commutation sur la capacité interbobinage primaire-secondaire fait que le courant en mode commun circule du primaire au secondaire. Par conséquent, une capacité plus élevée accroît le courant en mode commun. Généralement, un filtre d’entrée plus imposant est nécessaire si le transformateur est optimisé pour une faible fuite et non pour une faible capacité interbobinage. Pour le concept PMP30092, deux filtres en mode commun sont utilisés pour réduire le bruit en mode commun résultant des capacités parasites à la terre. Pour résoudre le problème des interférences électromagnétiques, on peut également renforcer le blindage du transformateur ou utiliser une bobine d’annulation entre l’interface du primaire au secondaire, ce qui a pour effet évident d’accroître le coût du transformateur.

Minimisation des pertes internes du transformateur

Pour accroître le rendement du transformateur, il est essentiel de prévoir un diamètre de fil et un nombre de couches optimaux. En effet, les courants de Foucault induits dans les fils par l’effet de peau et l’effet de proximité augmentent la résistance CA. Notez qu’un diamètre trop réduit augmentera la résistance CC alors qu’un diamètre trop élevé augmentera la résistance CA. Les deux situations altéreront considérablement le rendement. L’équation de Dowell et l’équation de Bruce Carsten (plus précise) permettent de calculer le diamètre de fil optimal pour une fréquence de commutation et un nombre de couches spécifiques.

Tension de limitation du circuit d’amortissement

Généralement, un flyback doit utiliser un circuit d’amortissement pour limiter le dépassement de tension du noeud de commutation résultant de l’inductance de fuite. La résistance du circuit d’amortissement absorbe l’énergie stockée dans l’inductance de fuite. La tension de limitation doit faire l’objet d’une attention particulière. Une très faible tension de limitation ralentit la commutation du courant primaire vers le côté secondaire. Ainsi, la limitation augmente la perte d’énergie magnétisante. Pour éviter ce problème, la tension de limitation doit être environ 30 à 50 % supérieure à la tension réfléchie.

Couplage d’enroulement de polarisation correct

Un contrôleur de régulation côté primaire utilise l’enroulement de polarisation pour mesurer et réguler la tension de sortie. Un couplage d’enroulement de polarisation correct est donc essentiel. Pour cela, on a généralement recours à la structure d’enroulement « en sandwich » (Figure 2), le primaire étant divisé en deux demi-primaires encadrant tous les autres enroulements. L’entrelacement offre également l’avantage de réduire l’inductance de fuite de moitié environ.

Gestion thermique

Une conception haute puissance requiert une bonne gestion thermique. Pour atténuer le problème des interférences électromagnétiques, il est avantageux d’utiliser des composants montés en surface et de prévoir suffisamment de cuivre sur la carte pour assurer la dissipation thermique. Cependant, cette solution ne fonctionne plus dès lors que les pertes sont trop élevées. Si le dissipateur offre une solution efficace, il accroît les capacités parasites à la terre, aggravant le problème des interférences électromagnétiques.

Condensateurs d’entrée et de sortie

Comme évoqué plus haut, les ondulations d’entrée et de sortie d’un flyback haute puissance sont très élevées. Le courant discontinu génère une ondulation de courant alternatif élevée, qui peut surcharger les condensateurs d’entrée et de sortie. Pour éviter ce phénomène, il est fortement recommandé de calculer l’ondulation de courant alternatif maximale. Des condensateurs montés en parallèle doivent généralement être utilisés pour partager ce courant élevé.

Rendement à faible charge et réponse aux transitoires

Pour obtenir un bon rendement à faible charge, il est essentiel de recourir à un algorithme de contrôle intelligent. Notre contrôleur flyback haute puissance UCC2863x fonctionne dans plusieurs modes et peut ainsi prendre en charge tous les niveaux de consommation de façon efficace. Le dispositif ajuste le courant de crête et la fréquence de commutation entre 200 Hz et 120 kHz pour réguler la sortie. La fréquence de commutation effective sera réduite pour les besoins en puissance de sortie inférieurs. Ceci entraîne une fréquence de commutation très basse pour les charges faibles, donc un rendement à faible charge très élevé. Malheureusement, un flyback avec régulation côté primaire implique de faire un choix entre rendement à faible charge élevé et réponse rapide aux transitoires. Un régulateur primaire ne surveille pas la tension de sortie en permanence. Le contrôleur échantillonne la tension auxiliaire une fois par cycle de commutation pour contrôler la tension de sortie. Il opère « en aveugle » sur le reste de la période. La détection d’un transitoire de charge peut prendre toute la période, altérant la réponse aux transitoires pour les fréquences de commutation inférieures. Pour éviter ce problème inhérent au contrôleur de régulation côté primaire, Texas Instruments propose un moniteur d’activation secondaire (UCC24650), offrant une régulation transitoire rapide côté primaire. Il assure à la fois une réponse aux transitoires rapides, un bon rendement à faible charge et une faible consommation en veille.

Conclusion

Il est possible d’atteindre des niveaux de puissance de sortie supérieurs à 150 W avec un contrôleur flyback. Grâce à son algorithme de contrôle intelligent, l’UCC28630 permet de moduler l’amplitude et la fréquence en modes CCM et DCM et d’atteindre une puissance de sortie élevée. Le concept de référence PMP30092 de Texas Instruments, basé sur une topologie flyback, illustre cette capacité en atteignant une puissance de crête de 160 W. Pour atteindre ce niveau de puissance, il est essentiel d’optimiser correctement l’organisation de la carte, le circuit et le transformateur.

Tous les documents de conception (schémas, rapport de test, nomenclature et fichiers de topologie) peuvent être téléchargés à l’adresse suivante : http://www.ti.com/tool/pmp30092

http://www.ti.com/

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