Convertisseurs DC-DC

Pour alimenter divers équipements électroniques, les convertisseurs DC / DC sont très largement utilisés. Ils sont utilisés dans les appareils informatiques, les appareils de communication, divers circuits de contrôle et d'automatisation, etc.

Alimentations pour transformateur

Dans les alimentations traditionnelles à transformateur, la tension du réseau est convertie par un transformateur, le plus souvent abaissé, à la valeur souhaitée. Sous-tension redressé par un pont de diodes et lissé par un filtre à condensateur. Si nécessaire, un stabilisateur semi-conducteur est placé après le redresseur.

Les alimentations des transformateurs sont généralement équipées de stabilisateurs linéaires. Il y a au moins deux avantages de tels stabilisateurs: c'est un faible coût et un petit nombre de pièces dans le harnais. Mais ces avantages sont consommés par une faible efficacité, car une partie importante de la tension d'entrée est utilisée pour chauffer le transistor de commande, ce qui est totalement inacceptable pour alimenter des appareils électroniques portables.

Convertisseurs DC / DC

Si l'équipement est alimenté par des cellules galvaniques ou des batteries, la conversion de tension au niveau souhaité n'est possible qu'avec l'aide de convertisseurs DC / DC.

L'idée est assez simple: une tension constante est généralement convertie en tension alternative avec une fréquence de plusieurs dizaines voire des centaines de kilohertz, elle augmente (diminue), puis elle est redressée et alimentée à la charge. Ces convertisseurs sont souvent appelés impulsions.

Un exemple est le convertisseur boost de 1.5V à 5V, juste la tension de sortie d'un ordinateur USB. Un convertisseur de puissance similaire est vendu sur Aliexpress.

Fig. 1. Convertisseur 1,5 V / 5 V

Les convertisseurs d'impulsions sont bons en ce sens qu'ils ont un rendement élevé, dans les 60 à 90%. Un autre avantage des convertisseurs d'impulsions est une large gamme de tensions d'entrée: la tension d'entrée peut être inférieure à la tension de sortie ou bien supérieure. En général, les convertisseurs DC / DC peuvent être divisés en plusieurs groupes.

Classification des convertisseurs

Descendre ou abattre

La tension de sortie de ces convertisseurs est généralement inférieure à l'entrée: sans pertes spéciales pour chauffer le transistor de commande, vous pouvez obtenir une tension de quelques volts seulement à une tension d'entrée de 12 ... 50V. Le courant de sortie de ces convertisseurs dépend de la demande de la charge, qui à son tour détermine le circuit du convertisseur.

Un autre nom anglais pour le convertisseur buck chopper. Une des options pour traduire ce mot est un disjoncteur. Dans la littérature technique, le convertisseur abaisseur est parfois appelé «hacheur». Pour l'instant, souvenez-vous de ce terme.

Intensifier ou booster la terminologie anglaise

La tension de sortie de ces convertisseurs est supérieure à l'entrée. Par exemple, avec une tension d'entrée de 5 V, une sortie jusqu'à 30 V peut être obtenue; en outre, elle peut être régulée et stabilisée en continu. Les convertisseurs de boost sont souvent appelés boosters.

Convertisseurs universels - SEPIC

La tension de sortie de ces convertisseurs est maintenue à un niveau prédéterminé avec une tension d'entrée à la fois supérieure à l'entrée et inférieure. Recommandé dans les cas où la tension d'entrée peut varier considérablement. Par exemple, dans une voiture, la tension de la batterie peut varier entre 9 ... 14V, et vous voulez obtenir une tension stable de 12V.

Convertisseurs inverseurs - convertisseur inverseur

La fonction principale de ces convertisseurs est d'obtenir la tension de sortie de polarité inverse par rapport à la source d'alimentation. Très pratique dans les cas où une nutrition bipolaire est requise, par exemple pour alimenter l'ampli-op.

Tous ces convertisseurs peuvent être stabilisés ou non stabilisés, la tension de sortie peut être connectée galvaniquement à l'entrée ou avoir une isolation galvanique des tensions. Tout dépend de l'appareil spécifique dans lequel le convertisseur sera utilisé.

Afin de poursuivre la discussion sur les convertisseurs DC / DC, il faut au moins aborder la théorie.

Convertisseur abatteur - convertisseur type buck

Son diagramme fonctionnel est illustré dans la figure ci-dessous. Les flèches sur les fils indiquent la direction des courants.

Fig.2. Diagramme fonctionnel du stabilisateur hacheur

La tension d'entrée Uin est appliquée au filtre d'entrée - condensateur Cin. Le transistor VT est utilisé comme élément clé, il effectue une commutation de courant haute fréquence. Ça pourrait être Transistor à structure MOSFET, IGBT soit transistor bipolaire classique. En plus de ces détails, le circuit contient une diode de décharge VD et un filtre de sortie - LCout, à partir duquel la tension entre dans la charge Rн.

Il est facile de voir que la charge est connectée en série avec les éléments VT et L. Par conséquent, le circuit est cohérent. Comment se produit la sous-tension?

Modulation de largeur d'impulsion - PWM

Le circuit de commande génère des impulsions rectangulaires à fréquence ou période constante, ce qui est essentiellement la même chose. Ces impulsions sont illustrées à la figure 3.

Fig.3. Impulsions de contrôle

Ici, t est le temps d'impulsion, le transistor est ouvert, tp est le temps de pause et le transistor est fermé. Le rapport ti / T est appelé rapport cyclique, indiqué par la lettre D et est exprimé en %% ou simplement en chiffres. Par exemple, avec D égal à 50%, il s'avère que D = 0,5.

Ainsi, D peut varier de 0 à 1. Avec une valeur de D = 1, le transistor clé est dans un état de pleine conductivité, et à D = 0 dans un état de coupure, pour parler simplement, il est fermé. Il est facile de deviner qu'à D = 50% la tension de sortie sera égale à la moitié de l'entrée.

Il est bien évident que la régulation de la tension de sortie se produit du fait d'une variation de la largeur de l'impulsion de commande t et, en fait, d'une variation du coefficient D. Ce principe de régulation est appelé PWM à largeur d'impulsion modulée (PWM). Dans presque toutes les alimentations à découpage, c'est précisément avec l'aide de PWM que la tension de sortie est stabilisée.

Dans les schémas des figures 2 et 6, le PWM est «caché» dans les rectangles avec l'inscription «Circuit de commande», qui remplit certaines fonctions supplémentaires. Par exemple, il peut s'agir d'un démarrage en douceur de la tension de sortie, d'une mise en marche à distance ou d'une protection du convertisseur contre les courts-circuits.

En général, les convertisseurs étaient si largement utilisés que les entreprises produisant des composants électroniques se sont arrangées pour les contrôleurs PWM pour toutes les occasions. La gamme est si large que pour les énumérer, vous aurez besoin d'un livre entier. Par conséquent, il ne vient à l'esprit de personne d'assembler des convertisseurs sur des éléments discrets, ou comme on dit souvent sur "poudre libre".

De plus, des convertisseurs prêts à l'emploi de petite capacité peuvent être achetés chez Aliexpress ou Ebay pour un petit prix. Dans le même temps, pour une installation dans une conception amateur, il suffit de souder les fils d'entrée et de sortie à la carte et de définir la tension de sortie requise.

Mais revenons à notre figure 3. Dans ce cas, le coefficient D détermine combien de temps sera ouvert (phase 1) ou fermé (phase 2) transistor à clé. Pour ces deux phases, vous pouvez imaginer le schéma en deux figures. Les chiffres NE MONTRENT PAS les éléments qui ne sont pas utilisés dans cette phase.

Fig.4. Phase 1

Lorsque le transistor est ouvert, le courant provenant de la source d'alimentation (cellule galvanique, batterie, redresseur) traverse une inductance L, une charge Rн et un condensateur de charge Cout. Dans le même temps, un courant traverse la charge, le condensateur Cout et l'inductance L accumulent de l'énergie. Le courant iL augmente progressivement, l'effet de l'inductance de l'inducteur affecte. Cette phase est appelée pompage.

Une fois que la tension à la charge a atteint la valeur définie (déterminée par les paramètres du dispositif de commande), le transistor VT se ferme et le dispositif passe à la deuxième phase - la phase de décharge. Le transistor fermé sur la figure n'est pas du tout représenté, comme s'il n'existait pas. Mais cela signifie seulement que le transistor est fermé.

Fig.5. Phase 2

Lorsque le transistor VT est fermé, il n'y a pas de reconstitution d'énergie dans l'inductance, car la source d'alimentation est déconnectée. L'inductance L a tendance à empêcher un changement de l'amplitude et de la direction du courant (auto-induction) traversant l'enroulement de l'inductance.

Par conséquent, le courant ne peut pas s'arrêter instantanément et se ferme à travers le circuit de charge de diode. Pour cette raison, la diode VD est appelée bit. En règle générale, il s'agit d'une diode Schottky haute vitesse. Après la période de contrôle de la phase 2, le circuit passe à la phase 1, le processus est répété à nouveau. La tension maximale à la sortie du circuit considéré peut être égale à l'entrée, et pas plus. Pour obtenir une tension de sortie supérieure à la tension d'entrée, des convertisseurs boost sont utilisés.

Il convient de noter qu'en fait, tout n'est pas aussi simple qu'écrit ci-dessus: on suppose que tous les composants sont parfaits, c'est-à-dire la mise sous et hors tension se produit sans délai et la résistance active est nulle. Dans la fabrication pratique de tels schémas, de nombreuses nuances doivent être prises en compte, car beaucoup dépend de la qualité des composants utilisés et de la capacité parasite de l'installation. Seulement sur un détail aussi simple qu'un accélérateur (enfin, juste une bobine de fil!), Vous pouvez écrire plus d'un article.

Pour l'instant, il suffit de rappeler la valeur d'inductance elle-même, qui détermine deux modes de fonctionnement du hacheur. Avec une inductance insuffisante, le convertisseur fonctionnera en mode courant discontinu, ce qui est totalement inacceptable pour les sources d'alimentation.

Si l'inductance est suffisamment grande, alors le travail se déroule en mode courant continu, ce qui permet d'utiliser les filtres de sortie pour obtenir une tension constante avec un niveau d'ondulation acceptable. En mode courant continu, les convertisseurs élévateurs fonctionnent également, ce qui sera décrit ci-dessous.

Pour une certaine augmentation de l'efficacité, la diode de décharge VD est remplacée par un transistor MOSFET, qui est ouvert au bon moment par le circuit de commande. Ces convertisseurs sont appelés synchrones. Leur utilisation est justifiée si la puissance du convertisseur est suffisamment importante.

Convertisseurs boost ou boost boost

Les convertisseurs élévateurs sont principalement utilisés pour l'alimentation basse tension, par exemple, de deux à trois batteries, et certains composants nécessitent 12 ... 15 V avec une faible consommation de courant. Très souvent, le convertisseur de boost est brièvement et clairement appelé le mot "booster".

Fig.6. Schéma fonctionnel du convertisseur boost

La tension d'entrée Uin est appliquée au filtre d'entrée Cin et appliquée à la série connectée inducteur L et transistor de commutation VT. Une diode VD est connectée au point de connexion de la bobine et du drain du transistor. Une charge Rн et un condensateur shunt Cout sont connectés à l'autre borne de la diode.

Le transistor VT est commandé par un circuit de commande qui génère un signal de commande de fréquence stable avec un rapport cyclique réglable D, de la même manière que décrit ci-dessus dans la description du circuit hacheur (Fig. 3). La diode VD au bon moment bloque la charge du transistor clé.

Lorsque le transistor à clé est ouvert, la sortie droite de la bobine L est connectée au pôle négatif de l'alimentation Uin. Le courant ascendant (l'effet de l'inductance affecte) de la source d'alimentation traverse la bobine et un transistor ouvert, l'énergie est accumulée dans la bobine.

À ce moment, la diode VD bloque la charge et le condensateur de sortie du circuit de clé, empêchant ainsi la décharge du condensateur de sortie à travers un transistor ouvert. La charge à ce moment est alimentée par l'énergie stockée dans le condensateur Cout. Naturellement, la tension aux bornes du condensateur de sortie chute.

Dès que la tension de sortie devient légèrement inférieure à celle spécifiée (déterminée par les réglages du circuit de commande), le transistor clé VT se ferme, et l'énergie stockée dans l'inductance recharge le condensateur Cout à travers la diode VD, qui alimente la charge. Dans ce cas, l'auto-induction EMF de la bobine L est ajoutée à la tension d'entrée et transférée à la charge, par conséquent, la tension de sortie est supérieure à la tension d'entrée.

Lorsque la tension de sortie atteint le niveau de stabilisation défini, le circuit de commande ouvre le transistor VT et le processus est répété à partir de la phase de stockage d'énergie.

Convertisseurs universels - SEPIC (convertisseur inductance primaire asymétrique ou convertisseur à inductance primaire à charge asymétrique).

De tels convertisseurs sont utilisés principalement lorsque la charge est de faible puissance et que la tension d'entrée change plus ou moins par rapport à la sortie.

Fig.7. Schéma fonctionnel du convertisseur SEPIC

Il est très similaire au circuit du convertisseur élévateur illustré sur la figure 6, mais possède des éléments supplémentaires: le condensateur C1 et la bobine L2. Ce sont ces éléments qui assurent le fonctionnement du convertisseur en mode de sous-tension.

Les convertisseurs SEPIC sont utilisés dans les cas où la tension d'entrée varie considérablement. Un exemple est le régulateur de convertisseur élévateur / abaisseur de tension Boost Buck de 4V-35V à 1,23V-32V. C'est sous ce nom qu'un convertisseur est vendu dans les magasins chinois, dont le circuit est illustré à la figure 8 (cliquez sur l'image pour l'agrandir).

Fig.8. Schéma de principe du convertisseur SEPIC

La figure 9 montre l'apparence de la planche avec la désignation des principaux éléments.

Fig.9. Apparence du convertisseur SEPIC

La figure montre les pièces principales conformément à la figure 7. Vous devez faire attention à la présence de deux bobines L1 L2. Sur la base de cette fonctionnalité, il peut être déterminé qu'il s'agit précisément du convertisseur SEPIC.

La tension d'entrée de la carte peut être comprise entre 4 et 35 V. Dans ce cas, la tension de sortie peut être réglée entre 1,23 et 32 ​​V. La fréquence de fonctionnement du convertisseur est de 500 KHz. Avec une petite taille de 50 x 25 x 12 mm, la carte fournit une puissance allant jusqu'à 25 watts. Courant de sortie maximum jusqu'à 3A.

Mais ici, une remarque doit être faite. Si la tension de sortie est réglée sur 10 V, le courant de sortie ne peut pas être supérieur à 2,5 A (25 W). Avec une tension de sortie de 5V et un courant maximum de 3A, la puissance ne sera que de 15W. L'essentiel ici n'est pas d'en faire trop: soit ne pas dépasser la puissance maximale admissible, soit ne pas dépasser le courant admissible.

Voir aussi: Alimentations à découpage - principe de fonctionnement

Boris Aladyshkin