Amélioration des performances de sortie des alimentations à découpage grâce au nouveau DBx Module

Introduction

Les alimentations à découpage constituent le pilier de l'industrie de la conversion d'énergie depuis plus de six décennies, résolvant certains des problèmes présentés par les technologies de traitement de puissance plus anciennes tout en en introduisant de nouveaux. À mesure que les semi-conducteurs de commutation continuent de s'améliorer — notamment avec l'utilisation de dispositifs à large bande interdite — les densités de puissance ont augmenté, accompagnées de rendements plus élevés. Une alimentation idéale présente une impédance de sortie nulle, zéro interférence électromagnétique (EMI), zéro ondulation de sortie, un contrôle continu, zéro dérive en température, un encombrement physique nul et un coût nul. Les alimentations linéaires produisent une tension continue sans commutation haute fréquence, présentent une ondulation de sortie extrêmement faible et peuvent fournir un contrôle analogique continu. Les alimentations linéaires contrôlent et dissipent la puissance à travers des dispositifs de puissance série, ce qui se rapproche davantage d'une source idéale, au prix de pertes de puissance nettement plus élevées. Néanmoins, les alimentations linéaires restent demandées, en particulier lorsque de meilleures performances de sortie sont nécessaires.

Les applications spécialisées requièrent la puissance élevée et les hauts rendements offerts par les alimentations à découpage, ainsi que les hautes performances des alimentations linéaires. Historiquement, les alimentations linéaires de plus forte puissance ont utilisé une topologie hybride combinant un pré-régulateur à thyristors et un régulateur linéaire. Les thyristors, du côté primaire du transformateur principal, limitent la chute de tension aux bornes du régulateur linéaire du côté secondaire. La commutation limitée en cycles des pré-régulateurs à thyristors restreint fortement la réponse transitoire de la conception. Le transformateur d'isolement 50/60 Hz nécessite un encombrement beaucoup plus important par rapport à ceux des alimentations à découpage. Cet article propose une autre technologie hybride qui comble mieux l'écart entre les alimentations à découpage et les alimentations linéaires pour offrir des performances de sortie améliorées à haute puissance.

Le concept de base

Une amélioration évidente du pré-régulateur à thyristors consiste à utiliser une alimentation à découpage avec ses composants magnétiques plus compacts et ses meilleurs temps de réponse transitoire ; ces améliorations se font au détriment d'une augmentation des EMI. Avec une commutation à fréquence plus élevée, l'ondulation à l'entrée du régulateur linéaire peut être minimisée en réduisant la tension aux bornes du dispositif de puissance série. L'ondulation typique de la tension de sortie des alimentations à découpage, pour une sortie de 1000 Vdc et moins, est inférieure à 0,5 Vrms. Un régulateur linéaire dans la plage de 1 volt aurait des rendements du même ordre qu'une alimentation à découpage standard. De plus, les EMI résultant du pré-régulateur à découpage devraient être efficacement filtrées.

Plutôt que de proposer un produit hyper-spécialisé pour ces applications, Magna-Power a choisi d'utiliser ses alimentations CC programmables à découpage standardisées avec un nouveau module complémentaire pour améliorer les spécifications de performance du produit, se rapprochant de celles des alimentations linéaires. Le nouveau produit s'appelle le DBx Module, illustré à la Figure 1, qui comprend un régulateur linéaire de sortie pour minimiser l'ondulation de sortie basse fréquence, des filtres EMI en mode différentiel et en mode commun, ainsi qu'un schéma de contrôle amélioré. Ce module complémentaire permet aux alimentations à découpage de haute puissance de se comporter davantage comme des alimentations linéaires de haute puissance. Le schéma de contrôle du DBx Module règle la sortie de l'alimentation à découpage à environ 1 Vdc au-dessus de la sortie souhaitée pour permettre au régulateur linéaire de minimiser l'ondulation de sortie basse fréquence.

Pour le contrôle en boucle fermée et — en supposant un système numérique — des convertisseurs numérique-analogique et analogique-numérique haute résolution sont nécessaires. Avec des convertisseurs 18 bits, une précision de point de consigne de 4 ppm est possible si les circuits analogiques environnants présentent une précision similaire. La précision est encore améliorée grâce à la stabilisation thermique qui maintient la tension de sortie régulée à moins de 25 ppm sur une plage raisonnable de température ambiante.

Le filtre de sortie

Les alimentations à découpage sont réputées pour générer des EMI. Les EMI différentielles ligne à ligne sont rayonnées par la commutation marche-arrêt des dispositifs de puissance et le flux de courants harmoniques haute fréquence à travers les impédances non idéales des condensateurs de sortie. Les EMI en mode commun, ligne à masse, sont produites par les courants circulant à travers l'interface des diodes de sortie et la capacité de masse du dissipateur thermique, ainsi que la capacité à la masse de l'enroulement de sortie du transformateur. Bien que les filtres de ligne d'entrée ne soient pas couramment utilisés aux sorties des alimentations, ce type de filtre peut néanmoins être efficace.

La Figure 2a et la Figure 2b illustrent le bruit différentiel et en mode commun typique émanant d'une alimentation CC de 6000 W. Certaines régions des balayages montrent des EMI produites, ce qui est typique pour les produits dans cette gamme de puissance. Bien que cela ne fasse pas habituellement partie des études EMI, il existe un niveau élevé de signaux proches du courant continu. Il s'agit d'une mesure de la tension d'ondulation de sortie en courant alternatif.

La Figure 3a et la Figure 3b illustrent le même montage d'essai, mais avec un DBx Module connecté. En comparant les deux séries de balayages, on observe une bande d'harmoniques en dessous de 1 MHz avec le DBx Module installé. Ces composantes spectrales résultent d'une alimentation à découpage utilisée dans le DBx Module pour alimenter les circuits de commande. Plus significative est l'amplitude des harmoniques basse fréquence constatée dans la configuration sans DBx Module installé. Cette réduction est le résultat de la tension d'ondulation de sortie qui sera abordée dans la section suivante.

Le Tableau 1 présente le filtre EMI du DBx Module en termes de perte d'insertion — une méthode courante pour évaluer les filtres EMI d'entrée.

Régulateur linéaire

Le principal défi de la conception du filtre de sortie est de supprimer les harmoniques basse fréquence. La tension d'ondulation de sortie peut descendre jusqu'à la fréquence du réseau électrique. Pour ces fréquences basses, les filtres LC passifs ne sont pas pratiques en raison de la taille des composants magnétiques requise à haute puissance. Un régulateur linéaire peut atténuer l'ondulation basse fréquence si l'on veille à maintenir une faible chute de tension continue aux bornes du semi-conducteur de puissance série.

La Figure 4 montre le schéma fonctionnel et les circuits associés d'un régulateur linéaire de 1,25 V. Comme illustré, le régulateur nécessite deux boucles de rétroaction : l'une pour maintenir une chute de tension continue de 1,25 V aux bornes du régulateur linéaire et la seconde pour produire une tension d'annulation d'ondulation alternative aux bornes du semi-conducteur de puissance série, égale et opposée à la tension d'ondulation alternative à l'entrée. L'ajout de quelques diodes connectées en série aux bornes du régulateur assure une protection contre les surtensions transitoires et les appels de courant — un point faible des régulateurs linéaires conventionnels.

Les figures 5a et 5b montrent l'atténuation typique de la tension d'ondulation sans et avec le régulateur linéaire du module DBx. On observe que la fréquence inférieure disparaît avec le déploiement du régulateur linéaire. Le module DBx réduit la tension d'ondulation de 55 mV à 3,2 mV, soit une atténuation de 24,7 dB.

Le contrôleur

L'obtention de performances précises et exactes nécessite des composants haut de gamme stabilisés en température au sein du circuit de contrôle en boucle fermée, à savoir : la référence de tension, les convertisseurs analogique-numérique haute résolution, le transducteur de courant à flux nul et les résistances à faible dérive thermique. Même avec des composants de pointe, un léger coefficient de température de 0,5 ppm/°C entraînera un écart de 12,5 ppm sur une plage de 25 °C. Pour réduire une telle variation de température, un compartiment à température contrôlée pour l'encapsulation des composants sensibles à la température est nécessaire. Le maintien des pièces critiques dans un ensemble compact et thermiquement proche accélère le temps nécessaire à la stabilisation de la température du compartiment ; sa variation ne doit pas dépasser 1 °C.

La figure 6 montre les connexions d'interface d'une alimentation MagnaDC avec un module DBx. La sortie de contrôle du module DBx alimente l'entrée analogique de l'alimentation. La sortie de puissance de l'alimentation alimente l'entrée CC du module DBx. La charge se connecte au bus de sortie CC du module DBx.

Pour les spécifications complètes de performance du système, consultez la page produit du module DBx.

Conclusion

Cet article décrit une nouvelle technologie hybride qui intègre les meilleures caractéristiques d'une alimentation à découpage avec celles d'une alimentation linéaire. L'alimentation à découpage régule environ 1 V au-dessus du point de consigne de sortie souhaité afin de maintenir une faible tension aux bornes du semi-conducteur série utilisé dans un régulateur linéaire. Le semi-conducteur série est contrôlé pour annuler l'ondulation de la tension de sortie générée par l'alimentation à découpage. Des filtres en sortie de l'alimentation réduisent les perturbations électromagnétiques générées par l'alimentation à découpage. Des composants haute performance stabilisés en température sont utilisés pour maintenir la sortie constante sur une large plage de températures. Le nouveau module en rack est conçu pour s'adapter aux alimentations à découpage standard.