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Oct 17, 2023

Élimine le besoin d'un MCU (et d'un codage) dans les alimentations AC/DC hautement efficaces

JON HARPER | L'alimentation Onsemi Grid est en courant alternatif pour de nombreuses bonnes raisons, mais presque tous les appareils nécessitent une alimentation en courant continu pour fonctionner. Cela signifie que les alimentations AC-DC sont utilisées presque partout et, à une époque de

JON HARPER | Onsémie

L’alimentation du réseau est en courant alternatif pour de nombreuses bonnes raisons, mais presque tous les appareils nécessitent une alimentation en courant continu pour fonctionner. Cela signifie que les alimentations AC-DC sont utilisées presque partout et, à une époque de prise de conscience environnementale et de hausse des coûts énergétiques, leur efficacité est essentielle pour contrôler les coûts d’exploitation et utiliser l’énergie judicieusement.

En termes simples, l’efficacité est le rapport entre la puissance d’entrée et la puissance de sortie. Cependant, le facteur de puissance d'entrée (PF) doit être pris en compte – il s'agit du rapport entre la puissance utile (réelle) et la puissance totale (apparente) de tout appareil alimenté en courant alternatif – y compris les alimentations.

Avec une charge purement résistive, le PF sera de 1,00 (« unité ») mais une charge réactive diminuera le PF à mesure que la puissance apparente augmente, conduisant à une efficacité réduite. Un PF inférieur à l'unité résulte d'une tension et d'un courant déphasés, d'un contenu harmonique important ou d'une forme d'onde de courant déformée – courant dans les charges électroniques discontinues telles que les alimentations à découpage (SMPS).

Compte tenu de l'impact sur l'efficacité d'un faible PF, lorsque les niveaux de puissance sont supérieurs à 70 W, la législation exige que les concepteurs intègrent des circuits qui corrigeront le PF à une valeur proche de l'unité. Souvent, la correction active PF (PFC) utilise un convertisseur élévateur qui convertit le secteur redressé en un niveau DC élevé. Ce rail est ensuite régulé à l'aide d'une modulation de largeur d'impulsion (PWM) ou d'autres techniques.

Cette approche fonctionne généralement et est simple à déployer. Cependant, les exigences d'efficacité modernes telles que la norme exigeante « 80+ Titanium standard » stipulent l'efficacité sur une large plage de puissance de fonctionnement, exigeant des efficacités maximales de 96 % à mi-charge. Cela signifie que la rectification de ligne et l'étage PFC doivent atteindre 98 %, car le PWM DC-DC suivant perdra encore 2 %. Y parvenir est très difficile en raison des pertes dans les diodes du pont redresseur.

Le remplacement de la diode boost par un redresseur synchrone est utile et les deux diodes de redressement de ligne peuvent être remplacées de la même manière, ce qui améliore encore l'efficacité. Cette topologie est appelée totem pole PFC (TPPFC) et, en théorie, avec une inductance idéale et des interrupteurs parfaits, le rendement approchera les 100 %. Alors que les MOSFET au silicium offrent de bonnes performances, les dispositifs à large bande interdite (WBG) offrent des performances bien plus proches des performances « idéales ».

À mesure que les concepteurs augmentent la fréquence pour réduire la taille des composants magnétiques, les pertes dynamiques dans les dispositifs de commutation augmenteront également. Comme ces pertes peuvent être importantes avec les MOSFET au silicium, les concepteurs se tournent vers les matériaux WBG, notamment le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), en particulier pour les applications TPPFC.

Le mode de conduction critique (CrM) est généralement l'approche privilégiée pour les conceptions TPPFC à des niveaux de puissance allant jusqu'à quelques centaines de watts, équilibrant l'efficacité et les performances EMI. Dans les conceptions kilowatts, le mode de conduction continue (CCM) réduit encore davantage le courant efficace dans les commutateurs, réduisant ainsi la perte de conduction.

Même CrM peut constater une baisse d'efficacité de près de 10 % à des charges légères, ce qui constitue un obstacle à l'atteinte du « Titane 80 Plus ». Le serrage (« repliage ») de la fréquence maximale force le circuit en DCM à des charges légères, réduisant ainsi considérablement les courants de pointe.

Avec quatre dispositifs actifs à piloter de manière synchrone et la nécessité de détecter le passage par zéro du courant de l'inducteur pour forcer le CrM, la conception des TPPFC peut être loin d'être triviale. De plus, le circuit doit entrer/sortir du DCM tout en maintenant un facteur de puissance élevé et en générant un signal PWM pour réguler la sortie – ainsi qu'en fournissant une protection du circuit (telle que les surintensités et les surtensions).

La manière évidente de résoudre ces complexités consiste à déployer un microcontrôleur (MCU) pour les algorithmes de contrôle. Cependant, cela nécessite la génération et le débogage du code, ce qui ajoute des efforts et des risques importants à la conception.

Cependant, un codage fastidieux peut être évité en utilisant une solution de contrôle TPPFC entièrement intégrée. Ces dispositifs offrent plusieurs avantages, notamment des performances élevées, un temps de conception plus rapide et un risque de conception réduit, car ils éliminent le besoin d'implémenter un MCU et le code associé.