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Mis à jour le 16/05/2019

Convertissez l'énergie électrique prélevée sur le secteur

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Problématique de l’isolation galvanique

Dans le circuit ci-dessous, l’isolation galvanique est réalisée par un transformateur magnétique.

Schéma d'un bloc secteur typique avec l'isolation galvanique
Schéma d'un bloc secteur typique avec l'isolation galvanique.

En effet, la partie amont du circuit est liée à la tension secteur, c’est-à-dire 220 V efficace. Aussi, la tension continue de 400 V est obtenue entre deux potentiels qui fluctuent autour de la tension alternative, si on observe ces potentiels par rapport au potentiel de terre.

Dans les exemples de produits commerciaux, le transformateur magnétique est visible. Sa taille et sa forme peuvent varier en fonction de la puissance électrique qui doit transiter entre les parties isolées, ou bien du facteur de forme final du produit.

Présence d'un transformateur d'isolement dans divers alimentation électrique
Présence d'un transformateur d'isolement dans diverses alimentations électriques.

Dans la figure ci-dessus, un transformateur est réalisé autour d’une forme en matériau magnétique, par exemple un E ou une toroïde, sur laquelle sont bobinées deux couches indépendantes de conducteurs électriques, qu’on appelle des bobinages.

Principe du chemin de conversion

Le circuit typique d’alimentation secteur va permettre d’illustrer le principe de l’analyse du cheminement de l’énergie au sein du convertisseur de tension. En effet, les composants à semi-conducteur vont orienter ce flux d’énergie électrique en fonction de certaines conditions.

Comme on peut le remarquer sur l'exemple simple ci-dessous, le transistor T1 sera soit conducteur, c’est-à-dire qu’il autorisera le passage du courant dans la branche où il se trouve, ou bien il sera bloqué et il interdira le passage du courant. Ces conditions se répètent généralement dans le temps.

Le circuit d'entrée du convertisseur
Le circuit d'entrée du convertisseur.

Aussi, on associe une période de récurrence dans le fonctionnement des circuits de conversion.

Comme on peut le voir sur la figure suivante, le redressement par le pont de diode touche les deux alternances, positive et négative, de la tension d’entrée, par rapport au potentiel de terre ; c’est-à-dire la courbe rouge sur le graphe. La tension de sortie est continue, avec une légère ondulation qui dépend du courant prélevé sur la sortie par rapport à la valeur du condensateur de filtrage. Il s’agit de la courbe bleue.

Principe du circuit redresseur
Principe du circuit redresseur.

La simulation permet d’évaluer la puissance en entrée ainsi qu'en sortie, et de calculer le rendement énergétique. Les formes d’onde permettent de choisir convenablement les composants.

Formes d'onde sur l'étage régulateur du circuit de conversion
Formes d'onde sur l'étage régulateur du circuit de conversion.

Le correcteur de facteur de puissance va appeler du courant sur l’étage de redressement et, en remontant le chemin de conversion, on trouvera la forme du courant prélevé sur le secteur alternatif.

Si la commande du transistor  Q0 est une forme simple, on obtient dans l’inductance L0, un courant de forme triangulaire, dont la fréquence est ici de 20 kHz. Ceci n’est pas la forme recherchée ; il faudra donc commander le transistor Q0  de manière plus précise. C’est tout l’objet de la régulation du fonctionnement d’un circuit de conversion.

En poursuivant l’étude sur l’aval du circuit, l’analyse permet de vérifier que la tension de 5 V peut être correctement obtenue (courbe bleue). Pour autant, l’analyse du chemin de conversion permet aussi d’observer les grandeurs électriques vis-à-vis du dimensionnement des composants.

Formes d'onde des différents grandeurs électriques, notamment en entrée et en sortie du circuit
Formes d'onde des différentes grandeurs électriques, notamment en entrée et en sortie du circuit redresseur.

Ainsi, la courbe rouge correspond au courant dans le primaire du transformateur. L’amplitude de ce courant est élevée, ce qui est synonyme de pertes électriques.

Ceci ne pourra s’obtenir qu’avec un bobinage plus important, autrement dit un volume ou une surface plus importants. Ce type de compromis constitue l’objectif du travail de conception des convertisseurs statiques de tension.

Simulation d’une alimentation simple, mise en évidence du rendement énergétique

Vous souhaitez réaliser le circuit d’une alimentation 3,3 V à partir d’une source de tension continue 12 V, et en conservant une isolation galvanique. Le convertisseur le plus approprié et qui regroupe le moins de composants est la structure dite Flyback, présentée sur la figure suivante :

Schéma de principe d'un convertisseur de type
Schéma de principe d'un convertisseur de type "Flyback".

Vous allez simuler le circuit vis-à-vis de son principe de fonctionnement, jusqu’à une évaluation crédible de son rendement. L’interrupteur S1 est un transistor MOSFET qui pilote le courant dans l’inductance L1 . Quand le transistor est bloqué, l’énergie magnétique est transférée à l’inductance L2 .

Plus le transistor est fermé longtemps, plus le courant dans L1 augmente, et une plus grande quantité d’énergie magnétique est transférée au secondaire. Cette énergie provoque la tension de sortie, en fonction du rapport de nombres de tours dans les bobinages de L1  et L2 .

Du fait de différents éléments de perte énergétique dans le circuit, la tension de sortie va largement dépendre du courant de sortie. Celui-ci varie en fonction du consommateur qui est branché à l’alimentation.

Aussi, la mesure de la tension de sortie est fournie au circuit de contrôle pour mettre en œuvre une régulation de la tension de sortie.

La régulation consiste à ajuster en permanence la durée de conduction de l’interrupteur S1 , c’est-à-dire la part α.Tswitching, où Tswitching  est la période de fonctionnement, dite de découpage. Vous allez maintenant simuler le principe de fonctionnement :

  •  saisissez-vous du logiciel LTSpice, il est gratuit. Ce programme dispose d’une interface graphique, assez intuitive, et d’un moteur de calcul numérique directement hérité du fameux logiciel SPICE. D’ailleurs, les ordres précisant le type de simulation, ou bien certains modèles de composants, seront directement écrits avec la syntaxe dite SPICE ;

  • placez deux inductances de bobinage de valeurs respectives 900µH et 100µH. L’information de couplage magnétique parfait est introduite par une directive SPICE. Utilisez la commande Draft->SPICE directive ;

  • vous arrangerez la feuille à votre goût en utilisant les commandes « Edit->Move ». Vous pouvez saisir du texte explicatif par la commande « Draft -> Comment Text » ;

  • saisissez le reste des éléments du circuit ; à savoir un composant « voltage » pour figurer la tension 12 V à l’entrée, la diode au secondaire, le condensateur de filtrage et une résistance qui représentera le consommateur connecté à la sortie de l’alimentation ;

  • l’interrupteur idéal nécessite un modèle que vous insérez avec une autre directive Spice. Cette directive décrit que l’interrupteur présente une résistance à l’état passant de 10 mW, et 1 MW à l’état bloqué. Il deviendra conducteur quand la tension de pilotage dépassera 0,5 V. Il se bloquera quand la tension de pilotage passera sous la valeur de 0,1 V.

Introduction d'un interrupteur idéal sur la feuille de simulation
Introduction d'un interrupteur idéal sur la feuille de simulation.

L’interrupteur est piloté par une source de tension idéale de type impulsionnel récurrent. Pour agir facilement sur la durée de conduction de l’interrupteur, vous introduisez un paramètre avec une directive Spice, par exemple Duty, avec une valeur de 18 µs. L’utilisation du paramètre à la place d’un chiffre utilise des parenthèses.

La simulation exige de référencer le potentiel de la partie secondaire du Flyback. Ensuite, en ajoutant la directive Spice de simulation transitoire, la page est prête à livrer des résultats. Lancez la simulation, et ajoutez des traces et des plans graphiques supplémentaires pour explorer la forme temporelle des différents signaux.

La simulation englobe le transitoire de démarrage du Flyback. Utilisez la fonction Zoom pour visualiser le régime établi. Vous vérifiez que votre architecture de conversion fonctionne.

Résultats de la simulation
Résultats de la simulation.

Vous vous rapprocherez du circuit réel en introduisant petit à petit les non-idéalités, soit en choisissant directement le modèle de composants commerciaux, comme la diode Shottky, soit en introduisant des résistances représentatives des pertes énergétiques. La simulation vous montre alors que la tension de sortie chute en valeur par rapport au cas précédent, plus idéal. Il y a moins d’énergie transférée au consommateur.

Introduction de non linéarités et tracé des courbes pour évaluer les rendements
Introduction de non-linéarités, et tracé des courbes pour évaluer les rendements.

Pour évaluer le rendement énergétique, il suffit de calculer la puissance moyenne sur une période de 50 µs à l’entrée et à la sortie. En traçant graphiquement les puissances instantanées à l’entrée et à la sortie, à l’aide des formules géométriques sur les triangles, vous évaluez les 2 valeurs de puissance moyenne assez facilement. Le rendement énergétique est alors de 87,6 %.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite