En matière de conception électronique, le mot d'ordre est aujourd'hui la miniaturisation. L'objectif est d'obtenir autant de fonctionnalités dans le moins d'espace possible. Dans une alimentation électrique moderne à découpage, les inducteurs et les condensateurs obligatoires au filtrage prennent plus de place que toute autre pièce de l'appareil. Les valeurs appropriées et par conséquent les tailles de ces composants passifs sont inversement proportionnelles à la fréquence de commutation employée. Une vitesse de commutation plus élevée constitue donc la meilleure manière d'atteindre l'objectif de réduction de taille des composants et de gain de place.
Le fait qu'il soit possible d'utiliser des inducteurs à air plutôt qu'à cœur métallique est un avantage corollaire. Le résultat ne se limité pas à réduire les pertes liées aux inducteurs à cœur métallique : le périphérique est également beaucoup moins cher et beaucoup plus facile à fabriquer. En outre, en raison de valeurs recherchées relativement faibles au niveau du condensateur, l'utilisation de condensateurs électrolytiques problématiques n'est souvent pas nécessaire.
Pertes au niveau de l'interrupteur
L'utilisation d'une fréquence de commutation plus élevée entraîne un problème inhérent ; il s'agit des pertes dans l'interrupteur du MOSFET lui-même. Elles sont la conséquence, en grande partie, des capacitances internes qui résident inévitablement dans le semiconducteur du MOSFET lui-même. Ces pertes sont souvent décrites comme étant la conséquence du « stress » sur l'interrupteur. Malheureusement, cet effet augmente avec la fréquence ; chaque fois que l'interrupteur est basculé, une perte de puissance se produit. Il est possible d'améliorer certains effets (en particulier EMI et RFI) en utilisant des circuits appelés amortisseurs. Toutefois, l'efficacité globale en souffre. Au final, les interrupteurs de modulation de fréquence (PWM) sont efficacement limités à une fréquence de 1 MHz environ. D'un autre côté, les convertisseurs résonnants peuvent fonctionner à des fréquences dans la plage VHF, de 100 MHz et plus.
Commutation douce
La conversion de résonnance ou commutation douce est une manière de faire face aux pertes au niveau de l'interrupteur. La stratégie en appelle à l'interrupteur du MOSFET pour effectuer la transition lorsqu'il est aussi proche que possible d'un besoin de « zéro tension et zéro courant » (ZVZC) pour le franchir de manière transversale. Pour ce faire, il est nécessaire de réaliser un circuit de contrôle très complexe. Pour l'implémentation, une solution plus simple et plus facile consiste à effectuer la commutation au point « zéro courant » (ZCS) ou « zéro tension » (ZVS). L'un des inconvénients du point ZVS est que les pertes ne diminuent pas proportionnellement à la charge de sortie. D'un autre côté, le point ZCS est généralement limité à la plus haute fréquence à laquelle il peut fonctionner. C'est sans surprise que le point ZVS retient le plus d'attention comme solution d'implémentation d'une conversion résonnante à très haute fréquence.
Les implémentations sont plutôt complexes, mais le concept de base est plus facile à illustrer. Dans les deux schémas, S représente l'interrupteur du semiconducteur. La figure de gauche montre l'interrupteur résonnant du mode du courant, alors que celle de droite montre le mode de tension.
En mode de courant, c'est la fermeture de l'interrupteur qui entraîne l'action de résonnance et qui garantit le point « zéro courant » (ZCS) lorsque l'interrupteur effectue la mise sous tension. Lors de la commutation de résonnance en mode tension, le condensateur résonnant est directement connecté en parallèle à l'interrupteur, ce qui garantit une commutation « zéro tension ».
Plutôt que de régler le cycle de travail pour contrôler la tension de sortie, comme le font les interrupteurs PWM de nos jours, les convertisseurs résonnants s'appuient souvent sur le contrôle du mode « burst » (rafale) ; le cycle de travail et la fréquence de fonctionnement demeurent constants. En appliquant cette méthode, le périphérique est mis sous tension et hors tension pour conserver la tension de sortie souhaitée. La commutation se produit à une tension bien plus faible que la vitesse VHF à laquelle le périphérique fonctionne en interne. Le concept est illustré ci-dessous.
Lorsque la sortie excède la valeur demandée, le périphérique se met hors tension et la charge est alimentée par Cout. Lorsqu'elle chute suffisamment, le convertisseur se remet sous tension. Plus le convertisseur est mis sous tension et hors tension souvent, plus l'efficacité globale du fonctionnement en pâtit. Plus le condensateur est grand, plus il peut supporter une charge importante, ce qui réduit la fréquence des commutations. Cela représente un véritable arbitrage en matière de conception : il faut choisir entre gros condensateur et petit condensateur, ce qui revient à choisir respectivement entre efficacité élevée et faible efficacité.
Éléments à prendre en compte en matière de conception
Les convertisseurs élévateurs sont des convertisseurs CC/CC qui renvoient une tension de sortie plus élevée que la tension d'entrée appliquée. L'article « Topologies pour les appareils à conversion de puissance » décrit des convertisseurs élévateurs SMPS classiques fonctionnant à des vitesses relativement faibles. Un schéma de la section d'alimentation d'un convertisseur élévateur expérimental fonctionnant à 75 MHz se trouve ci-dessous.
Dans l'exemple ci-dessus, le point ZVS est atteint en choisissant avec soin Lf, Lr, Ce et Cr, de sorte que lorsque l'interrupteur MOSFET s'ouvre, la tension sur le drain et la source du périphérique augmente, puis chute à nouveau à zéro à mi-chemin d'une période de commutation. Cette conception dépend à la fois d'un cycle de travail fixe et d'une fréquence de commutation fixe.
Il est également souhaitable que la tension ne soit pas uniquement de zéro au niveau de l'interrupteur lorsqu'il se met hors tension : sa dérivée par rapport au temps doit également être de zéro. C'est ce qui s'appelle une commutation de classe E. Cela constitue un objectif extrêmement important dans une conception, car le stress réduit au niveau du semiconducteur de commutation traduit, à nouveau, un niveau plus faible de radiations électromagnétiques.
De nombreuses autres méthodes sont en cours de développement. Dans l'une d'elles, des inducteurs et des condensateurs sont ajoutés à l'onduleur pour résonner avec les harmoniques de la fréquence de commutation fixe, de manière à former la tension entre drain et source à des moments importants pour réduire le stress de l'interrupteur. Dans tous les cas, puisque la tension de sortie est contrôlée essentiellement par la mise sous tension et hors tension du périphérique plusieurs fois par seconde, il est important de prendre en compte le fait qu'une telle conception doit être capable d'atteindre une sortie d'état constant en aussi peu de cycles que possible. Pour améliorer la stabilité, il est convient de positionner le redresseur de convertisseur aussi près que possible de la résistance de l'onduleur.
L'efficacité principale des périphériques de conversion de résonnance VHF n'est pas plus importante que celle permise par les SMPS classiques. Ils sont intéressants par leur plus petite taille, ainsi qui par leurs EMI et RFI beaucoup plus faibles, ce qui peut être essentiel dans bien des applications. Si vous effectuez une recherche rapide sur le Web sur ce sujet, vous ne trouverez pour le moment que des articles de recherches académiques qui indiquent que ces types de périphériques n'en sont qu'à leur début et que la commercialisation n'est pas encore d'actualité.