Avez-vous besoin d'un convertisseur DC-DC entrelacé ?

Tous les concepteurs ne sont pas des ingénieurs en systèmes d'alimentation, mais il est toujours utile de connaître les différentes manières de construire des convertisseurs de puissance à haute efficacité. Cela inclut la conversion AC-DC et DC-DC, les onduleurs, les circuits de correction du facteur de puissance (PFC), et tout autre équipement pour la conversion de puissance et l'efficacité. Même si la plupart des concepteurs ne construiront peut-être pas d'alimentations électriques à partir de zéro, ils devront tout de même les sélectionner et comprendre comment les intégrer dans des systèmes plus larges, y compris des systèmes qui pourraient interagir avec le réseau électrique.

Avec l'accent récent mis sur l'énergie renouvelable et son intégration dans le réseau électrique existant, en particulier aux États-Unis, plus de concepteurs pourraient passer à une infrastructure intelligente et à l'électronique de puissance. La conversion de puissance est une partie importante de cette intégration, et les conceptions de convertisseurs de puissance avancées seront certainement très demandées à mesure que les réseaux électriques sont modernisés.

Un type important de convertisseur à découpage dont les concepteurs devraient être conscients est un convertisseur DC-DC entrelacé. Ce type de convertisseur utilise une idée simple pour assurer une conversion DC-DC à haute efficacité, mais il est unique en son adaptabilité aux conditions dans un réseau renouvelable, un véhicule avec plusieurs batteries, et des systèmes complexes avec des charges indépendantes. Ces convertisseurs peuvent être construits comme un grand système à partir de plusieurs étages de convertisseurs, mais il existe également de petits convertisseurs disponibles sous forme de circuits intégrés. Si vous décidez d'utiliser cette topologie de convertisseur dans votre prochain système, continuez à lire pour en apprendre davantage sur sa fonction et quelques meilleures pratiques pour la sélection des composants.

Qu'est-ce qu'un convertisseur DC-DC entrelacé ?

Un convertisseur DC-DC est normalement exploité avec une topologie spécifique lorsqu'il interagit avec une source DC d'entrée. L'entrée est passée à un convertisseur de 1ère étape, généralement pour abaisser la tension et la puissance de sortie vers un bus. Le convertisseur de 2ème étape prend de la puissance du bus de sortie de la 1ère étape, et il pourrait convertir vers le haut ou vers le bas selon les besoins dans cette section du PDN. Dans les conceptions que nous réalisons, nous utiliserons un convertisseur à découpage comme convertisseur de première étape, puis éventuellement un petit régulateur LDO IC pour abaisser à nouveau à des niveaux logiques inférieurs. Cela vous donne le type de topologie montré dans l'image ci-dessous :

Dans la topologie ci-dessus, nous avons un convertisseur simple entrée simple sortie (SISO), qui se connecte ensuite à un convertisseur SISO en aval, et ainsi de suite. Cela couvre généralement 2 ou 3 étapes pour abaisser la tension à divers niveaux logiques à partir d'une entrée DC régulée ou non régulée, et le bloc DC IN pourrait être alimenté par un pont de redresseurs.

Que se passe-t-il si nous avons plusieurs charges isolées, plusieurs sources, ou les deux ? C'est là que l'entrelacement intervient.

MIMO, MISO, ou SIMO avec entrelacement

L'entrelacement est une technique où plusieurs étapes de conversion sont utilisées avec une seule source d'alimentation pour alimenter plusieurs charges, avec plusieurs sources d'alimentation pour alimenter une seule charge, ou une combinaison de ces deux. Un convertisseur DC-DC entrelacé utilise plusieurs étages de conversion à découpage en parallèle connectés à un bus d'entrée et de sortie. Il existe trois topologies générales utilisées dans les convertisseurs DC-DC entrelacés :

• Entrée unique, sorties multiples (SIMO) : C'est probablement le type de convertisseur DC-DC entrelacé le plus courant. Une seule source fournit de l'énergie à plusieurs étages de conversion en parallèle sur un seul bus. Chaque étage de conversion alimente sa propre charge, qui peut être isolée galvaniquement des autres charges sur le bus de sortie.

• Entrées multiples, sortie unique (MISO) : C'est l'inverse d'un convertisseur DC-DC entrelacé SIMO. Ces convertisseurs fonctionnent avec plusieurs sources d'alimentation, où les sources d'alimentation sont généralement indépendantes les unes des autres et ne partagent pas le même bus d'entrée. Le bus de sortie est partagé en ce sens que tous les convertisseurs fournissent de l'énergie à une seule charge.

• Entrées multiples, sorties multiples (MIMO) : Ce sont probablement les convertisseurs DC-DC entrelacés les plus complexes, mais c'est le type standard de convertisseur utilisé dans un chargeur de batterie dans les panneaux solaires. Plusieurs sources sont entrelacées avec plusieurs étages de puissance, qui peuvent ensuite partager l'énergie pour plusieurs charges.

À partir de la liste ci-dessus, il y a deux situations claires où vous pourriez avoir besoin d'un convertisseur entrelacé. Premièrement, vous pourriez avoir besoin de tirer de l'énergie de plusieurs sources, chacune à une tension différente, et chacune nécessitant des facteurs d'élévation ou d'abaissement différents. Deuxièmement, vous pourriez avoir besoin d'alimenter plusieurs charges avec des impédances très différentes. Placer une charge à faible impédance sur le bus de sortie d'un convertisseur SISO peut amener le convertisseur à entrer en mode de conduction discontinu, mais isoler cette charge à son propre étage de conversion vous aide à éviter un fonctionnement discontinu pour toutes les autres charges.

L'objectif de l'entrelacement

Comme mentionné ci-dessus, il s'agit d'assurer le fonctionnement en mode de conduction continue, mais il y a plus que cela. Il existe des exemples de convertisseurs qui fonctionnent entièrement en mode discontinu. Le but principal de l'entrelacement est simple : réduire l'ondulation dans le courant délivré. Cela est réalisé en décalant les phases des signaux PWM de commutation, comme le montre l'exemple ci-dessous.

Dans cet exemple, nous avons 2 inducteurs égaux, et les signaux PWM envoyés aux MOSFETs de puissance dans chaque étape du convertisseur sont déphasés de 90 degrés (graphiques étiquetés Q1 et Q2). Ici, le courant total tiré dans le circuit et délivré à la sortie est la somme des courants dans les inducteurs de sortie. En ajoutant ces deux courbes dans le graphique du bas, nous pouvons voir comment le courant total aura une ondulation beaucoup plus faible par rapport à chacune des courbes prises individuellement.

À partir du graphique ci-dessus, vous pouvez déduire deux effets sur le courant tiré dans le convertisseur et fourni aux composants de charge :

• À l'entrée dans un convertisseur SIMO : La différence de phase dans le courant de l'inducteur fait que le courant total prélevé de la source devient plus lisse. Comme le courant total est divisé pour chaque sortie, le courant de chaque sortie a un facteur N de ondulation plus faible.

• À la sortie dans un convertisseur MISO : La différence de phase provoque maintenant que le courant délivré à votre charge unique ait une ondulation plus faible. Les courants individuels prélevés à l'entrée sont inférieurs d'un facteur N de ondulation plus faible.

Pour cette raison, ces systèmes sont parfois appelés « convertisseurs de puissance multiphases » car vous avez plusieurs étages utilisant des signaux PWM avec différentes phases. Ces signaux PWM peuvent être synchronisés à une horloge maîtresse, et une phase leur est ajoutée individuellement, éventuellement dans un pilote de porte PWM pour l'étage de commutation.

Correction du Facteur de Puissance

Si votre convertisseur doit se connecter à l'alimentation AC (soit comme source soit comme charge), vous travaillerez probablement avec un courant suffisamment élevé pour nécessiter un circuit de correction du facteur de puissance (PFC). Tout comme les convertisseurs DC-DC peuvent être conçus avec une topologie entrelacée, il en va de même pour la section PFC. En d'autres termes, un circuit PFC peut être appliqué à chaque étage du convertisseur, offrant un moyen simple d'éliminer la distorsion harmonique. Cela suivrait le schéma de bloc montré dans la section suivante.

Sélection des Composants pour les Convertisseurs DC-DC Entrelacés

Dans l'exemple ci-dessus, je n'ai pas montré de schéma de circuit spécifique car vous pouvez implémenter l'entrelacement avec n'importe laquelle des topologies de convertisseur à commutation standard. Juste comme un exemple, considérez le schéma de bloc ci-dessous. Il y a une section PFC qui peut accueillir plusieurs entrées, et la section PFC se connecte à plusieurs convertisseurs en sortie. Les sections de convertisseur peuvent être dans n'importe laquelle des topologies de régulateur à commutation standard et pilotées avec un pilote/contrôleur PWM typique. Des exemples de certains composants PFC/contrôleur multicanal seront montrés dans la section suivante.

À ce jour, il n'existe pas de convertisseur DC-DC entrelacé entièrement intégré. Cependant, comme d'autres composants régulateurs, il existe un certain nombre de CI que vous pouvez utiliser comme contrôleur/pilote principal pour un régulateur à commutation entrelacé avec une topologie standard. Si vous êtes prêt à commencer la conception d'un convertisseur DC-DC entrelacé, considérez ces composants exemples. Ces composants peuvent vous donner une bonne base pour une nouvelle conception, et les circuits d'application présentés ci-dessous devraient bien illustrer comment les circuits entrelacés sont construits.

Texas Instruments, LM5032

Le LM5032 de Texas Instruments est un pilote PWM double entrelacé pour les applications de conversion de puissance DC-DC. Le dispositif accepte une alimentation DC de 36 V à 75 V et augmente ou diminue la tension de sortie avec deux signaux de commande PWM. Ces signaux de pilote PWM peuvent commuter les MOSFETs dans un circuit convertisseur de puissance standard sur le côté de sortie avec une fréquence programmable jusqu'à 2 MHz. La large plage de tension d'entrée rend ce composant applicable aux systèmes de gestion de puissance EV/HEV pour la charge/décharge de batterie. D'autres domaines d'application incluent les systèmes industriels et les systèmes de télécommunications.

Texas Instruments, TPS40322Le TPS40322 de Texas Instruments est un pilote/contrôleur de convertisseur buck biphasé qui peut être utilisé dans des applications d'entrelacement. Ce contrôleur peut fournir des rendements dépassant 90% sur toute la plage de tension d'entrée. La tension de sortie peut être configurée avec des passifs sur 3 broches, et une résistance externe de limitation de courant peut être utilisée pour définir la protection souhaitée contre les surintensités. Les applications cibles incluent l'équipement de réseau à basse tension et d'autres produits trouvés dans les petits centres de données.

ON Semiconductor, FAN9672

Le FAN9672 d'ON Semiconductor est un contrôleur PFC entrelacé à 2 canaux conçu pour soutenir les convertisseurs de puissance qui se connectent au réseau électrique. Le circuit d'application exemple ci-dessous illustre une application standard avec une section de redressement et un filtre EMI, suivie de deux étages de convertisseur qui ont chacun un circuit de pilote externe. Les applications exemples vont de l'équipement HVAC aux produits de centres de données, de télécom et industriels.

Autres composants pour les systèmes d'alimentation entrelacés

L'un des grands avantages de travailler avec une topologie de convertisseur DC-DC entrelacé est que les composants de filtrage que vous pouvez utiliser dans la conception peuvent être beaucoup plus petits. Cela ne se réfère pas seulement à leurs valeurs de composants, cela concerne également leur taille physique. Le courant de ripple en sortie est naturellement plus faible grâce à la stratégie d'entrelacement, donc vous n'avez pas besoin d'utiliser des condensateurs et des inducteurs plus grands pour réduire le ripple total.

Puisque vous aurez besoin de nombreux autres composants pour soutenir un système d'alimentation entrelacé, nous avons compilé une liste ci-dessous pour vous aider à démarrer. La gamme de composants d'électronique de puissance est déjà grande, et beaucoup de ces composants peuvent être adaptés pour une utilisation dans des convertisseurs de puissance entrelacés. Certains autres composants importants dont vous pourriez avoir besoin incluent :

• Les selfs de mode commun pour le filtrage EMI

• Amplificateur de mesure de courant pour la régulation de précision

• Inductances pour chaque section de convertisseur à découpage

Lorsque vous êtes prêt à construire un convertisseur DC-DC entrelacé, vous pourrez trouver ces composants importants et d'autres en utilisant les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Le moteur de recherche électronique d'Octopart vous donne accès aux données de prix des distributeurs mises à jour, à l'inventaire des pièces, aux spécifications des pièces, et aux données CAO, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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