Conception d'un convertisseur DC-DC isolé demi-pont

Bien que presque toute l'énergie du réseau soit générée directement en courant alternatif (CA), les appareils électroniques que nous utilisons tous les jours dépendent du courant continu (CC). Les nouvelles technologies dans les domaines de l'énergie alternative, des véhicules électriques, de l'infrastructure, du contrôle des moteurs et de la robotique reposent sur des convertisseurs de puissance capables de prendre une entrée en CA, de la redresser en CC, et de convertir cela en une tension standard requise avec une haute efficacité et une haute densité de puissance. Dans ces technologies avancées, la densité de puissance et l'efficacité sont très importantes car ces systèmes dépendent tous d'une livraison de puissance élevée avec un temps de réponse rapide à une tension standard.

La sélection de la topologie du convertisseur CC-CC est très importante car elle déterminera la densité de puissance et le niveau de régulation requis, ainsi que la quantité absolue de puissance qui peut être extraite du système. Les applications modernes que je mentionne ci-dessus reposent sur des convertisseurs CC-CC isolés à demi-pont pour équilibrer le besoin d'une livraison de puissance à haute efficacité à des tensions standard avec le coût et l'empreinte.

Pourquoi utiliser une topologie à demi-pont plutôt qu'une autre topologie comme le pont complet ? En examinant les points de conception entourant la topologie à demi-pont, certains de ses avantages par rapport aux topologies à pont complet devraient devenir évidents. Nous examinerons ces points et montrerons quelques composants exemples que vous pouvez utiliser pour implémenter votre propre conception de convertisseur CC-CC isolé à demi-pont.

La Topologie à Demi-Pont Isolée

Les circuits de convertisseur CC-CC à demi-pont ont quelques éléments communs qui apparaissent dans le système qui implémentent la commande, la rectification, le filtrage, la réduction des interférences électromagnétiques (IEM) et le contrôle :

• Élément de couplage : Cela se réfère largement à un transformateur d'impulsion/de puissance, ou à un optocoupleur. Le choix de l'élément de commutation dépend de la sortie de puissance et de l'endroit où l'élément de couplage est placé et quel signal est couplé à la sortie. Notez que le mécanisme de couplage pourrait être intégré dans le pilote de porte.

• Élément de commutation : Dans le passé, cela aurait été des transistors Si bipolaires, mais les systèmes plus récents utilisent des FETs GaN ou SiC comme éléments de commutation pour assurer une conversion de puissance très efficace.

• Circuit de pilote de porte : Le pilote est normalement un générateur PWM hautement intégré, qui pourrait fonctionner à des niveaux logiques en fonction des caractéristiques de commande de porte des FETs de commutation. Ces composants auront parfois une broche de détection de courant intégrée, et le pilote ajustera la sortie s'il y a des fluctuations.

• Diodes : Ces éléments de redressement se trouvent généralement du côté de la sortie lorsque le circuit de commande/les FETs sont placés du côté de l'entrée, ou vice versa. Cela forcera le courant de sortie à toujours s'écouler dans la même direction, quelle que soit la direction du courant d'entrée.

Quelques exemples de conceptions de convertisseurs CC-CC isolés à demi-pont sont montrés ci-dessous. Vous remarquerez que l'élément de couplage pourrait coupler soit le signal de commande de porte, soit la puissance à la sortie.

Je n'ai pas inclus de retour vers le circuit de commande pour éviter que les images ci-dessus ne soient surchargées. Cependant, vous pourriez certainement inclure une boucle de rétroaction via une résistance de détection de courant et un amplificateur de détection de courant. Certains composants de pilote hautement intégrés auront cela intégré car ils ne sont pas hautement configurables, ce qui signifie qu'ils pilotent des FETs particuliers pour délivrer des niveaux de tension spécifiques à la charge. Dans tous les circuits où l'étage de commande est du côté de l'entrée, vous auriez besoin d'optocoupleurs pour franchir l'écart.

Accouplement de puissance ou de commande de porte ?

Ces exemples mettent en œuvre deux types d'accouplement : l'accouplement de puissance et l'accouplement de commande de porte. Seule la mise en œuvre en haut à gauche couple directement la puissance à la sortie, ainsi elle serait utilisée pour la livraison de haute puissance à une charge. Les diodes devraient avoir une haute tension de claquage inverse. L'inductance de sortie (L1) devrait également avoir une très faible résistance en courant continu/une haute capacité de courant pour gérer la puissance délivrée. Ce type de système pourrait être utilisé en mode élévateur ou abaisseur, selon les exigences de la charge. Ce type de système serait typiquement mis en œuvre comme une carte autonome, comme dans une alimentation électrique dédiée.

Toutes les autres méthodes montrées ci-dessus accouplent un signal de commande de porte ou un signal d'activation de porte. Dans le cas où le signal de commande de porte est couplé, l'élément de couplage sera normalement un optocoupleur, en supposant que la commande de porte est à des niveaux logiques, bien que des transformateurs pourraient être utilisés. Tout cela pourrait être intégré dans le circuit de commande de porte ; cela ne doit pas être placé dans des composants séparés à moins que le dépassement des évaluations de puissance ne soit une préoccupation.

Mise en œuvre de l'isolation

L'isolation sera nécessaire lorsque le courant de sortie est très élevé. Ces circuits varient tous en termes de comment l'isolation est mise en œuvre en termes de composants. En termes de disposition du PCB, la mise en œuvre de l'isolation est simple ; vous divisez simplement le plan de masse en deux réseaux entre les côtés entrée et sortie du système. Cela crée deux ensembles différents de boucles de courant de chaque côté du système (entrée/sortie ou primaire/secondaire).

Accouplement de commande de porte

Dans les circuits d'accouplement de commande de porte, l'isolation est mise en œuvre de trois manières possibles : avec un optocoupleur, un transformateur, ou à l'intérieur du circuit de commande de porte en utilisant l'isolation de jonction. La méthode exacte à utiliser dépend de la manière dont la puissance est couplée à travers l'écart. Si c'est juste le signal de commande de porte, qui sera de faible tension/courant, alors un optocoupleur ou une jonction isolée sera approprié. Un optocoupleur pourrait être utilisé pour coupler juste le signal d'activation qui active un composant de pilote (en bas à gauche dans les exemples ci-dessus), ou le signal PWM pourrait être couplé à travers l'écart d'isolation en utilisant soit des optocoupleurs soit de petits transformateurs (les deux circuits à droite).

Dans les trois cas de couplage de commande de grille ci-dessus, la fonction du convertisseur DC-DC est effectivement de moduler la livraison de puissance depuis une source du côté de la sortie. La "Charge" dans les cas mentionnés serait alors l'étape de redressement standard dans un convertisseur buck/boost, ou éventuellement un convertisseur flyback avec un transformateur supplémentaire. Cela prendra ensuite la sortie pulsante et la convertira en tension DC stable.

Couplage de Puissance

Si la puissance est couplée directement à la sortie, elle sera commutée du côté primaire du transformateur, puis elle sera couplée au côté de sortie. L'espace de la plan de masse devrait être placé directement entre les bobines du transformateur de manière typique. Un exemple de cette mise en œuvre est montré ci-dessous, où la puissance est fournie entièrement par le réseau V_IN. Cela devrait expliquer pourquoi la mise en œuvre du pilote de demi-pont du côté primaire se trouve normalement dans une conception d'alimentation isolée.

Les réseaux GND devraient également être reliés ensemble avec un condensateur de sécurité, tel qu'un condensateur de type Y. Le condensateur devrait être placé à travers l'espace de masse entre les deux sections du convertisseur, et il devrait avoir une capacité dépassant la capacité d'inter-enroulement de tout transformateur utilisé pour le couplage. Assurez-vous que le courant de fuite du condensateur n'est pas trop important car cela peut créer un choc léger pour l'utilisateur s'ils interagissent avec la borne de masse du côté de sortie.

Quels types de FET utiliser ?

Le choix du FET est également important dans les topologies ci-dessus car cela déterminera effectivement les limites de fonctionnement du convertisseur en tant que dispositif de livraison de puissance. Dans les mises en œuvre mentionnées, le type de FET utilisé n'affecte pas la conception globale du circuit, du moins en termes de sa topologie. Au lieu de cela, le FET (GaN, GaAs, SiC, etc.) devrait être choisi en fonction de la tension requise ou de la vitesse de commutation, particulièrement si la puissance sera tirée directement à travers la sortie. La puissance totale qui doit être fournie à l'appareil importera également car ces composants peuvent rapidement surchauffer lorsqu'ils sont utilisés pour fournir des tensions excessives.

Convertisseurs DC-DC demi-pont vs. plein-pont

Une topologie de plein-pont suit les mêmes idées conceptuelles concernant la commutation et la rectification dans un convertisseur demi-pont, mais elle utilise un arrangement en H-pont dans la banque de MOSFET pour implémenter la commutation. En d'autres termes, cela nécessite au moins 4 transistors avec un circuit de commande coordonné. Tout comme dans un convertisseur DC-DC demi-pont, le contrôle pourrait être mis en œuvre via une boucle de rétroaction en ramenant la sortie au circuit de commande à travers une résistance de détection de courant. Le signal PWM du pilote peut alors être ajusté pour compenser la variance de phase de sortie ou l'affaissement de la tension de sortie.

Normalement, les convertisseurs DC-DC à pont complet seraient utilisés dans une topologie LLC résonnante avec le banc de MOSFETs sur le côté primaire d'un transformateur d'impulsion. Cependant, vous pourriez certainement placer le banc de MOSFETs sur le côté de sortie du système. Le tableau fournit une comparaison des options de convertisseurs DC-DC à pont complet et à demi-pont avec certains de leurs avantages et inconvénients.

D'après le tableau ci-dessus, nous pouvons brièvement résumer les compromis entre l'utilisation d'une topologie de convertisseur DC-DC à pont complet versus un demi-pont. La topologie à pont complet peut accéder à une puissance de sortie plus élevée qu'une topologie à demi-pont ; pour que les deux soient égaux, vous pourriez avoir besoin d'utiliser des FETs en parallèle dans l'arrangement à demi-pont avec les bancs placés sur le côté de sortie. Cependant, le compromis pour une puissance plus élevée et un ondulation plus faible est potentiellement le double du bruit de commutation et le besoin de composants inductifs physiquement plus grands chaque fois qu'ils sont implémentés sur le nœud de sortie de puissance dans le système. L'empreinte est également plus grande pour le système à pont complet, en partie à cause du nombre plus élevé de MOSFETs mais aussi en raison de l'étage de commande de porte.

Choisir des composants pour les convertisseurs à demi-pont

De toute évidence, il y a de nombreux composants à considérer lors de la sélection des pièces pour une conception de convertisseur DC-DC isolé à demi-pont. De nombreuses entreprises de semi-conducteurs ont développé des portefeuilles de produits qui ciblent spécifiquement les topologies à demi-pont et à pont complet avec des FETs à haute efficacité et des circuits intégrés de commande/contrôle pour assurer une régulation très précise, même s'il y a une chute de tension en entrée. Certains des composants dont vous aurez besoin pour votre convertisseur d'alimentation DC-DC peuvent être trouvés dans nos autres guides :

• FETs avancés comme éléments de commutation

• Amplificateur de mesure de courant pour la régulation dans les boucles de rétroaction

• Circuits intégrés de commande de porte pour la commande des éléments de commutation

• Optocoupleurs pour le couplage direct et les boucles de rétroaction

Lorsque vous avez besoin de trouver des composants pour votre conception de convertisseur DC-DC isolé à demi-pont, utilisez les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, à l'inventaire des pièces, et aux spécifications des pièces, 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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