Article de référence | Réf : E3958 v2

Principes généraux de la conversion de tension à découpage, continu-continu
Gestion de l’énergie électrique dans les produits électroniques - Introduction

Auteur(s) : Bruno ALLARD

Date de publication : 10 janv. 2020

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Présentation

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RÉSUMÉ

Cet article est à l’usage de l’électronicien qui doit s’approprier la conception d’une fonction de gestion de l’énergie électrique, autrement que par un régulateur linéaire de tension. La notion de convertisseur de tension à découpage est usuelle en électronique de puissance et cette notion a largement diffusé en électronique générale. Pour autant, l’objet de l’article est d’attirer l’attention de l’électronicien sur certains grands principes et les outils associés pour comprendre les convertisseurs à découpage continu-continu de manière plus globale, imaginer la transposition de topologies à des niveaux de faible de puissance ou aborder le dimensionnement d’un convertisseur avec la vision d’un électronicien de puissance.

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ABSTRACT

Electric power management in electronic products Introduction

This article will benefit to an electronic engineer who is facing a challenge of implementing a power management solution other than with a linear voltage regulator. A switch-mode power supply is a common object in the field of power electronics where many fundamentals may be supplementary to the ones captured in general electronics. The article addresses fundamentals as well as tools to guide the electronic engineer into a broader and better understanding of the operation of a DC/DC converter when topologies must be adapted to a low level of power, or size properly the converter.

Auteur(s)

  • Bruno ALLARD : Professeur des Universités au Département de Génie Électrique, - INSA Lyon, - Chercheur au laboratoire Ampère, France - Cet article est la version actualisée de l’article [E 3 958] intitulé « Électronique de puissance – Introduction » rédigé par François BERNOT et paru en 2000.

INTRODUCTION

De plus en plus, le concepteur électronicien doit s’approprier la gestion pragmatique de l’énergie électrique sur une carte imprimée voire au sein du circuit intégré. Le régulateur linéaire de tension linéaire (même à faible chute de tension) est de plus en plus réservé à l’atténuation des bruits superposés à un niveau continu de tension, et de moins en moins à l’adaptation du niveau de tension lui-même. Le convertisseur de tension à découpage, ou convertisseur DC/DC, diffuse très largement au sein de la communauté des ingénieurs n’ayant pas de liens directs proprement dits avec celle de l’électronique de puissance. À l’inverse, la communauté de l’électronique de puissance s’intéresse au comportement des convertisseurs aux échelles de la petite puissance voire très faible puissance. Les principes de l’électronique de puissance se déclinent même dans les problématiques de récupération d’énergie ambiante pour la micro-génération d’électricité. Il y a donc un champ assez large d’applications où les deux communautés se rencontrent et peuvent partager des savoirs.

De manière simple, l’électronicien est habitué à raisonner au niveau de fonctions électroniques de niveau assez bas et un convertisseur à découpage pourra être vu comme une fonction non linéaire particulière. Un électronicien de puissance réagit sur la base de grands principes de conversion, déclinés in fine en réalisation matérielle. Les deux approches sont complémentaires et la collection Techniques de l'Ingénieur dédié à l'électronique de puissance vise à détailler certains grands principes de l’électronique de puissance dont l’électronicien peut avantageusement tirer parti lors du choix d’une architecture de conversion ou de la conception d’un convertisseur.

Les notions présentées dans cette introduction générale constituent une sorte de syllabus autour des convertisseurs continu-continu, dans une perspective de faible puissance principalement.

La collection « électronique de puissance : conversion et gestion » de Techniques de l'Ingénieur est composée de plusieurs parties assez distinctes qui exposent les principes généraux les plus utiles aux convertisseurs DC/DC. Sont ainsi couverts les éléments nécessaires à la compréhension des grandes fonctions de l’électronique de puissance, en fournissant des réponses concrètes aux questions que doit se poser un utilisateur ou un concepteur, à partir d’un problème réel. Sont également présentés les composants semi-conducteurs électroniques de puissance, dont les performances sont souvent décisives dans les choix structurels. Les perspectives d’avenir dans le domaine, sous un aspect essentiellement scientifique, sont détaillées. Une succession d’applications concrètes reflètent l’essentiel des problèmes rencontrés aujourd’hui (sécurités, asservissements, choix technologiques…).

Cet article introductif est composé de quatre sections présentant :

  • la notion de conversion de puissance à découpage, illustrée par un certain nombre de problématiques ;

  • les principales topologies de convertisseur à découpage, objet de la rubrique ;

  • un exemple simple illustrant l’apport des développements de l’électronique de puissance au bénéfice de l’implémentation électronique d’un convertisseur ;

  • la structure dite Flyback, en régime de conduction discontinue, affichant de bonnes performances pour la gestion des niveaux faibles de puissance.

Les exemples ont pour but de mettre en évidence les approches issues de l’électronique de puissance. L’électronique au sens général ne mobilise pas concrètement dès lors qu’il s’agit de l’alimentation électrique d’une carte électronique, fonction effectivement secondaire en valeur, mais maintenant indispensable.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles utilisés.

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KEYWORDS

fundamentals of power electronics   |   DC/Dc converter   |   reading guide

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e3958


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1. Principes généraux de la conversion de tension à découpage, continu-continu

1.1 Principe du découpage en électronique de puissance

HAUT DE PAGE

1.1.1 Concept

L’électronique de puissance représente une discipline, dédiée à la conversion de l'énergie électrique, au sens général, c'est-à-dire au moyen de fournir précisément à une charge l'énergie électrique dont elle a besoin, – en courant, en tension et en contenu spectrale et cela de manière dynamique – quand cette charge en a besoin, et ce, à partir d'une ou plusieurs sources primaires d'énergie électrique, plus ou moins précise et persistante. La collection de Techniques de l'Ingénieur a l'ambition de souligner les connaissances nécessaires à la compréhension des phénomènes mis en jeu au sein des convertisseurs continu-continu, isolés ou pas. En général, le principal problème rencontré par un électronicien, face à la problématique de l’alimentation de la carte électronique qu’il développe, est l’adaptation d’un niveau de tension, sans isolation, mais sans doute de manière dynamique et sous contrainte de place et de pollution électromagnétique.

Par ailleurs, la conversion d'énergie primaire non électrique en électricité couvre des aspects de plus en plus abordés en termes de « récupération d'énergie » (energy harvesting). Les principes physiques de la transformation de l'énergie primaire en électricité ne sont pas traités dans la présente collection. Par contre, la gestion de cette transformation, notamment pour la rendre la plus efficace possible – ainsi le fameux point de puissance maximale (MPP, Maximal Power Point) – incombe à un convertisseur électrique, objets couverts dans cette même collection.

L'électronique de puissance évolue très vite, et par sauts technologiques. Aussi, le rôle de la collection est également d'offrir un exposé concis des applications technologiques les plus pertinentes pour tous les aspects d'un système de puissance. Enfin, les Techniques de l'Ingénieur ont la mission de faire évoluer l'édition de la collection pour refléter l'électronique de puissance de demain : des structures nouvelles de conversion sont mises au point, la course à l'intégration...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - COULOT (T.), ROUAT (E.), HASBANI (F.), LAUGA-LAROZZE (E.), FOURNIER (J.M.) -   High power supply rejection wideband Low-Dropout regulator.  -  IEEE ECCE Asia (2013).

  • (2) - Maxim Semiconductor -   *  -  . – https://www.maximintegrated.com.

  • (3) - FERRIEUX (J.P.), FOREST (F.) -   Alimentations à découpage, Convertisseurs à résonance.  -  Dunod, Paris (2006).

  • (4) - KROICS (K.), ZAKIS (J.), SIRMELIS (U.) -   Multiphase interleaved DC-DC converter with directly and inversely coupled inductors.  -  IEEE RTUCON, DOI :10.1109/RTUCON.2016.7763102 (2016).

  • (5) - REDL (R.) -   Ripple-Based Control of Switching Regulators-An Overview.  -  IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, n° 12, pp. 2669-2680 (2009).

  • (6) - LI (P.), BHATIA (D.), XUE (L.), BASHIRULLAH...

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