La commutation douce : le cas du convertisseur Flyback

La conversion statique de l’énergie électrique concerne des convertisseurs à découpage. La conversion à découpage a l’avantage de présenter des rendements plus élevés en comparaison d’un régulateur linéaire de tension [D3075].

La réalisation de convertisseur à découpage inclut le choix d’une topologie adaptée à l’application visée, le choix d’interrupteurs et de la fréquence de découpage pour réaliser la modulation de l’énergie. La topologie peut également inclure un élément d’isolation afin de faire une conversion de type isolée, tel un transformateur. Si la topologie n’est pas de type isolée telle la topologie buck ou boost, elle nécessite des éléments passifs externes de filtrage tels qu’une inductance et un condensateur.

Ces éléments passifs dépendent de la puissance à transmettre mais également de la fréquence de découpage. En effet ces éléments sont présents pour stocker de l’énergie afin de pouvoir linéariser ou moduler les puissances dans le convertisseur.

On peut donc voir immédiatement que plus la fréquence de découpage va être faible plus ces éléments passifs devront être capables de stocker de l’énergie en leur sein.

Dans un objectif de réduction logique de volume de ces convertisseurs dans des applications de type embarqué, par exemple aéronautique, automobile ou spatial, il apparaît intéressant d’augmenter au maximum la fréquence de découpage, mais sans buter sur une diminution du rendement énergétique. Plus de pertes d’énergie débouche sur un problème d’accompagnement thermique du convertisseur, qui fait alors perdre le bénéfice sur le volume ou la masse.

Cependant, les contraintes à l’augmentation de cette fréquence sont grandes : les parasites des circuits amplifient les ondulations, la compatibilité électromagnétique (CEM) devient compliquée et les normes difficiles à respecter.

C’est entre ces deux tendances antagonistes que la commutation douce trouve sa place. En effet l’interrupteur de puissance, pilote de la conversion statique, commute grâce à une impulsion générée par un élément de commande, qui vient forcer le changement d’état de celui-ci. En commutant, l’interrupteur, du fait de ses caractéristiques intrinsèques, va générer des pertes qui ont un fort impact sur le rendement de la conversion. Dans le cas de la commutation douce un élément de circuit appelé résonnant vient charger ou décharger les éléments intrinsèques de l’interrupteur, afin d’obtenir une commutation sans perte d’énergie (tension ou courant) avant que l’élément de commande impose le changement d’état. La commutation est dite alors à tension nulle ou à courant nul. Les pertes sont alors réduites en théorie à zéro.

Dans la multitude de type de convertisseurs et de leurs applications, une application particulière, peu traitée sur le plan industriel, concerne le convertisseur isolé pour l’alimentation des composants ou circuits de commande locale de grille de transistor de puissance [D3960]. Cette application est intéressante à plusieurs points de vue :

• le premier est l’isolation importante que doit fournir le convertisseur face aux perturbations en provenance du composant de puissance commandé. En effet, les perturbations sont les forts courants de mode commun qui traversent les isolations et qui perturbent les circuits supérieurs. Les grandes excursions de tension autour de la partie puissance font également partie des contraintes d’isolation ;

• la seconde contrainte est le volume : l’alimentation du circuit de commande de grille doit par définition se trouver au plus proche et par conséquent ne pas perturber l’empreinte de la partie puissance. Une faible contrainte en surface est donc un avantage important.

Ces deux contraintes trouvent en la commutation douce une solution intéressante. La limitation du courant de mode commun dans un transformateur peut se faire par la limitation de la capacité parasite entre primaire et secondaire. Tout transformateur avec une faible capacité parasite présente une forte inductance de fuite qui va pouvoir trouver son utilité dans la mise en place de la résonance, nécessaire à la commutation douce.

De plus, la commutation douce en limitant les pertes énergétiques en commutation permet d’envisager une augmentation de la fréquence de commutation, notamment une réduction des éléments passifs tels que le transformateur ou les condensateurs de découplage, qui sont des éléments gourmands en surface dans le convertisseur.

C’est dans la continuité et en complément de l’article [D3077] que se place cet article. Le fonctionnement et le dimensionnement d’une topologie d’un convertisseur de type Flyback à commutation douce y sont détaillés pour une application de circuit de commande de grille.