Alimentation à découpage demi pont à résonance LLC

Comment fonctionne une alimentation à découpage LLC ? Même si on peut réduire considérablement la taille des éléments passifs d'une alimentation à découpage en travaillant à fréquence plus élevée, les pertes de commutation sont un obstacle pour augmenter encore la fréquence de découpage. Pour réduire les pertes de commutation et travailler à fréquence plus élevée, il existe aujourd'hui des alimentations à découpage résonantes : il s'agit de commutation douce où la puissance est gérée de façon sinusoïdale et non carrée. Cela réduit aussi considérablement le bruit CEM généré par l'alimentation.

Parmi les différentes sortes d'alimentations à résonance, la plus simple et la plus connue est l'alimentation à résonance série LC.

Alimentation à découpage demi pont à résonance LC

Dans cette topologie, le circuit résonant (Lr, Cr) est en série avec le primaire du transfo et agit donc comme diviseur de tension. La tension d'entrée (primaire redressé filtré et découpé) est répartie entre l'impédance de Lr et Cr ainsi que l'impédance réfléchie de la charge (la charge vue via le rapport de transformation du transfo). Comme tout diviseur de tension, le gain est inférieur à 1. La tension au primaire est donc inférieure à la tension d'entrée (ici Vin). A faible charge sur la sortie, l'impédance du transfo est grande. La tension d'entrée se retrouve donc presque en totalité sur le primaire. Ceci rend difficile la régulation de la tension de sortie à faible charge; théoriquement, la fréquence devrait être infinie (Lr = impédance infinie) pour réguler la sortie à vide.

Alimentation à résonance LLC

Pour résoudre ce problème des alimentations à résonance LC, il existe les alimentations à résonance LLC. Une alimentation à résonance LLC est une alimentation à résonance LC où on ajoute une inductance en parallèle avec le primaire du transfo (inductance shunt Lsh).

Alimentation à découpage demi pont à résonance LLC

On pourrait croire que l'alimentation LLC est défavorable à cause du courant supplémentaire (inutile ?) qui circule dans l'inductance parallèle, ce qui augmenterait le courant dans les transistors Q1 et Q2, augmentant les pertes de conduction (Rds x I² comme tout effet Joule qui se respecte...). En fait, il est intéressant d'augmenter l'efficacité de l'alimentation pour des tensions d'entrée élevées, où les pertes de commutation sont plus importantes que les pertes de conduction.

En pratique, l'inductance parallèle Lsh est réalisée en utilisant l'inductance magnétisante du transfo. Le schéma d'une alimentation LLC ressemble alors à une alimentation LC. La seule différence entre les deux, c'est la valeur de l'inductance magnétisante. Dans une alimentation à résonance LC, l'inductance magnétisante est très supérieure à Lr. Dans une alimentation à résonance LLC, l'inductance magnétisante vaut seulement 3 à 8 fois Lr. Pour réduire l'inductance magnétisante du transfo, on y place un entrefer.

Les avantages de l'alimentation LLC sont nombreux :

• possibilité de régulation de la sortie avec faible variation de la fréquence
• commutation à zéro de tension (zero voltage switching abrégé ZVS) sur toute la plage de fonctionnement
• éléments habituellement parasites utilisés : capacité parasite des jonctions, inductance de fuite, inductance magnétisante.

Fonctionnement de l'alimentation à découpage résonante LLC

On suppose que la fréquence de découpage est égale à la fréquence de résonance déterminée par Lr et Cr. Comme l'inductance magnétisante est assez faible (il y a un entrefer dans le transfo...), le courant qui y circule à vide est élevé, mais fonctionne en roue libre sans intervenir dans le transfert de puissance, on parle d'énergie circulante. Cette énergie est absorbée et restituée à la source de tension d'entrée (Vin) à chaque cycle. Cependant, ce n'est pas tout à fait gratuit : le courant magnétisant traverse les transistors et y entraîne des pertes de conduction supplémentaires. Le courant primaire Ip est la somme du courant magnétisant (courant dans le primaire du transfo à vide) et du courant dû à la charge dans le secondaire (= courant secondaire divisé par n).

Voici la structure habituelle d'une alimentation à résonance LLC

Alimentation à découpage demi pont à résonance LLC

Voici le détail des 3 éléments encadrés :

Générateur carré

Le générateur carré produit un signal carré en pilotant alternativement Q1 et Q2 avec un rapport cyclique de 50% maximum pour chacun. Un petit temps mort est ménagé entre deux transitions consécutives (temps où ni Q1 ni Q2 n'est passant). Cet étage peut être un demi pont ou un pont en H (4 transistors).

Circuit résonant (c'est l'astuce de l'alimentation !)

Le circuit résonant (LLC) est formé d'un condensateur Cr, de l'inductance de fuite (dans le rôle de Lr) et de l'inductance magnétisante faible (due à l'entrefer). Le circuit résonant filtre les harmoniques de courant. Le courant qui circule est donc quasiment sinusoïdal, même si la tension appliquée est carrée.

L'allure sinusoïdale du courant fait naturellement passer le courant Id par zéro, puis changer de signe : c'est la phase de conduction de la diode de roue libre du transistor. Durant cette phase, le transistor est rendu passant. La tension à ses bornes est alors nulle : c'est la commutation à zéro de tension.

Redresseur

Le redresseur de l'alimentation LLC crée une tension continue, comme tout redresseur qui se respecte. On utilise soit un pont de diodes (pont de Graetz), soit 2 diodes et un secondaire à point milieu. Un condensateur de lissage en sortie est à prévoir.

Allures des courants et tensions dans l'alimentation à résonance LLC

Courant de drain de Q1 dans l'alimentation à résonance LLC

La phase de courant dans la diode de roue libre est importante vue la faible valeur de l'inductance magnétisante (courant magnétisant élevé par rapport à l'alimentation demi pont standard).

Exemple de valeurs théoriques pour alimentation LLC 200W

On souhaite réaliser une alimentation avec ces données :

• Entrée : 400 VDC (sortie de l'étage PFC actif par exemple, condensateur 220 uF)
• Sortie : 24 V 8 A (192 W)

Une méthode de calculs donne ces résultats :

Condensateur de résonance : 20,2 nF

• Noyau : EER3542 (Ae=107 mm2)
• Primaire : 36 spires
• Secondaire : 2 x 4 spires
• Inductance primaire (secondaires ouverts) : 0,63mH
• Inductance de fuite (court-circuiter un secondaire) : 0,12mH

L'entrefer influence énormément l'inductance du transformateur :

Inductance magnétisante en fonction de l'entrefer d'un noyau EER3542

Le schéma de principe théorique final de l'alimentation à résonance LLC :

Alimentation à résonance LLC 24 V 200 W

Rendement de 94%

On peut espérer raisonnablement un rendement de 94% à pleine charge (200W). Les pertes totales s'élèvent à seulement 13W.

Rendement de l'alimentation à résonance LLC

Source : Fairchild Semi AN-4151

http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-4151.pdf