Bien choisir la topologie de votre convertisseur AC-DC

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Lorsque les concepteurs de systèmes d'alimentation démarrent la conception d'un nouveau convertisseur de puissance AC-DC, ils sont immédiatement confrontés au choix décisif de la topologie. Globalement, au moins sept topologies différentes sont prises en charge par les fournisseurs de circuits intégrés pour régulateur de puissance. Chacune d'entre elles présente sa propre série d'avantages et d'inconvénients. Quelle est donc la meilleure façon de choisir la topologie pour une application donnée ?

Cet article fournit des lignes directrices pour une évaluation approfondie, permettant de limiter l'éventail de topologies sélectionnées. Grâce à de telles lignes directrices, les concepteurs verront qu'ils peuvent rationaliser leur recherche et faire un choix de topologie judicieux de manière plus efficace au début d'un nouveau projet.

Pourtant, tout concepteur d'alimentation expérimenté le confirmera, l'histoire est remplie d'exemples de projets ratés ou reportés, dont la chute peut être directement attribuée aux décisions prises en début de projet. Avant de présenter le guide des bonnes pratiques en matière d'évaluation de topologie, il est bon de comprendre d'abord les facteurs discréditant les modèles de convertisseur AC-DC à leur stade initial.

Les causes d'erreur de jugement concernant la topologie

Selon l'expérience de cet auteur, les causes les plus répandues d'échec de conception dans les projets de convertisseur AC-DC trouvent leurs racines soit dans une erreur de jugement d'ordre technique, soit dans un comportement humain.

Du point de vue technique, les concepteurs inexpérimentés sont susceptibles d'utiliser une règle empirique rudimentaire basée sur la charge électrique maximum que le convertisseur doit supporter. La puissance nominale est évidemment un paramètre essentiel, mais il n'est en aucune façon le seul à être affecté par le choix de la topologie.

La taille et le poids du système, son coût, l'efficacité énergétique, l'efficacité thermique, la complexité et le niveau d'interférence électromagnétique (electromagnetic interference ou EMI) sont tous des facteurs pouvant être optimisés par le concepteur avec la bonne topologie. Il faut également admettre que ces facteurs sont interdépendants. Par exemple, une topologie complexe de commutation à tension nulle (Zero-Voltage Switching ou ZVS) produira des effets d'EMI beaucoup moins graves qu'un schéma plus simple de commutation brutale. Les choix effectués au début d'une conception devraient non seulement refléter les spécifications techniques de la conception du produit, mais également les capacités de l'équipe de développement et le temps de conception disponible. Une équipe de développement ayant une profonde expertise de l'atténuation d'EMI et du respect de la compatibilité électromagnétique (electromagnetic compatibility ou EMC), par exemple, serait peut-être heureuse d'employer une topologie de commutation brutale au lieu de son alternative ZVS complexe.

L'autre facteur qui, en pratique, mine la sélection de la bonne topologie est la nature humaine. Il est habituel, et somme toute compréhensible, de précipiter le choix initial de la topologie dans le but d'avancer plus rapidement vers le développement matériel. Souvent, cela vient du fait qu'un responsable peut visualiser un prototype fonctionnel et être potentiellement ébloui par celui-ci : c'est un signe visible d'avancement dans le projet. Il faut avouer également que concevoir des circuits et construire des cartes est bien plus amusant et intéressant que de faire des recherches documentaires sur les topologies.

Une autre faiblesse humaine commune aux ingénieurs perturbe les projets de conception de systèmes d'alimentation : une préférence pour la résolution solitaire de problèmes techniques, aux dépens d'activités collaboratives et du travail d'équipe. Le choix d'une topologie demande généralement une pondération attentive des différents arbitrages possibles au niveau du système. Par exemple, une décision réduisant le coût de la nomenclature produit (Bill-of-Materials ou BoM) mais augmentant la taille et le poids d'un convertisseur pourrait altérer les accords logistiques et accroître les frais de port du produit final dans leur ensemble. Ces facteurs dépassent de loin le pouvoir de gestion du service d'ingénierie. Une vision holistique de l'ensemble des coûts à travers le cycle de vie complet du produit pourrait aider l'ingénieur concepteur à faire de meilleurs choix de composants, en étant plus informé.

Globalement, l'expérience suggère qu'il faut tenir compte des échecs, l'environnement commercial le plus vaste peut mener à des retards dans le projet et même à des annulations. 

Éviter les erreurs précoces dans les projets de conception d'alimentation

La question qui résulte de la discussion ci-dessus est comment éviter au mieux ce type d'erreur ?

La réponse évidente est d'agir à l'inverse de ces approches incorrectes :

  • Collaborez de façon poussée avec vos collègues des autres services, ce qui vous permettra d'obtenir des informations pertinentes sur tous les facteurs en jeu dans le choix de la topologie.
  • Effectuez des recherches approfondies sur toutes les topologies applicables, évaluez l'ensemble des facteurs affectés par ce choix.

Cette seconde recommandation peut sembler ambitieuse, en raison des très nombreux choix de topologies à analyser. Ce n'est en fait pas si décourageant que cela puisse paraître à première vue, car pour chaque évaluation d'alimentation donnée, il est généralement possible de limiter le choix à deux ou trois topologies appropriées.

Le tableau 1 a pour but de faciliter cette évaluation de premier niveau : il fournit une note pour chaque topologie par rapport à chaque facteur à prendre en compte, où la meilleure topologie a une note de 5 et la pire une note de 1. Les notes fournissent une indication approximative, les concepteurs d'alimentation expérimentés pourraient discuter une note ou l'autre. Globalement, le tableau fournit cependant un guide utile permettant d'orienter le processus d'évaluation et d'aviser les discussions des concepteurs d'arbitrages possibles avec des collègues.

Niveau de puissance

Topologie

Efficacité

Complexité

EMI

Taille/Densité de puissance

Coût

Facteur de puissance
Correction

< 100 W

Flyback

2

5

2

5

5

Aucun PFC < 75 W, CrCm > 75 W

100-150 W

Flyback

2

5

2

5

5

CrCm

Forward

3

4

3

3

3

CrCm

150-200 W

Forward

2

4

3

3

3

CrCm

LLC résonant

4

1

5

4

1

CrCm

200-250 W

Forward

2

4

2

2

4

CrCm/CCM

Forward 2 switch

3

3

3

3

3

CrCm/CCM

LLC résonant

4

1

5

4

1

CrCm/CCM

250-300 W

Forward

2

4

2

2

4

CrCm/CCM

Forward 2 switch

3

3

3

3

3

CrCm/CCM

LLC résonant

4

1

5

4

2

CrCm/CCM

Half Bridge

4

2

3

2

2

CrCm/CCM

300-400 W

Forward 2 switch

2

3

2

3

4

CCM

LLC résonant

5

1

5

5

2

CCM

Half Bridge

4

2

3

3

2

CCM

400-500 W

LLC résonant

5

2

5

5

2

CCM

Half Bridge

4

3

3

3

3

CCM

500-600 W

Half Bridge

3

3

3

3

3

CCM/Entrelacé

Full Bridge

5

2

3

2

2

CCM/Entrelacé

600-800 W

Full Bridge

4

2

3

3

2

Entrelacé

Commutation de phase ZVT

5

1

4

4

1

Entrelacé

> 800 W

Commutation de phase ZVT

5

1

4

4

1

Entrelacé à 3 phases

Tableau 1 : classification de diverses topologies de convertisseurs AC-DC Dans la colonne de correction de facteur de puissance, CrCm = mode de conduction critique (Critical Conduction Mode) et CCM = mode de conduction continue (Continuous Conduction Mode)

Impact des options de nouvelle technologie

Au-delà du choix de la topologie, il existe un autre élément important dans la recherche du concepteur avant qu'il ne s'embarque dans l'implémentation matérielle : la découverte de nouveaux composants ou technologies qui ont modifié le paysage depuis l'implémentation des projets de conception antérieurs.

Aujourd'hui, par exemple, de nombreux concepteurs de convertisseur AC-DC devraient envisager l'utilisation des nouveaux composants d'alimentation à large bande en carbure de silicium (SiC) ou nitrure de gallium (GaN), qui supportent des commutations bien plus rapides que les équivalents en silicium et peuvent fonctionner à des températures plus élevées.

Dans l'hypothèse où la priorité de la conception est donnée à une taille et un poids réduits ainsi qu'à une densité de puissance élevée, ces aspects deviennent particulièrement intéressants. Les SiC MOSFET, disponibles actuellement en quantités de production chez des fournisseurs tels que STMicroelectronics, ROHM Semiconductor et Microsemi (une société Microchip désormais), permettent d'utiliser des condensateurs et des inducteurs plus petits, ce qui diminue la taille de l'assemblage entier du convertisseur. La température de fonctionnement maximum des appareils SiC peut également permettre dans certains cas au concepteur de supprimer un ventilateur ou un dissipateur thermique qui aurait été nécessaire dans une conception à MOSFET en silicium, même dans un boîtier fortement encombré avec une circulation limitée de flux de refroidissement de l'air.

Les transistors X-Gan GaN HEMT (High Electron Mobility Transistors) de Panasonic proposent des avantages similaires dans la carte de conception de référence GaNdalf de chez Future Electronics (voir Illustration 1). Cette conception montre la topologie bridgeless de type totem-pole à l'étape de correction de facteur de forme (Power Factor Correction ou PFC) d'une alimentation AC-DC < 1 kW. L'usage de transistors GaN permet au circuit d'atteindre une efficacité élevée de plus de 99 % à l'étape de PFC.

Gandalf board

Illustration 1 : la carte de conception de référence GaNdalf pour alimentation AC-DC de chez Future Electronics

Un autre concept de produit récent et significatif impactant la conception de convertisseur AC-DC aujourd'hui est l'intégration du contrôleur primaire et secondaire dans un circuit intégré unique, pour les convertisseurs fournissant moins de 80 W. Cette approche est rendue possible grâce à un circuit intégré de contrôleur de puissance innovant, de chez Monolithic Power Systems. Le MPX2001 fournit une solution pleinement intégrée pour les conceptions de convertisseur Flyback.

Il s'agit d'un contrôleur Flyback disposant d'une régulation primaire et secondaire intégrée et d'un pilote de redressement synchrone doté d'une isolation capacitive. Grâce au MPX2001, il est possible d'abaisser le niveau de complexité du système, car aucune boucle de retour n'est nécessaire. Cela a également pour conséquence de réduire le coût total de BoM. Dans le même temps, il est possible d'apparier parfaitement un redresseur synchrone avec le signal de commande du MOSFET côté primaire. Grâce à cette fonctionnalité, le redresseur peut fonctionner de manière sécurisée en mode de conduction continue, ce qui aide à augmenter l'efficacité globale et offre plus de flexibilité à la conception.

MPX2001 Eval kit

Illustration 2: le kit d'évaluation MPX2001, un modèle réduit servant de démonstration pour un adaptateur ou un chargeur d'ordinateur ou de smartphone. (Crédit image: Monolithic Power Systems)

L'efficacité élevée des convertisseurs AC-DC basés sur le MPX2001 est démontrée par le kit d'évaluation EVKT-MPX2001-45-PD de chez Monolithic Power Systems (voir Illustration 2). Il s'agit d'un modèle pour un adaptateur USB à puissance délivrée de 45 W destiné à transmettre l'énergie via une connexion USB Type-C. Il dépasse de loin les exigences en termes d'efficacité du Niveau VI du Département de l'Énergie des États-Unis et des normes européennes CoC Tier 2. La consommation énergétique sans charge est < 0,075 W. 

En conjuguant des technologies de composant améliorées, une réflexion globale sur les avantages et les inconvénients contrastés de chaque topologie de convertisseur et la compréhension des besoins des autres services au-delà du laboratoire d'ingénierie, les concepteurs de système d'alimentation peuvent accorder la meilleure chance de réussite à leurs projets, mais également l'opportunité d'atteindre ou de dépasser les spécifications de conception du produit final.

Article rédigé par Riccardo Collura.
Northern Europe Power Specialist Field Application Engineer, Future Electronics
www.futureelectronics.com

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