Principaux enseignements
- Un étage PFC à amplification CCM fonctionne de manière optimale lorsque l'on définit d'abord la forme d'onde de courant souhaitée, puis que l'on dimensionne l'inductance, le capteur et les boucles en fonction de cette exigence.
- Le courant d'ondulation de la ligne basse constitue le critère déterminant pour le choix d'une inductance, car il définit les conditions les plus strictes pour le maintien d'un courant continu et une détection précise.
- La simulation n'a de valeur que lorsque les voies de détection et de commande font partie intégrante du modèle, car la distorsion des formes d'onde provient souvent de ces liaisons plutôt que du seul étage de puissance.
Le PFC à élévation de tension en mode de conduction continue fonctionne lorsque l'ondulation de l'inductance, le capteur de courant et la boucle de régulation sont dimensionnés en partant de la forme du courant d'entrée.
Des étages PFC à conversion élévatrice mal dimensionnés peuvent tout de même atteindre la tension du bus tout en ne respectant pas la consigne de courant de ligne, car la forme d’onde n’a jamais constitué le critère de référence de la conception. Un étage d’entrée monophasé à conversion élévatrice en mode CCM doit prélever un courant quasi sinusoïdal à partir d’une source secteur redressée, tout en maintenant le commutateur, la diode, l’inductance et la boucle de régulation dans des limites de contrainte raisonnables. La demande mondiale en électricité a augmenté de 2,2 % en 2023, ce qui justifie que l’efficacité du circuit d’entrée et la qualité du courant fassent l’objet d’une conception minutieuse. Vous obtiendrez une meilleure conception de convertisseur élévateur si chaque choix de composant est vérifié par rapport à la forme d’onde du courant qu’il produira.
Le mode de conduction continue définit le flux de courant au cours de chaque cycle de commutation
Le mode de conduction continue signifie que le courant de l’inductance du convertisseur élévateur ne tombe jamais à zéro au cours d’une période de commutation. Cette seule condition modifie l’ensemble du circuit de correction du facteur de puissance, car la boucle de courant perçoit une rampe quasi continue au lieu de paquets de courant isolés. Vous contrôlez la forme moyenne du courant tandis que le courant de l’inductance reste continu d’un cycle à l’autre. C’est pourquoi le mode CCM est généralement privilégié pour la conception de circuits de convertisseurs élévateurs de puissance moyenne et élevée.
Un étage d'entrée universelle de 500 W met clairement en évidence la différence. À 100 kHz, une inductance correctement dimensionnée transmettra une ondulation triangulaire autour d’une enveloppe montante et descendante à la fréquence du réseau, de sorte que la forme d’onde du courant reste continue d’un cycle de commutation à l’autre. Cette continuité réduit le courant de crête par rapport à un fonctionnement discontinu, ce qui diminue les contraintes subies par les commutateurs et améliore souvent les marges d’émissions conduites. Le compromis réside dans la complexité de la commande, car la détection du courant et la compensation de boucle doivent suivre une petite ondulation superposée à une commande sinusoïdale beaucoup plus importante.
La correction du facteur de puissance commence par la valeur cible du courant d'entrée
La correction du facteur de puissance commence par le courant que l'on souhaite prélever sur le réseau, et non par le condensateur de sortie ou le rapport cyclique. Un étage PFC élévateur à courant continu moyen (CCM) doit faire en sorte que le courant d'entrée suive la tension d'entrée redressée, après mise à l'échelle en fonction de la puissance. Cela signifie que la forme d'onde cible est sinusoïdale et proportionnelle à la tension de ligne instantanée. Une fois cet objectif clairement défini, le reste de la conception du convertisseur élévateur a une fonction bien précise.
Un bloc d'alimentation de 300 W sous 230 V CA permet d'illustrer ce principe. Si la tension secteur redressée est élevée, le courant commandé dans l'inductance doit augmenter progressivement afin que l'entrée apparaisse comme résistive pour la source ; si la tension secteur chute près du passage à zéro, le courant commandé doit également diminuer en douceur. Les blocs d'alimentation pour ordinateurs cert ifiés ENERGY STAR d'une puissance nominale de 75 W ou plus imposent un facteur de puissance d'au moins 0,90 à 100 % de la puissance nominale. Si votre référence de courant est erronée, aucune étape de réglage ultérieure ne permettra de rétablir une forme d'onde d'entrée propre.
Le choix de la tension de sortie détermine la plage de fonctionnement du convertisseur élévateur
La tension de sortie détermine la plage du rapport cyclique, la contrainte subie par les semi-conducteurs, la marge de maintien et la contrainte de courant de ligne sur toute la plage de tension du réseau. Une tension de bus trop faible impose un rapport cyclique élevé lorsque la tension de ligne est faible, ce qui fait augmenter le courant efficace. Une tension de bus trop élevée augmente la contrainte de tension subie par les commutateurs et rend plus difficile le maintien du rendement. Il convient de choisir la tension de bus avant de déterminer définitivement les dimensions des composants magnétiques.
Une configuration courante utilise un bus d'environ 380 V à 400 V pour un fonctionnement en entrée universelle. Ce choix offre une marge au-dessus de la crête redressée de la ligne haute tout en conservant des valeurs nominales raisonnables pour les commutateurs et les diodes. Si l'on fait passer le bus à 450 V, les pertes au niveau des composants et la marge d'isolation diminuent. Si l'on descend près de 340 V, le rapport cyclique de la ligne basse augmente, ce qui rend le contrôle de l'ondulation plus difficile.
| Choix de la tension du bus | Son effet sur l'étage d'amplification du CCM |
| Bus à proximité du sommet de la High Line | Le rapport cyclique s'effondre lorsque la tension de ligne est élevée et que la marge de tension disparaît, ce qui rend la régulation instable en cas d'affaissement de la ligne. |
| Bus entre 380 V et 400 V | Cette gamme offre généralement un bon équilibre entre une compatibilité universelle en matière d'alimentation, des caractéristiques techniques adaptées à une utilisation pratique et un cycle de service raisonnable en cas de tension d'alimentation faible. |
| Le cours de l'action a fortement grimpé | La tension de commutation, la contrainte subie par le condensateur de sortie et les pertes de commutation augmentent toutes, même si la mise en forme du courant reste acceptable. |
| Le bus est réglé trop bas | Lorsque le courant RMS de la ligne basse augmente, l'inductance doit fournir un effort supplémentaire pour maintenir l'ondulation dans une plage de CCM acceptable. |
| Le bus a été choisi avant la conception magnétique | Cela permet de définir très tôt la plage de rapport cyclique, ce qui permet de vérifier la compatibilité des inducteurs et des capteurs par rapport à la même enveloppe de courant. |
La valeur de l'inductance est déterminée par le courant d'ondulation en cas de faible tension d'alimentation
Dans un étage élévateur CCM, l'inductance est déterminée par le courant d'ondulation admissible au point de fonctionnement le plus défavorable, qui correspond généralement à une tension d'alimentation faible et à pleine charge. Ce point génère le cycle de service le plus élevé et le courant d'entrée moyen le plus important. Une démarche de conception efficace consiste à commencer par définir une valeur cible pour la fraction d'ondulation, puis à déterminer l'inductance à partir de la fréquence de commutation et de la tension d'alimentation faible. Le dimensionnement se fait d'abord en fonction de la forme du courant, puis en fonction des pertes dans le cuivre.
Un exemple concret permet de mieux comprendre cette méthode. Prenons une entrée de 90 Vca, une sortie de 390 V, une puissance de 500 W et une fréquence de commutation de 100 kHz ; on peut alors, dans un premier temps, fixer l’ondulation à environ 20 % à 40 % du courant de ligne de crête. La relation habituelle entre le temps de conduction et l’ondulation permet de déterminer une inductance qui maintient l’ondulation de commutation à un niveau suffisamment faible pour le courant continu, sans pour autant nécessiter un composant magnétique surdimensionné. Une ondulation élevée augmente la distorsion au passage par zéro et le bruit du capteur. Une ondulation très faible augmente le volume, le coût et ralentit la réponse transitoire.
La détection du courant doit correspondre à la forme d'onde de l'inductance CCM.
La détection de courant dans un étage PFC à CCM doit mesurer la forme d'onde dont le contrôleur a réellement besoin, à savoir le courant de l'inductance ou un équivalent pur de celui-ci. Le capteur doit résister au bruit de commutation, préserver la pente et rester linéaire sur l'ensemble du cycle de ligne. Il n'est pas possible de choisir le capteur une fois l'étage de puissance terminé, car ses limites déterminent la boucle de courant. L'emplacement du capteur doit être intégré au circuit du convertisseur élévateur et conçu en même temps que celui-ci.
Un shunt « low-side » placé sous le commutateur fournit un signal simple, mais la forme d'onde présente des fronts abrupts et nécessite un suppresseur de signal. Un réseau inductance-DCR peut réduire la dissipation, mais la dérive thermique et le retard de filtrage doivent être gérés avec soin, sous peine de voir la boucle suivre une estimation de courant décalée. Un modèle dans SPS SOFTWARE s’avère utile dans ce cas, car le capteur de courant, le filtre et la suppression PWM peuvent être associés à la même forme d’onde d’inductance que vous avez dimensionnée. Cela permet de voir clairement quand un schéma de détection apparemment correct altère en réalité les informations de courant dont dépend la régulation CCM.
« Le capteur doit être intégré au circuit du convertisseur élévateur et sa conception doit être pensée en fonction de celui-ci. »
La boucle de courant doit suivre la sinusoïde redressée
Dans un étage PFC élévateur à modulation de courant (CCM), la boucle de courant doit forcer le courant moyen de l'inductance à suivre une référence sinusoïdale redressée tout au long du cycle du réseau. Un bon suivi permet de maintenir un facteur de puissance élevé et une distorsion harmonique totale faible. La boucle doit être suffisamment rapide pour corriger les erreurs liées à l'échelle de commutation, et suffisamment lente pour ignorer les pics de bruit. Comme vous modelez une forme d'onde, la bande passante et le filtrage doivent se consacrer exclusivement à cette tâche.
Un régulateur à multiplicateur en est un exemple clair. La boucle de tension externe définit le niveau de puissance, la tension secteur redressée détermine la forme d'onde, et la boucle de courant interne fait en sorte que le courant détecté suive cette commande à chaque cycle de commutation. Si le compensateur de courant est trop lent, un aplatissement des crêtes apparaît vers le sommet du cycle de ligne et le courant de ligne commence à prendre du retard par rapport à la commande. Si le compensateur est trop agressif, l'ondulation de commutation se répercute sur le rapport cyclique et la forme d'onde du courant devient irrégulière. Un bon réglage se traduit par une enveloppe sinusoïdale lisse, surmontée uniquement d'une ondulation triangulaire contrôlée.
La bande passante de la boucle de tension doit rester inférieure à la fréquence du réseau
La boucle de tension d’un étage PFC élévateur monophasé doit être nettement plus lente que la forme d’onde du réseau afin de ne pas réagir aux pulsations de puissance dont la fréquence est le double de celle du réseau. Une boucle de tension rapide introduirait une distorsion dans la référence de courant et dégraderait le facteur de puissance. Une boucle lente assure une régulation stable de la tension de sortie tout en laissant la boucle de courant remplir sa fonction. C’est l’une des principales différences qui distinguent une conception CCM performante d’une conception bruyante.
Une alimentation à 60 Hz introduit une ondulation de puissance de 120 Hz dans le bus CC, même lorsque la mise en forme du courant est excellente. Si le croisement de la boucle de tension se rapproche de cette ondulation, le contrôleur commence à corriger une variation d’énergie normale comme s’il s’agissait d’une erreur, ce qui se traduit par une distorsion visible du courant près de chaque crête de demi-cycle. C’est pour cette raison que de nombreux concepteurs maintiennent la boucle de tension bien en dessous de 20 Hz. Le condensateur de sortie, la cible de réponse en charge et les exigences de maintien de tension restent importants, mais ils doivent être mis en balance avec la nécessité de préserver la commande de courant de toute ondulation liée à la fréquence du réseau.
« Une bonne conception PFC ne repose pas tant sur des équations isolées que sur le souci de faire en sorte que chaque choix soit cohérent avec la forme du courant. »
La simulation doit mettre en évidence les distorsions de courant avant le choix du matériel.
Une bonne simulation d’un circuit convertisseur élévateur permettra de visualiser la forme du courant, l’ondulation, la plage de rapport cyclique et les limites des capteurs avant même de choisir le matériel. Cette vérification s’avère plus utile qu’un schéma soigné, car la réussite du mode CCM dépend de la qualité des formes d’onde en cas de tension d’alimentation faible ou élevée, de charge légère ou à pleine charge. Vous repérerez rapidement les choix de composants inadaptés si le modèle intègre la boucle de commande. C’est là qu’une conception rigoureuse permet généralement de gagner du temps.
Un modèle de révision efficace devrait permettre de vérifier ces cinq points avant que les pièces ne soient bloquées :
- L'ondulation de ligne reste dans la plage de courant nominal (CCM) prévue.
- Le filtrage du capteur préserve la pente du courant de l'inductance.
- La référence actuelle correspond à l'enveloppe rectifiée de la ligne.
- La boucle de tension ne modifie pas la forme du courant de ligne.
- Les contraintes subies par le commutateur et la diode restent dans les limites de la marge de sécurité.
Un modèle intégrant l'inductance, le capteur de courant, la logique PWM et les compensateurs permettra de comprendre pourquoi certaines valeurs de composants semblent sûres sur le papier mais génèrent néanmoins des distorsions. C'est là que réside l'intérêt pratique du logiciel SPS dans ce processus de travail : vous pouvez tester l'étage élévateur CCM complet, avec les circuits de détection et de contrôle intégrés, puis évaluer les composants en fonction des formes d'onde qu'ils génèrent. Une bonne conception PFC repose moins sur des équations isolées que sur la nécessité de s'assurer que chaque choix est cohérent avec la forme du courant.
