Un aperçu de la commutation au zéro de la tension et de son importance pour la régulation de la tension

La conception d'un circuit de régulateur abaisseur de tension (dévolteur) CC/CC est de plus en plus complexe, car la densité de puissance (W/m3) et les niveaux de tension d'alimentation CC augmentent, et les exigences de tension de puce baissent pour augmenter le rendement. La différence entre la tension d'alimentation et celle requise par la puce crée une baisse importante dans le régulateur, augmentant les pertes de commutation et limitant ainsi la fréquence de commutation du dispositif.

Par exemple, un système de contrôle de processus peut nécessiter une régulation de 24 à 3,3 V, un écart généralement comblé à l'aide de deux étages de régulation, ce qui augmente les problèmes liés à l'espace carte, au coût et à la fiabilité. De plus, la fréquence de commutation limitée constitue un inconvénient, car elle oblige les ingénieurs à utiliser des composants passifs et des composants magnétiques plus grands pour le filtrage des circuits, ce qui augmente la taille de la solution et affecte la densité de puissance.

La commutation au zéro de la tension (ZVS) constitue une solution permettant de revenir à une fréquence de commutation plus rapide, à une tension d'entrée et une baisse de tension plus élevées. Cette technique, comme pratiquement tous les régulateurs à découpage modernes, utilise un fonctionnement à modulation de largeur d'impulsion (PWM), mais avec une phase distincte supplémentaire pour la temporisation PWM rendant possible le fonctionnement ZVS. La technologie ZVS permet au régulateur de tension de déclencher une « commutation douce », évitant ainsi les pertes de commutation qui se produisent généralement lors d'un fonctionnement et d'une temporisation PWM classiques.

Cet article décrit la technologie ZVS et explique ses avantages.

Pertes de commutation dure

La plupart des régulateurs abaisseurs non isolés modernes génèrent des pertes de commutation élevées en raison de la présence simultanée de contraintes de haute tension et de fort courant sur le commutateur de transistor MOSFET intégré du régulateur lors des transitions d'activation et de désactivation. Ces pertes augmentent avec la fréquence de commutation et la tension d'entrée, et limitent la fréquence de fonctionnement maximale, le rendement et la densité de puissance.

La commutation dure se produit pendant le chevauchement entre la tension et le courant, lors de l'activation et de la désactivation du MOSFET. Les fabricants de régulateurs de tension essaient de limiter le chevauchement afin de minimiser les pertes de commutation, en augmentant le taux de variation du courant (di/dt) et de la tension (dv/dt) dans la forme d'onde de commutation. Les Figures 1 et 2 indiquent où se produisent les pertes et présentent une forme d'onde de commutation réelle avec une tension à variation rapide, conçue pour limiter ces pertes.


Figure 1 : Les pertes du régulateur de tension se produisent pendant le chevauchement tension/courant, lors de la commutation du transistor MOSFET (avec l'autorisation d'Infineon Technologies).


Figure 2 : Les fabricants augmentent les valeurs dv/dt afin de limiter le chevauchement et d'améliorer le rendement (avec l'autorisation d'Infineon Technologies).

L'inconvénient de la commutation rapide est l'augmentation des interférences électromagnétiques (EMI) émanant des circuits du régulateur de tension.

L'un des moyens de limiter les effets des interférences électromagnétiques, tout en tirant parti de la commutation rapide afin d'améliorer le rendement, est de sélectionner un régulateur à découpage utilisant une technique de commutation dure améliorée, appelée commutation quasi-résonnante (ou commutation en « creux »). Infineon Technologies propose une gamme de MOSFET de puissance, comme la série CoolMOS, pour des régulateurs à découpage indirects quasi-résonnants.

Lors d'une commutation quasi-résonnante, le MOSFET est activé lorsque la tension drain-source est minimale (dans un creux) afin de limiter les pertes de commutation. Cela permet au dispositif de fonctionner avec un taux de variation de la tension ou du courant plus faible, réduisant ainsi les interférences électromagnétiques. La commutation quasi-résonnante présente un autre effet positif : la commutation étant déclenchée lors de la détection d'un creux, et non à fréquence fixe, un degré de gigue de fréquence est introduit, ce qui élargit le spectre d'émission RF et réduit davantage les interférences électromagnétiques.

L'inconvénient de la commutation quasi-résonnante est qu'elle induit des pertes plus importantes à faibles charges. Toutefois, ce problème est éliminé sur les dispositifs modernes en utilisant un circuit de blocage de fréquence afin de limiter la fréquence de fonctionnement maximum. La Figure 3 présente une forme d'onde de commutation quasi-résonnante pour un convertisseur indirect où le transistor MOSFET est commuté dans les creux.


Figure 3 : Forme d'onde de commutation quasi-résonnante pour un convertisseur indirect (avec l'autorisation d'Infineon Technologies).

Commutation douce au zéro de la tension

La commutation quasi-résonnante constitue une bonne technique pour améliorer le rendement du convertisseur de tension. Cependant, il est possible d'améliorer davantage le rendement en mettant en œuvre une commutation entièrement douce. Lors de la commutation douce, la tension tombe à zéro (au lieu d'être ramenée à un niveau minimal) avant l'activation ou la désactivation du transistor MOSFET, ce qui élimine tout chevauchement entre la tension et le courant, et réduit les pertes. (La technique permet également de commuter le transistor MOSFET lorsque le courant, et non la tension, atteint zéro. C'est ce que l'on appelle la commutation au zéro du courant (ZCS).) Autre avantage : les formes d'ondes de la commutation douce limitent les interférences électromagnétiques (Figure 4).


Figure 4 : Forme d'onde de courant et de tension du transistor MOSFET à commutation douce (avec l'autorisation d'Infineon Technologies).

La commutation douce (ZVS) peut être mieux définie comme une conversion de puissance PWM classique pendant le délai d'activation du MOSFET, mais avec des transitions de commutation « résonnantes ». La technique peut être considérée comme une puissance PWM utilisant un contrôle du délai de désactivation constant qui fait varier la fréquence de conversion, ou du délai d'activation pour maintenir la régulation de la tension de sortie. Pour une unité de temps donnée, cette méthode est semblable à une conversion à fréquence fixe utilisant un rapport cyclique ajustable.

La régulation de la tension de sortie repose sur l'ajustement du rapport cyclique effectif (et par conséquent, du délai d'activation), en variant la fréquence de conversion. Lors du délai de désactivation du commutateur ZVS, le circuit L-C du régulateur résonne en faisant circuler la tension dans le commutateur de zéro à la valeur maximale, puis à nouveau à zéro lorsque le commutateur peut être réactivé et la commutation ZVS sans perte facilitée. Les pertes de transition du MOSFET sont nulles (quelles que soient la fréquence de fonctionnement et la tension d'entrée), représentant ainsi des économies d'énergie importantes et une amélioration notable du rendement (Figure 5). Grâce à ces caractéristiques, la technique ZVS est adaptée aux conceptions de convertisseurs haute fréquence et haute tension.¹


Figure 5 : Une modulation PWM classique utilise une fréquence fixe, mais fait varier le rapport cyclique pour l'exécution de la régulation. En revanche, la technologie ZVS fait varier la fréquence de conversion (qui en retour modifie le délai d'activation) afin de maintenir la tension de sortie (avec l'autorisation de Texas Instruments).

La technologie ZVS présente deux autres avantages. Elle réduit le spectre harmonique des interférences électromagnétiques (en le centrant sur la fréquence de commutation) et permet un fonctionnement à une fréquence plus élevée, ce qui se traduit par des bruits réduits plus faciles à filtrer, et par l'utilisation de composants de filtre plus petits.

L'inconvénient est que rien ne garantit (en particulier à des fréquences élevées) que le transistor MOSFET a dissipé toute son énergie avant d'être désactivé. À long terme, cette énergie « stockée » peut entraîner la défaillance des composants, principalement dans un régulateur à découpage rapide. Pour remédier à ce problème, les fabricants de modules de puissance ajoutent une diode de substrat rapide en parallèle avec le commutateur pour s'assurer que toute l'énergie est drainée du transistor (Figure 6).²


Figure 6 : Les topologies ZVS incluent typiquement une diode de substrat rapide en parallèle avec le transistor MOSFET pour s'assurer que toute l'énergie est drainée du transistor (avec l'autorisation d'Infineon Technologies).

Fonctionnement de la commutation au zéro de la tension

La Figure 7 présente le schéma d'une topologie de type abaisseur ZVS. Ce circuit est identique à un régulateur abaisseur classique, à l'exception d'un commutateur de blocage supplémentaire, connecté sur l'inductance de sortie. Le commutateur est ajouté pour permettre l'utilisation de l'énergie stockée dans l'inductance de sortie pour la mise en œuvre de la technologie ZVS.


Figure 7 : Topologie de type abaisseur ZVS (avec l'autorisation de Vicor).

Le convertisseur abaisseur ZVS fonctionne suivant trois principaux états. Ces derniers sont définis comme suit : phase d'activation de Q1, phase d'activation de Q2 et phase de blocage. Q1 est activé lorsque le courant est nul et que la tension drain-source est presque nulle. Le courant augmente dans le transistor MOSFET et l'inductance de sortie pour atteindre une valeur de courant de crête déterminée par le délai d'activation de Q1, la tension dans l'inductance et la valeur de l'inductance. Lors de la phase d'activation de Q1, l'énergie est stockée dans l'inductance de sortie et la charge est envoyée au condensateur de sortie. En outre, la dissipation de puissance dans Q1 est dominée par la résistance à l'état passant du transistor MOSFET et la perte de commutation est minime.

Ensuite, Q1 est rapidement désactivé, suivi d'un très court délai de conduction de la diode de substrat (ajoutant une dissipation de puissance minime). Pendant la commutation du courant vers la diode de substrat, Q1 subit des pertes liées à la désactivation, proportionnelles au courant d'inductance de crête. Ensuite, Q2 est activé et l'énergie stockée dans l'inductance de sortie est transmise au condensateur de charge et de sortie. Lorsque le courant d'inductance atteint zéro, le Q2 du MOSFET synchrone est maintenu activé suffisamment longtemps pour stocker de l'énergie dans l'inductance de sortie à partir du condensateur de sortie.

Une fois que le contrôleur a déterminé que l'énergie stockée dans l'inductance est suffisante, le MOSFET synchrone se désactive et le commutateur de blocage s'active, bloquant le nœud VS sur VOUT. Le commutateur de blocage isole le courant de l'inductance de sortie de la sortie tout en faisant circuler l'énergie stockée sous forme de courant quasiment sans perte. Pendant la phase de blocage (très brève), la sortie est fournie par le condensateur de sortie.

À la fin de la phase de blocage, le commutateur de blocage s'ouvre. L'énergie stockée dans l'inductance de sortie résonne avec la combinaison parallèle des capacités de sortie de Q1 et Q2, ce qui amène le nœud VS à résonner vers V_IN. Cette résonance décharge la capacité de sortie de Q1, réduit la charge grille-drain (Miller) de Q1 et charge la capacité de sortie de Q2. Cela permet d'activer Q1 sans perte lorsque le nœud VS est presque égal à V_IN.³

Modules d'alimentation avec ZVS

Vicor est un excellent exemple de société qui a adopté la topologie ZVS. La société a créé un livre blanc expliquant le fonctionnement de la technologie ZVS dans des applications de régulateur abaisseur de point de charge (POL) non isolé.

Les régulateurs abaisseurs Cool-Power ZVS de la société constituent une famille de modules de convertisseurs ZVS CC/CC isolés et haute densité intégrant un contrôleur, des commutateurs, des composants magnétiques planar et des composants de support dans un boîtier haute densité à montage en surface.

Ces modules d'alimentation sont fournis avec trois plages de tensions d'entrée : 48 V pour les applications de communications, 28 V pour les applications haute température renforcées et 24 V pour les applications industrielles. Les modules sont équipés de différentes fonctionnalités programmables, notamment une fonction d'ajustement de la tension de sortie et une capacité de démarrage progressif programmable (Figure 8).


Figure 8 : Les régulateurs abaisseurs Cool-Power ZVS de Vicor constituent une famille de modules de convertisseurs ZVS CC/CC isolés et haute densité.

La société affirme que la technologie ZVS offre un rendement jusqu'à 12 % supérieur par rapport aux autres dispositifs du marché (Figure 9).


Figure 9 : Courbes de rendement de la topologie ZVS Picor PI13312 de Vicor par rapport aux autres dispositifs du marché.

D'autres fabricants proposent des contrôleurs modulaires pouvant être utilisés dans les stratégies de contrôle ZVS pour les convertisseurs en pont complet. Linear Technology propose par exemple le modèle LTC3722 à cet effet. Ce contrôleur PWM à déphasage fournit toutes les fonctions de contrôle et de protection nécessaires à la mise en œuvre d'un convertisseur de puissance en pont complet ZVS haut rendement. Les circuits ZVS adaptatifs retardent les signaux d'activation de chaque transistor MOSFET, indépendamment des tolérances des composants internes et externes. La puce peut être utilisée comme base pour les régulateurs de tension avec un rendement atteignant 93 %.

Pour sa part, Texas Instruments (TI) propose un contrôleur à découpage CC/CC, l'UCC28950, pour la régulation ZVS. Ce contrôleur peut mettre en œuvre la supervision d'un convertisseur en pont complet avec contrôle actif de l'étage de sortie du redresseur synchrone. Les signaux côté primaire permettent des retards programmables pour garantir le fonctionnement ZVS sur une vaste plage de courants de charge et de tensions d'entrée, tandis que le courant de charge règle les délais de commutation du redresseur synchrone côté secondaire, optimisant ainsi le rendement du système.

Augmentation de la densité d'énergie

Les régulateurs haute densité s'efforcent de répondre aux exigences des systèmes électroniques modernes, notamment en raison des pertes de commutation qui nuisent aux performances des MOSFET des régulateurs. La technologie ZVS résout ces pertes et peut être appliquée à la plupart des conceptions de conversion de puissance, mais elle est surtout bénéfique aux conceptions fonctionnant à partir d'une entrée haute tension. Il est possible d'améliorer considérablement le rendement des applications ZVS haute tension en demi-pont et en pont complet par rapport à leurs équivalents à commande PWM.

En outre, la technologie ZVS permet l'utilisation de commutateurs avec des tensions nominales plus faibles, car il n'existe aucune surtension transitoire, et la tension inverse appliquée aux commutateurs principaux est limitée tout au plus à la tension d'entrée de crête. Cela donne aux ingénieurs la possibilité d'utiliser des composants dotés de caractéristiques supérieures, telles que des pertes de conduction plus faibles, des courants d'attaque plus faibles et une densité d'énergie plus élevée.

Pour plus d'informations sur les composants mentionnés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages d'informations produits sur le site Web de DigiKey.

Références :

1. Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion, Bill Andreycak, Texas Instruments, 1999.
2. CoolMOS™ Benefits in both Hard and Soft Switching SMPS topologies, Infineon Technologies, novembre 2011.
3. High-Performance ZVS Buck Regulator Removes Barriers to Increased Power Throughput in Wide Input Range Point-Of-Load Applications, C. R. Swartz, Vicor, août 2012.