Les convertisseurs CC/CC avancés simplifient la conception des réseaux de distribution dans l'industrie, la médecine et les transports

Avec l'utilisation accrue de l'électronique dans les applications industrielles, médicales et de transport, les concepteurs de sous-systèmes d'alimentation de support doivent garantir des performances élevées dans des environnements physiquement et électriquement exigeants, tout en respectant de strictes exigences réglementaires et de sécurité. Dans le même temps, ils doivent respecter des contraintes budgétaires et des calendriers de conception toujours plus serrés.

Les convertisseurs CC/CC ont évolué de façon spectaculaire au fil du temps afin de répondre à nombre de ces exigences. Leur taille a été réduite pour une densité de puissance plus élevée afin d'économiser de l'espace, et ils offrent de larges plages d'entrées pour simplifier la gestion des stocks et réduire la nomenclature. Parmi les autres améliorations destinées à faciliter la tâche du concepteur, citons des sorties à faible bruit, une régulation plus stricte de la charge, des dispositifs de protection et de sécurité robustes et une attention remarquable à la gestion thermique. Cependant, comme les concepteurs peuvent s'y attendre, tous les convertisseurs CC/CC ne se valent pas, ce qui les oblige à faire preuve de discernement dans leur sélection afin de garantir le succès de la conception et de l'application.

Cet article présente des convertisseurs CC/CC de Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor et XP Power qui se caractérisent par leur format compact, assurent un faible bruit d'ondulation et sont compatibles avec les tensions de sortie simples et doubles. Il met également en évidence et explique les fonctionnalités et les améliorations qui ont été apportées, et comment elles peuvent aider les concepteurs à renforcer les capacités de réglage de l'alimentation, à réduire le bruit, à assurer une autoprotection et à fournir une meilleure gestion thermique.

Principe de fonctionnement des convertisseurs CC/CC

Comme son nom l'indique, un convertisseur CC/CC utilise une tension d'entrée provenant d'une source de courant continu et la convertit en sortie correspondant à une autre tension continue. La sortie peut être soit inférieure (convertisseur abaisseur), soit supérieure (convertisseur élévateur) à la tension d'entrée. Les convertisseurs CC/CC sont isolés ou non. Un convertisseur CC/CC isolé utilise un transformateur pour éliminer le trajet CC entre l'entrée et la sortie (Figure 1).

Figure 1 : Ce convertisseur CC/CC est isolé, comme indiqué par le transformateur entre les étages d'entrée et de sortie. (Source de l'image : XP Power)

En revanche, les convertisseurs CC/CC non isolés, souvent utilisés lorsque la variation de tension est faible, présentent un trajet CC entre l'entrée et la sortie.

Principaux facteurs à prendre en compte en matière de performances et de conception

Les principales caractéristiques de performances des convertisseurs CC/CC sont le rendement, le courant nominal, la tension d'ondulation, la régulation, la réponse transitoire, la tension nominale, la taille et le poids. Pour en savoir plus, reportez-vous à la page de présentation des convertisseurs CC/CC. Les concepteurs doivent également se soucier de la capacité d'un convertisseur à prendre en charge une large plage de tensions d'entrée nominales. Cela permet à un convertisseur de couvrir de nombreuses applications, réduisant ainsi les stocks et la logistique, en supposant qu'il soit également capable de fournir la tension de sortie et le courant nominal nécessaires pour les charges prévues.

Selon l'application et la nature de la source de l'alimentation, une protection contre les surtensions, les sous-tensions, les inversions de polarité, les courts-circuits et la surchauffe est également cruciale. De même, une bonne compatibilité électromagnétique (CEM) et une protection correcte face aux interférences électromagnétiques (EMI) sont indispensables. Cela revêt une importance particulière dans la mesure où les alimentations à découpage utilisées dans les convertisseurs CC/CC peuvent induire du bruit directement dans la charge et émettre du bruit RF susceptible d'affecter la stabilité et la précision des circuits voisins.

Enfin, les concepteurs doivent examiner attentivement les caractéristiques thermiques du convertisseur dans le contexte de la conception et des conditions de fonctionnement de l'application, afin de pouvoir appliquer une ventilation adéquate et d'autres techniques de gestion thermique selon les besoins.

Les convertisseurs CC/CC à format plus compact sont à privilégier

Plusieurs applications exigent des convertisseurs CC/CC de format compact afin d'économiser de l'espace et simplifier l'installation. Pour de telles applications, Bellnix a conçu spécifiquement la série OHV comprenant des convertisseurs CC/CC de moyenne à haute tension de 1,5 W, afin de réduire la surface de montage requise de près de 60 % par rapport aux modules disponibles au moment du développement. On peut citer comme exemple le dispositif OHV12-1.0K1500P, un système en boîtier (SiP) qui mesure 44 mm x 16 mm x 30 mm et qui délivre 1000 V à 1,5 mA (Figure 2). Bellnix a également conçu cette série de manière à maintenir le bruit d'ondulation à un niveau de seulement 5 mV de crête à crête (_P-P).

Figure 2 : Le convertisseur ultracompact OHV12-1.0K500P de Bellnix mesure 44 mm x 16 mm x 30 mm et délivre 1000 V à 1,5 mA. (Source de l'image : Bellnix)

Cette série fonctionne à partir d'une entrée de 11 à 13 V à 0,28 A. Elle peut produire entre zéro et +/- 1000 V (0 à 1,5 mA), 1500 V (0 à 1,0 mA) et 2000 V (0 à 0,7 mA), selon le modèle.

Le faible bruit d'ondulation de 5 mV_P-P des dispositifs est important pour les applications telles que l'instrumentation, où toute instabilité de l'alimentation haute tension peut induire du bruit et affecter la précision de l'équipement. Bellnix a développé sa propre technologie de circuit pour réduire le bruit au minimum, et bien que les dispositifs soient autonomes, sans nécessité de composants externes, les concepteurs peuvent ajouter des composants pour réduire encore davantage le bruit ainsi que l'impédance d'entrée (Figure 3).

Figure 3 : Pour réduire l'impédance d'entrée due à la longueur du câble entre l'alimentation et le convertisseur, les concepteurs peuvent ajouter un condensateur C1 côté borne. Pour réduire davantage le bruit, il est possible d'ajouter C2 sur toute la charge. (Source de l'image : Bellnix)

Par exemple, pour réduire l'impédance d'entrée causée par une longue distance entre le convertisseur et l'alimentation électrique, un condensateur C1 peut être ajouté à l'entrée. Ce condensateur doit être placé sur le côté borne du convertisseur pour réduire l'inductance des conducteurs. Pour réduire le bruit, un condensateur (C2) peut être placé avec soin à proximité de la charge afin de limiter le câblage d'entrée-sortie, en accordant une attention particulière aux lignes de fuite et aux distances spatiales.

Tous les dispositifs de la ligne intègrent une protection contre les courts-circuits et les surintensités, et ils améliorent encore la fiabilité de l'alimentation grâce à un boîtier métallique à cinq côtés qui utilise un blindage supplémentaire pour protéger le dispositif contre une chaleur et une température excessives. La tension de sortie de la série OHV peut être contrôlée de 0 V à 2000 V par une tension externe ou une résistance variable externe.

Pour les concepteurs de dispositifs à piles, la série nHV de HVM Technology offre une puissance régulée avec précision de 100 mW à 1 kV dans un boîtier mesurant 11,4 mm x 8,9 mm, d'une hauteur de 9,4 mm. Plus précisément, la régulation de la charge est < 0,2 % (typ.), de l'absence de charge à la pleine charge.

La série nHV accepte une entrée de 5 V (4,5 V ±0,5 V). Selon le modèle, les plages de tensions de sortie varient entre -1200 V (NHV0512N) et 1200 V (NHV0512) à 83 µA, et entre -100 V (NHV0501N) et 100 V (NHV0501) à 1 mA.

La série utilise une entrée de programmation à haute impédance (100 kΩ) pour rendre les dispositifs faciles à installer et éliminer le besoin d'une tension de source d'alimentation réglable à faible impédance. La tension de sortie est indépendante de la tension d'entrée et, en revanche, proportionnelle à la tension de programmation pour assurer une linéarité robuste.

Vaste plage d'entrées

À l'instar de la série nHV, les convertisseurs CC/CC des séries DTJ15 et DTJ20 de 15 W et 20 W de XP Power sont également miniaturisés pour une installation facile et un fonctionnement économe en énergie, mais avec une petite particularité : ils peuvent être installés sur un châssis ou un rail DIN et reliés par des bornes à vis (Figure 4).

Figure 4 : Les convertisseurs CC/CC de format compact séries DTJ15 et DTJ20 peuvent être facilement installés sur un rail DIN et présentent une large plage de tensions d'entrée. (Source de l'image : XP Power)

Outre leur facilité d'installation, ces convertisseurs de puissance se caractérisent par leur capacité à couvrir une large plage de tensions CC d'entrée, allant de 9 V à 36 V, et de 18 C à 75 V. Diverses sources d'entrée, y compris de multiples tensions de batterie nominales et des alimentations de véhicules, permettent à ces convertisseurs de couvrir un large éventail d'applications industrielles, commerciales et de communication.

Ensemble, les contrôleurs CC/CC séries DTJ15 et DTJ20 offrent un total de 14 variantes avec des dispositifs à sortie simple fournissant des tensions de 3,3 V, 5,0 V, 12,0 V et 15,0 V, et des dispositifs à sortie double fournissant respectivement ±5,0 V, ±12,0 V et ±15,0 V (Figure 5).

Figure 5 : Les convertisseurs CC/CC séries DTJ15 et DTJ20 se distinguent par leur large plage de tensions d'entrée, ainsi que par leur plage de sortie, cette dernière totalisant 14 variantes. L'image montre la sortie du convertisseur DTJ15, 15 W. (Source de l'image : XP Power)

Une fonction marche/arrêt à distance permet de contrôler les convertisseurs CC/CC par un logiciel, afin de surveiller la consommation d'énergie globale et de faire fonctionner efficacement les installations à distance.

Une autre fonctionnalité importante des convertisseurs CC/CC séries DTJ15 et DTJ20 concerne le démarrage progressif qui augmente la tension de sortie en modulant la référence interne de l'amplificateur d'erreur. La tension de sortie se rapproche ainsi d'une rampe linéaire progressive, qui se termine lorsque la tension atteint la tension de sortie nominale. Les contrôleurs séries DTJ15 et DTJ20 offrent d'autres fonctionnalités de protection, notamment une protection contre les courts-circuits et une protection contre l'inversion de la polarité en entrée.

Portefeuille de fonctionnalités de protection

La conception des réseaux de distribution pour les applications ferroviaires, industrielles et de transport exige des temps de stabilisation rapides pour les charges transitoires. D'autres événements transitoires, tels que les oscillations de la tension d'entrée et de sortie rendent les fonctionnalités d'autoprotection essentielles au fonctionnement sûr et fiable des convertisseurs CC/CC.

En mode de limitation de courant, également appelée limitation de puissance, dès que le courant de sortie augmente jusqu'à environ 130 % de sa valeur nominale, le convertisseur CC/CC passe en mode de limitation de courant. En conséquence, la tension de sortie commence à diminuer proportionnellement pour maintenir une dissipation de puissance relativement constante.

Si les conditions environnementales entraînent une augmentation de la température du convertisseur CC/CC au-delà de sa température de fonctionnement prévue, un capteur de température de précision met l'appareil hors tension. Une fois que la température interne descend en dessous du seuil du capteur de température, le convertisseur CC/CC se remet en marche automatiquement.

Les convertisseurs CC/CC isolés de la série IRE-Q12 de Murata sont dotés de fonctionnalités d'autoprotection pour garantir l'absence d'effets néfastes dus à des charges capacitives plus élevées (Figure 6). Par exemple, le dispositif IRE-12/10-Q12PF-C intègre toutes les fonctionnalités d'autoprotection pertinentes tout en répondant aux exigences de la norme EN50155 pour faciliter les tensions nominales des batteries en cas de microcoupures et de conditions transitoires.

Figure 6 : Les convertisseurs de la série IRE-Q12 sont soumis à des tests approfondis pour s'assurer qu'ils peuvent résister aux conditions environnementales difficiles que l'on trouve généralement dans les applications ferroviaires et industrielles. (Source de l'image : Murata)

Les convertisseurs série IRE-Q12 fournissent une sortie isolée simple de 120 W depuis une plage de tensions d'entrée allant de 9 V à 36 V, dans un boîtier standard au format 1/8 de brique. Ils offrent également deux options de socle, l'une pour une consommation minimale d'espace sur la carte, l'autre pour une bride fendue permettant la fixation mécanique à un dissipateur thermique.

La sortie de ces convertisseurs CC/CC peut être ajustée de +/-10 % afin d'assurer des temps de stabilisation rapides aux charges transitoires. En outre, tous les convertisseurs sont testés et spécifiés pour un courant ondulé réfléchi en entrée, un courant ondulé aux bornes d'entrée et un bruit de sortie.

Modes d'alimentation autonome et en réseau

Le dispositif DCM2322 de Vicor appartient à une série de convertisseurs CC/CC isolés qui fonctionnent à partir d'entrées CC non régulées allant de 9 V à 50 V pour générer une sortie isolée de 28 V (Figure 7). Il est basé sur la topologie de commutation au zéro de la tension et à double tension (DC-ZVS) de la société qui lui permet d'afficher un rendement élevé de 93 % sur toute la plage de tensions d'entrée.

Figure 7 : La topologie DC-ZVS permet aux convertisseurs DCM2322 d'atteindre un rendement de 93 %. (Source de l'image : Vicor)

Les modules de conversion CC/CC (DCM), tels que le DCM2322T50T3160T60, tirent parti des avantages thermiques et de densité de la technologie de conditionnement ChiP de Vicor, qui répartit la chaleur générée en interne de manière uniforme sur toute la surface du boîtier. La technologie ChiP permet également aux convertisseurs DCM d'offrir des options de gestion thermique flexibles avec des impédances thermiques côtés supérieur et inférieur très faibles.

Cette répartition thermique efficace permet aux modules DCM d'offrir une connectivité à partir de nombreuses sources d'alimentation non régulées vers le point de charge. Ces modules fournissent à la fois une protection contre les surtensions d'entrée et de sortie et d'autres mécanismes de gestion des pannes qui arrêtent les convertisseurs lorsqu'un problème est détecté (Figure 8).

Figure 8 : Les convertisseurs DCM simplifient les capacités de surveillance des pannes, ainsi que les fonctionnalités de sécurité, dont la limitation du courant et le contrôle du démarrage progressif. (Source de l'image : Vicor)

Ces fonctionnalités permettent aux convertisseurs DCM de fournir une tension de sortie régulée autour des lignes de charge et des coefficients de température nominaux définis. Si la température interne du convertisseur dépasse la limite définie, un dysfonctionnement de température est enregistré, et le groupe motopropulseur cesse immédiatement de fonctionner. Le convertisseur attend que la température interne retourne au seuil donné avant de redémarrer.

De plus, ces convertisseurs CC/CC offrent un filtrage EMI intégré, une régulation stricte de la tension de sortie et une interface de commande référencée secondaire, tout en conservant les avantages fondamentaux de l'architecture de type brique classique.

Dans les applications qui nécessitent plus de puissance qu'un convertisseur CC/CC ne peut en fournir à lui seul, comme les data centers et les équipements de télécommunication, plusieurs dispositifs peuvent être utilisés en parallèle. Plusieurs convertisseurs DCM peuvent être mis en parallèle en mode réseau pour atteindre une plus grande capacité de puissance via le partage de charge, même lorsqu'ils fonctionnent avec des tensions d'entrée différentes. Vicor a certifié des réseaux comprenant jusqu'à huit convertisseurs CC/CC pour une capacité de 480 W.

Conclusion

Pour les concepteurs d'alimentations destinées à assurer le fonctionnement de systèmes électroniques pour des applications industrielles, médicales, de transport et d'instrumentation, la complexité et les coûts associés sont nombreux, depuis la nécessité de disposer de larges plages de tensions d'entrée jusqu'à la gestion thermique et le partage de charge. Cependant, comme nous l'avons montré, les convertisseurs CC/CC ont évolué pour devenir des alimentations autonomes de plus en plus petites et faciles à installer qui éliminent une grande partie de ces difficultés.

Néanmoins, pour les concepteurs à la recherche de meilleures performances, il est toujours possible d'ajouter des composants supplémentaires. En outre, lorsqu'une plus grande flexibilité est requise, des fonctions à distance et programmables sont désormais disponibles pour permettre une compensation d'impédance et faciliter l'utilisation d'une variété de fonctionnalités de protection afin d'éviter les surcharges, de faire face à des conditions transitoires et de réduire la consommation électrique globale du système.

Lectures complémentaires

1. Présentation des convertisseurs CC/CC