Utiliser un transformateur Flyback de qualité automobile pour les conceptions d'alimentation de VE compactes

Les besoins en alimentation électrique et électronique des conceptions automobiles innovantes peuvent se résumer comme suit : puissance accrue, rendement amélioré, encombrement réduit et fiabilité supérieure. Dans le cas des véhicules électriques (VE), le rendement est essentiel pour aider à atténuer « l'angoisse de l'autonomie » pour les utilisateurs. La combinaison des exigences dans le contexte des VE se traduit par des solutions d'alimentation compactes et légères pour les sources d'alimentation de secours et auxiliaires. Les alimentations plus petites posent des défis supplémentaires, notamment la nécessité d'un meilleur isolement pour éviter les claquages entre des composants proches les uns des autres et une réduction des interférences électromagnétiques (EMI).

Les convertisseurs de puissance Flyback sont fréquemment utilisés dans diverses applications de VE basse consommation, notamment la génération d'alimentation auxiliaire, la gestion des batteries et l'alimentation d'attaque de grille. Ils offrent des conceptions plus simples avec moins de composants, ce qui réduit la taille, augmente la fiabilité et diminue les coûts. Le cœur de toute alimentation Flyback est le transformateur Flyback, qui est généralement l'un des plus grands composants requis pour prendre en charge l'isolement haute tension.

Cet article décrit le fonctionnement des convertisseurs Flyback, les effets des parasites inductifs et capacitifs, ainsi que l'importance de la taille des composants et de l'isolement des signaux. Il présente ensuite un transformateur Flyback de Bourns et montre comment il peut contribuer à relever de nombreux défis en matière d'alimentation automobile.

Le convertisseur Flyback

Les convertisseurs indirects ou Flyback se distinguent par leur conception simple à nombre minimal de composants, pour des niveaux de puissance atteignant 100 W. Au cœur de ces conceptions se trouve un transformateur Flyback, qui fournit à la fois le transfert de puissance et l'isolement entre les côtés primaire et secondaire du circuit de convertisseur (Figure 1, en haut). Le convertisseur peut élever ou abaisser la tension d'une source d'alimentation CC en fonction de la configuration du transformateur Flyback. En plus du transformateur Flyback, le circuit requiert un commutateur côté primaire (SW), généralement un MOSFET, et un filtre/redresseur secondaire.

Figure 1 : Schéma simplifié des éléments de base d'un convertisseur Flyback (en haut), et formes d'ondes opérationnelles importantes (en bas). (Source de l'image : Bourns Inc.)

Le cycle de fonctionnement commence lorsque le commutateur côté primaire est activé en plaçant V_gs dans un état haut (Figure 1, en bas). Le commutateur se ferme et la tension appliquée dans l'inductance est une fonction échelon. L'inductance s'oppose à toute variation instantanée du courant et sert à intégrer la tension de pas appliquée. Il en résulte une fonction de rampe et le courant dans l'enroulement primaire du transformateur Flyback augmente linéairement sous l'effet de l'inductance primaire. Le secondaire du transformateur n'a pas de flux de courant car la diode de redressement (D) est à polarisation inverse et un entrefer dans le noyau magnétique du transformateur Flyback empêche la saturation lorsque le champ magnétique du transformateur augmente.

Lorsque le commutateur est désactivé, ce qui est obtenu en ramenant V_gs à l'état bas, l'énergie stockée dans le champ magnétique du transformateur est transférée au secondaire via la diode désormais à polarisation directe, chargeant ainsi le condensateur de sortie (C2). Le courant secondaire diminue de manière linéaire jusqu'à ce que l'énergie du champ magnétique soit épuisée ou que le commutateur soit à nouveau activé, marquant ainsi le début du cycle suivant.

Un transformateur typique, tel que l'on trouve dans une alimentation linéaire, transfère en continu l'énergie de l'enroulement primaire à l'enroulement secondaire. Le fonctionnement du transformateur Flyback ressemble plus à celui d'une paire d'inductances couplées dans la mesure où il ne transfère pas l'énergie en continu pendant le cycle de fonctionnement. Cependant, comme un transformateur, la tension de sortie peut être ajustée en modifiant le rapport de transformation entre les enroulements primaire et secondaire. Le transformateur Flyback assure également une isolation galvanique entre les enroulements primaire et secondaire. De plus, il prend en charge plusieurs enroulements secondaires, permettant de nombreuses tensions de sortie depuis le convertisseur.

Effets parasites dans les convertisseurs Flyback

Comme tous les circuits électroniques, les convertisseurs Flyback souffrent d'effets indésirables dus à des inductances et des capacités parasites (Figure 2).

Figure 2 : Schéma de principe d'un convertisseur Flyback mettant en évidence, en rouge, les capacités et inductances parasites associées aux composants du convertisseur. (Source de l'image : Bourns Inc.)

L'inductance de magnétisation (L_m) est la principale propriété inductive qui détermine le stockage d'énergie du transformateur Flyback. Une inductance de fuite (L_lk) parasite, en série avec le commutateur, est également associée au transformateur. Lorsque le commutateur est ouvert, il essaie de maintenir le courant primaire et augmente la tension dans le commutateur. La plupart des convertisseurs Flyback utilisent des circuits de blocage ou des condensateurs d'amortissement pour protéger le commutateur contre cette tension transitoire. Cet effet augmente également le rayonnement du champ magnétique et a un impact sur les EMI. L'inductance de piste (L_tr) de la carte s'ajoute à ces effets.

Les concepteurs de transformateurs s'efforcent de minimiser l'inductance de fuite. La méthode principale consiste à augmenter le couplage entre les enroulements primaire et secondaire. Pour ce faire, il convient de minimiser la séparation entre les enroulements et de les entrelacer.

Les capacités distribuées incluent la capacité primaire (C_p), la capacité inter-enroulements (C_ps), la capacité secondaire (C_s), la capacité de sortie FET (C_o) et la capacité de diode secondaire (C_d). Ces capacités interagissent avec les inductances pour réduire l'intégrité des formes d'ondes des signaux du convertisseur (Figure 3).

Figure 3 : Effets des éléments parasites capacitifs et inductifs sur la forme d'onde de commutation. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Idéalement, la forme d'onde de commutation est une impulsion rectangulaire sans dépassement ni dépassement négatif. Les temps de transition rapides de cette impulsion rectangulaire garantissent que la forme d'onde de tension est à zéro avant que le courant n'augmente. En réalité, les effets des capacités et des inductances parasites ralentissent les temps de transition et provoquent des dépassements, des dépassements négatifs et des oscillations. De plus, des temps de montée et de descente plus lents augmentent les pertes de commutation du convertisseur en raison du chevauchement des formes d'ondes de courant et de tension primaires non nulles. Ce chevauchement dissipe la puissance sous forme de pertes de commutation dans le commutateur FET, réduisant ainsi le rendement du convertisseur. La chute notable du sommet de l'impulsion est due à la résistance de charge et à l'inductance de magnétisation.

Lors de la conception d'un transformateur Flyback, il est nécessaire de déployer des efforts importants pour maintenir les fréquences propres éloignées des fréquences de commutation du convertisseur. Un câblage aussi court que possible entre le commutateur et le transformateur Flyback permet de minimiser la capacité parasite. De plus, la capacité inter-enroulements fournit un chemin pour coupler les composantes haute fréquence du signal primaire à la sortie. Plus la capacité inter-enroulements est élevée, plus les émissions EMI conduites du convertisseur sont importantes. Pour des performances optimales, il faut trouver un compromis de conception, car un couplage plus étroit des enroulements diminue l'inductance de fuite mais augmente la capacité inter-enroulements. C'est là que l'expérience du concepteur de transformateurs entre en jeu.

Réduction de la taille et isolement des signaux

Les composants destinés aux applications automobiles doivent être aussi petits que possible. La taille physique d'un composant est déterminée par les caractéristiques des matériaux et la physique de sa fonction. Dans le cas du transformateur Flyback, l'espacement des conducteurs doit être suffisant pour supporter les tensions de fonctionnement de crête et les tests de tension requis pour la certification aux normes. Les spécifications clés associées au claquage de tension sont le dégagement et la fuite en surface (Figure 4).

Figure 4 : Le dégagement et la fuite en surface sont des spécifications qui décrivent les distances minimum entre les conducteurs adjacents nécessaires pour éviter les claquages et la formation d'arc électrique. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Le dégagement est la distance la plus courte entre deux chemins conducteurs dans l'air, et la fuite en surface est la distance la plus courte entre deux chemins conducteurs le long de la surface d'un matériau isolant. Ces distances sont cruciales pour éviter la formation d'arc électrique et maintenir l'isolement électrique.

Le transformateur Flyback répond aux exigences des VE

Le transformateur Flyback HVMA03F40C-ST10S de Bourns (Figure 5) est qualifié automobile et conçu pour fonctionner à des fréquences de commutation de 100 kHz à 400 kHz. Il est également répertorié pour supporter jusqu'à 3 W.

Figure 5 : Le transformateur Flyback HVMA03F40C-ST10S (à gauche) est répertorié à 3 W et présente deux enroulements de sortie (à droite). (Source de l'image : Bourns Inc.)

Ce transformateur Flyback est un composant de qualité automobile conforme à la norme AEC-Q200, répertorié pour fonctionner sur une plage de températures de -40°C à +155°C (y compris l'auto-échauffement). Ce dispositif à montage en surface à huit plots présente une empreinte exceptionnellement compacte de 9,5 mm × 10,3 mm, avec une hauteur de 13 mm. Il est conçu pour fonctionner avec une commande primaire de 6 V à 27 V, et ses doubles enroulements secondaires produisent une sortie nominale de 14 V.

L'enroulement primaire (entre les broches 1 et 2) offre une inductance principale de 40 µH avec une inductance de fuite de seulement 1,1 µH et une résistance série de 1,0 Ω. Le secondaire principal (entre les broches 6 et 7) a une résistance CC série de 1,0 Ω. La sortie auxiliaire (entre les broches 3 et 4) a une résistance série de 1,4 Ω. Le transformateur est défini pour un gain unité avec un rapport de transformation de 1:1:1.

Répertorié pour supporter une tension de fonctionnement jusqu'à 900 V, son isolement de tension est de 4000 V_CA. Malgré la tension nominale élevée, le transformateur a une ligne de fuite nominale de 10 mm et une distance de dégagement de 6 mm.

Ce transformateur Flyback convient aux applications automobiles, telles que les alimentations d'attaque de grille de transistor, les circuits de gestion des batteries ou une source d'alimentation isolée entre des circuits de puissance indépendants dans les véhicules électriques. Il est compatible avec de nombreux circuits intégrés de contrôleur Flyback fonctionnant à une fréquence de commutation fixe avec modulation de largeur d'impulsion, ou avec une largeur d'impulsion fixe et un contrôle de fréquence variable.

Conclusion

Le HVMA03F40C-ST10S de Bourns est particulièrement bien adapté pour aider les concepteurs à répondre aux exigences d'alimentation des véhicules électriques. Il est conforme à la norme AEC-Q200 et présente un facteur de forme compact, une conformité aux spécifications de dégagement et de fuite en surface, et une puissance nominale de 3 W sur une large plage de températures.