Comparaison entre le convertisseur résonant demi-pont et le convertisseur flyback demi-pont

Comparaison entre le convertisseur résonant demi-pont et le convertisseur flyback demi-pont

Avec le développement des alimentations à découpage, la technologie de commutation logicielle a été largement développée et appliquée, et de nombreuses topologies de circuits à haut rendement ont été étudiées, principalement les topologies de commutation logicielle de type PFM et les topologies de commutation logicielle de type PWM.

Ces dernières années, avec l'application généralisée du dispositif semi-conducteur de troisième génération GAN et le développement continu des alimentations PD, cela a fourni une autre opportunité pour le développement de convertisseurs de puissance. Pour les convertisseurs en demi-pont, s'ils sont correctement conçus, une conversion à commutation douce peut être obtenue, de sorte que l'alimentation à découpage ait un rendement plus élevé et réduise considérablement la taille de l'alimentation.

1 Principes de fonctionnement de deux convertisseurs

1.1 Convertisseur flyback en demi-pont

Les figures 1 et 2 montrent respectivement le schéma de circuit et la forme d'onde de travail du convertisseur flyback en demi-pont.

La figure 1 comprend deux MOSFET de puissance contrôlée complémentaires (S1 et S2), où le cycle de service de S1 est D et le cycle de service de S2 est (1-D) ; un condensateur de blocage CC Cr, dont la tension est utilisée comme alimentation lorsque S2 est allumé ; un transformateur Tr à prise centrale, dont les spires primaires sont Np et les spires secondaires sont Ns ; une diode de redressement de sortie D1 ; un condensateur de filtre de sortie Cout ; et les résistances d'absorption de crête et les condensateurs R1 et C1 du tube redresseur de sortie.

Comme le montre le diagramme schématique, la partie principale du convertisseur flyback en demi-pont est la même que le convertisseur demi-pont asymétrique (AHB) traditionnel, et la partie secondaire est la même que le convertisseur flyback. Le principe de fonctionnement en régime permanent du convertisseur flyback en demi-pont est le suivant.

1) Lorsque S1 est allumé et que S2 est éteint, le côté primaire du transformateur est soumis à une tension directe et le côté secondaire Ns ne fonctionne pas ; la diode D1 est bloquée ; le transformateur stocke l'énergie ;

2) Lorsque S2 est allumé et que S1 est éteint, la tension sur le condensateur de blocage CC Cr est appliquée au côté primaire du transformateur, le côté secondaire Ns2 fonctionne et la diode D1 est allumée.

Dans la figure 2, n1 = Np/Ns et n1 = n. En analysant le circuit, la formule de calcul du rapport cyclique D du convertisseur flyback en demi-pont peut être obtenue :

Le convertisseur résonant en demi-pont est communément appelé convertisseur résonant LLC. Les figures 3 et 4 montrent respectivement le schéma de circuit et la forme d'onde de fonctionnement du convertisseur résonant en demi-pont.

Sur la figure 3, il y a deux MOSFET de puissance (S1 et S2), qui ont tous deux un rapport cyclique de 0,5 ; un condensateur résonant Cr, un transformateur Tr à prise centrale avec des spires égales du côté secondaire, une inductance de fuite Lk de Tr et une inductance d'excitation Lm. Lm est également un inducteur résonnant dans une certaine période de temps. Par conséquent, les éléments résonants dans le convertisseur résonant en demi-pont sont principalement composés des trois éléments résonants ci-dessus, à savoir le condensateur résonant Cr, l'inducteur Lk et l'inducteur d'excitation Lm ; les diodes de redressement pleine alternance en demi-pont D1 et D2, et le condensateur de sortie Cout.

1)〔t1, t2〕Lorsque t = t1, S2 est éteint et le courant de résonance décharge la capacité parasite de S1 jusqu'à ce que la tension sur S1 soit nulle, puis la diode du corps de S1 est allumée. À ce stade, D1 est activé et la tension sur Lm est fixée par la tension de sortie, de sorte que seuls Lk et Cr participent à la résonance.

2)〔t2, t3〕Lorsque t=t2, S1 est allumé dans des conditions de tension nulle et le côté primaire du transformateur est soumis à une tension directe ; D1 continue d'être allumé et S2 et D2 sont éteints. A ce moment, Cr et Lk participent à la résonance, tandis que Lm ne participe pas à la résonance.

3)〔t3, t4〕Lorsque t = t3, S1 est toujours allumé, tandis que D1 et D2 sont à l'état éteint et le côté secondaire de Tr est déconnecté du circuit. A ce moment, Lm, Lk et Cr participent ensemble à la résonance. Dans le circuit réel, Lm est beaucoup plus grand que Lk, on peut donc considérer que le courant d'excitation et le courant de résonance restent inchangés à ce stade.

4)〔t4, t5〕Lorsque t = t4, S1 est éteint et le courant de résonance décharge la capacité parasite de S2 jusqu'à ce que la tension sur S2 soit nulle, puis la diode du corps de S2 est allumée. À ce stade, D2 est activé et la tension sur Lm est fixée par la tension de sortie. Seuls Lk et Cr participent donc à la résonance.

5)〔t5, t6〕Lorsque t=t5, S2 est activé dans des conditions de tension nulle et le côté primaire de Tr est soumis à une tension inverse ; D2 continue d'être allumé, tandis que S1 et D1 sont éteints. A ce moment, seuls Cr et Lk participent à la résonance, et la tension sur Lm est bloquée par la tension de sortie et ne participe pas à la résonance.

6)〔t6, t7〕Lorsque t = t6, S2 est toujours allumé, tandis que D1 et D2 sont à l'état éteint et le côté secondaire de Tr est déconnecté du circuit. A ce moment, Lm, Lk et Cr participent ensemble à la résonance. Dans le circuit réel, Lm est beaucoup plus grand que Lk. On peut donc considérer que le courant d’excitation et le courant de résonance restent inchangés à ce stade.

Grâce à l'analyse détaillée ci-dessus, nous avons une certaine compréhension des principes de fonctionnement et des caractéristiques de ces deux types de convertisseurs à commutation logicielle. Ce qui suit comparera les différences entre eux pour approfondir davantage notre compréhension.

2 Comparaison des différences entre les deux convertisseurs

Bien que le convertisseur flyback en demi-pont et le convertisseur résonant en demi-pont soient tous deux des convertisseurs à commutation douce, il existe des différences essentielles entre les deux. Le convertisseur flyback en demi-pont est de type PWM, tandis que le convertisseur résonant en demi-pont est de type PFM. Par conséquent, ils présentent de grandes différences dans les méthodes de contrôle, la contrainte de tension du tube redresseur secondaire et la contrainte de courant du côté primaire. Ces différences seront analysées en détail ci-dessous.

2.1 Comparaison des méthodes de contrôle

Le convertisseur flyback en demi-pont ajuste la tension de sortie en ajustant le cycle de service du tube de commutation. Lorsque la plage de variation de tension d'entrée est relativement grande, la plage de variation de rapport cyclique du tube de commutation est également relativement grande. En théorie, le rapport cyclique du convertisseur flyback en demi-pont peut dépasser 0,5, s'adaptant ainsi à une plage de tension d'entrée plus large. Par conséquent, les caractéristiques de temps de maintenance hors tension du convertisseur flyback en demi-pont sont relativement bonnes et peuvent être largement utilisées dans des occasions où les exigences en matière de temps de maintenance hors tension sont relativement élevées.

Comparé au convertisseur flyback en demi-pont, le convertisseur résonant en demi-pont ajuste la tension de sortie en ajustant la fréquence de commutation, c'est-à-dire que son rapport cyclique reste inchangé sous différentes tensions d'entrée. Théoriquement, le rapport cyclique du convertisseur résonant en demi-pont ne dépassera pas 0,5. Par conséquent, par rapport au convertisseur flyback en demi-pont, sa plage de tension d'entrée est relativement étroite et les caractéristiques de temps de maintenance hors tension sont relativement médiocres.

2.2 Comparaison des contraintes de tension du redresseur secondaire

En analysant le principe de fonctionnement du convertisseur flyback en demi-pont, la méthode de calcul de la contrainte de tension sur la diode secondaire peut être obtenue comme indiqué dans la formule suivante :

De cette façon, lorsque la tension d'entrée change, le changement de tension de la diode secondaire peut être compris.

La figure 5 montre l'évolution de la tension sur le redresseur secondaire lorsque la tension de sortie est de 48 V. Lorsque la tension d'entrée est relativement élevée, la tension sur D1 est relativement élevée. Par conséquent, D1 doit utiliser une diode avec une tension de tenue relativement élevée, ce qui augmentera la perte du circuit et le coût du matériau.

Dans les mêmes conditions, la contrainte de tension sur la diode secondaire dans le convertisseur résonant en demi-pont est beaucoup plus faible que celle dans le convertisseur flyback en demi-pont, car la contrainte de tension sur la diode secondaire dans le convertisseur résonant en demi-pont est le double de la tension de sortie. Par conséquent, une diode présentant une tension de tenue relativement faible peut être sélectionnée dans le convertisseur résonant en demi-pont, améliorant ainsi l'efficacité du circuit et réduisant le coût du matériau.

2.3 Comparaison de l'allumage de la diode secondaire

De l'analyse du convertisseur flyback en demi-pont, on peut voir que sa diode secondaire est dure et que la perte est relativement importante ; tandis que l'analyse du convertisseur résonant en demi-pont montre que sa diode secondaire est un commutateur à courant nul et que la perte est relativement faible, ce qui peut améliorer l'efficacité du convertisseur. Par conséquent, en théorie, l'efficacité globale du convertisseur flyback en demi-pont est légèrement pire que celle du convertisseur résonant en demi-pont (mais toujours bien meilleure que celle des autres convertisseurs).

2.4 Autres aspects

Premièrement, dans le convertisseur flyback en demi-pont, les cycles de service des commutateurs supérieur et inférieur sont complémentaires, de sorte que le transformateur du convertisseur flyback en demi-pont présente un phénomène de polarisation continue ; tandis que dans le convertisseur résonant en demi-pont, les cycles de service des commutateurs supérieur et inférieur sont égaux, de sorte que le transformateur dans le convertisseur résonant en demi-pont n'a pas de phénomène de polarisation continue.

Deuxièmement, le convertisseur résonant en demi-pont ajuste la tension de sortie en ajustant la fréquence de fonctionnement du tube de commutation, donc pour le convertisseur résonant en demi-pont, il est plus compliqué d'obtenir un contrôle de rectification synchrone ; tandis que le convertisseur flyback en demi-pont ajuste la tension de sortie en ajustant le cycle de service du tube de commutation, donc pour le convertisseur flyback en demi-pont, il est relativement simple d'obtenir un contrôle de rectification synchrone.

2.5 Contrainte actuelle

Grâce à l'analyse du convertisseur résonant en demi-pont, on peut voir que sa contrainte de courant est relativement élevée et que l'ondulation du courant de sortie est relativement importante ; tandis que dans le convertisseur flyback en demi-pont, la contrainte de courant est relativement faible et l'ondulation du courant de sortie est relativement faible.

2.6 Plage de tension de sortie

Grâce à l'analyse du principe de contrôle du convertisseur flyback en demi-pont, on peut voir que la plage de tension de sortie du convertisseur flyback en demi-pont est plus large, tandis que la plage de tension de sortie du convertisseur résonant en demi-pont est très étroite. Par conséquent, dans le domaine de l'alimentation PD avec plusieurs tensions de sortie, le convertisseur flyback en demi-pont est plus approprié et un convertisseur DC/DC peut être omis.

3 Conclusion

Grâce à l'analyse et à la recherche du convertisseur flyback en demi-pont et du convertisseur résonant en demi-pont, et à la comparaison de leurs méthodes de contrôle, de la contrainte de tension du redresseur secondaire et de l'ouverture secondaire, on peut savoir que le convertisseur résonant en demi-pont est plus adapté à la demande de développement d'alimentation électrique à haut rendement ; tandis que le convertisseur flyback en demi-pont est plus adapté au domaine de l'alimentation PD.