Introduction au courant continu multiphasé

La conversion DC-DC multiphasée peut améliorer considérablement les performances d'un régulateur à découpage abaisseur dans les applications à courant élevé. Dans cet article, j'expliquerai la structure et les fonctionnalités des convertisseurs abaisseurs multiphasés, et dans un prochain article, je présenterai les avantages et les inconvénients pour vous aider à décider quels projets de conception pourraient bénéficier d'une régulation multiphasée plutôt que monophasée. schème.

Tout d’abord, passons brièvement en revue les bases de la conversion DC-DC.

Le circuit suivant (Figure 1) représente un régulateur à découpage abaisseur rudimentaire (également appelé convertisseur abaisseur) :

Contrairement aux régulateurs linéaires, les convertisseurs DC-DC peuvent atteindre un rendement élevé en exploitant les avantages du « mode de commutation » (c'est-à-dire marche/arrêt) du flux de courant. Au lieu de dissiper la puissance à travers un transistor fonctionnant comme une résistance variable, comme c'est le cas dans la régulation linéaire, le transistor d'un convertisseur DC-DC est entièrement activé ou complètement désactivé et évite par conséquent un fonctionnement dans la région intermédiaire à faible rendement.

La tension commutée est filtrée en une tension constante et réduite par le circuit inductance-condensateur situé du côté sortie du transistor. Lorsque le transistor est conducteur, le courant circule vers la charge à travers l'inductance. En revanche, lorsque le transistor est désactivé, l'inductance maintient le flux de courant (rappelons que son courant ne peut pas changer instantanément). Dans ce cas, le condensateur de sortie fournit un réservoir de charge pour le courant de charge requis. La régulation est réalisée via une boucle de rétroaction qui ajuste la tension de sortie en modulant la largeur d'impulsion du signal de commande appliqué à la grille du transistor, faisant ainsi varier le rapport entre la durée de l'état passant et la durée de l'état bloqué.

Examinons ensuite le schéma ci-dessous dans la figure 2, tiré de la fiche technique des convertisseurs abaisseurs multiphasés DA9213/14/15 de Renesas.

Ces dispositifs peuvent fournir jusqu'à 20 A et sont destinés aux applications basse tension et courant élevé telles que la génération de rails d'alimentation pour les microprocesseurs des smartphones et des tablettes. J'aime ce diagramme car il montre la structure d'un convertisseur abaisseur multiphasé sans donner une idée trop simpliste de ce qu'il faut pour mettre en œuvre une conversion multiphasée dans une application réelle.

Sur la droite, vous voyez quatre paires de transistors à effet de champ (FET) et quatre inductances. Une paire de FET fonctionne comme un pilote en demi-pont qui contrôle le courant à travers une inductance, et chaque sous-circuit pilote en demi-pont plus inductance est une phase (c'est-à-dire le noyau d'un convertisseur abaisseur séparé). Les phases fonctionnent en parallèle et coopèrent pour fournir du courant à la charge (le courant de charge dans le diagramme est représenté par la source de courant à droite des capuchons de sortie).

Bien que le diagramme montre quatre condensateurs de sortie distincts, tous ces capuchons sont connectés en parallèle ; en d’autres termes, la capacité de sortie est physiquement divisée mais électriquement unie. Cela est également vrai pour la capacité d'entrée. Ainsi, les phases ne partagent pas l’inductance, mais partagent la capacité d’entrée et de sortie.

La conversion multiphasée optimisée est une procédure complexe, et vous pouvez voir sur le schéma que le DA9213 comprend de nombreux circuits de contrôle. L'interface série permet à un microcontrôleur de lire et d'écrire des données liées à :

Un aspect important de la conversion multiphase est la synchronisation entrelacée appliquée aux phases. En fait, les convertisseurs multiphases sont également appelés convertisseurs entrelacés. L'entrelacement active les phases de manière cyclique en appliquant une séquence d'impulsions de commande aux transistors de phase.

Le schéma suivant de la figure 3, tiré d'un document de recherche rédigé par Reyes-Portillo et al. et publié dans le World Electric Vehicle Journal, décrit une topologie abaisseur multiphasée asynchrone conçue pour le chargement des batteries de véhicules électriques.

De plus, les auteurs fournissent le chronogramme suivant (Figure 4) pour les quatre phases.

Les signaux de commande des transistors représentés par les commutateurs Q1 à Q4 dans le schéma et implémentés sous forme de transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) créent un cycle dans lequel les phases « se relaient » pour entrer dans l'état passant. C'est ce qu'on entend par entrelacement. Le schéma particulier présenté ci-dessus inclut un chevauchement phase à phase dans les signaux de commande, mais le chevauchement n'est pas nécessaire.