La conception flyback est une alimentation à découpage (SMPS) utilisée depuis plus de 70 ans et toujours performante. Cette alimentation — également appelée convertisseur de puissance – comporte deux phases de fonctionnement distinctes, la puissance du côté entrée étant transférée au côté sortie uniquement lorsque l’interrupteur du côté primaire est éteint et que son flux de courant est nul ou proche de celui-ci. Le cœur de la conception flyback a une nomenclature (nomenclature) assez courte et peu coûteuse: condensateur d’entrée, commutateur MOSFET côté primaire, diode redresseur côté sortie (secondaire) et condensateur de sortie. De plus, il y a le transformateur flyback lui-même (bien sûr, comme pour toute conception, le schéma final est plus compliqué).
La conception flyback a été développée dans les années 1930 et 1940, et très raffinée dans les années 1950 avec l’introduction de la télévision commerciale. À certains égards, il précède notre concept moderne d’alimentation à découpage non linéaire (voir « Il y a un demi-siècle, De meilleurs Transistors et Régulateurs de commutation Ont Révolutionné la Conception des Alimentations Informatiques » dans le Spectre IEEE).
Dans ses rôles antérieurs, le convertisseur flyback fournissait les hautes tensions nécessaires au tube cathodique et aux autres tubes à vide, qui étaient l’électronique « active » avant les transistors et les circuits intégrés. En raison de cet énorme marché, il a été conçu et optimisé pour un faible coût, une fiabilité, une sécurité et une fabricabilité élevées. La conception et les caractéristiques du Flyback sont bien adaptées aux applications de faible à moyenne puissance comprises entre 100 et 250 W.
Bases du convertisseur Flyback
Contrairement à une conception non flyback où le transformateur n’est utilisé que pour une montée ou une descente de tension, le transformateur flyback est également utilisé comme inducteur, un dispositif de stockage d’énergie magnétique. Ce transformateur a des enroulements supplémentaires (critiques pour l’opération de retour en vol) en plus d’être un transformateur de base à deux enroulements (primaire / secondaire). Le rapport de tours du transformateur remplit deux rôles: il définit le rapport de tension de sortie par rapport à l’entrée et fournit une isolation galvanique (ohmique). En utilisant des enroulements supplémentaires, la conception flyback peut fournir simultanément plusieurs sorties.
Dans le cycle flyback de base, la fermeture de l’interrupteur côté primaire augmente le courant primaire et le flux magnétique dans le transformateur/inducteur lorsque le circuit côté primaire est alimenté par la source (Fig. 1). La tension dans l’enroulement côté secondaire est négative en raison de la relation relative entre les enroulements primaire et secondaire. Par conséquent, la diode est polarisée en inverse et bloque le flux de courant et le condensateur côté secondaire fournit le courant à la charge pendant la phase de fonctionnement.
1. Dans le premier cycle de fonctionnement du convertisseur de retour, l’interrupteur côté primaire est fermé, augmentant ainsi le courant primaire et le flux magnétique du transformateur / inducteur. (Source : Wikipedia)
L’interrupteur est ouvert à la phase suivante du cycle (Fig. 2), de sorte que le courant côté primaire passe à zéro et que le flux magnétique s’effondre. Maintenant, la tension côté secondaire devient positive, la diode est polarisée vers l’avant et le courant circule du côté secondaire du transformateur vers le condensateur, reconstituant ainsi le condensateur.
2. Dans le deuxième cycle de fonctionnement du convertisseur de retour, l’interrupteur côté primaire est ouvert et le courant circule du côté secondaire du transformateur vers le condensateur. (Source: Wikipedia)
Dans une conception flyback, le condensateur de sortie est similaire à un godet qui est soit rempli (rechargé), soit vidé (alimentant la charge), mais il ne subit jamais les deux en même temps. L’ondulation de sortie résultante doit être filtrée par le condensateur, qui n’est jamais autorisé à se vider jusqu’à une charge nulle. Le nom « flyback » est dû à l’action soudaine d’arrêt / arrêt, marche / arrêt du commutateur MOSFET, avec une forme d’onde qui ressemble à une inversion soudaine du flux de courant (Fig. 3).
3. La forme d’onde de base de la topologie flyback montre l’inversion et les transitions soudaines pour les courants primaires et secondaires. (Source: Wikipedia)
La régulation de la sortie est obtenue en ajustant le rapport cyclique marche/arrêt de l’interrupteur côté primaire. Certaines conceptions ajustent également la fréquence de l’action de commutation (une commutation plus rapide entraîne un suivi plus proche de la sortie à la valeur de sortie souhaitée. Cette rétroaction avec l’isolation entrée-sortie requise est fournie soit via un enroulement spécial sur le transformateur (approche traditionnelle et historique) (Fig. 4a) ou via un optocoupleur (Fig. 4b).
4. La conception flyback traditionnelle utilise un transformateur / inducteur avec au moins deux enroulements primaires et un enroulement secondaire (a). Certaines conceptions flyback utilisent un optocoupleur pour fournir le retour isolé équivalent au deuxième enroulement côté primaire. (Source: Analog Devices et Texas Instruments)
Modes de fonctionnement
Les Flybacks (et de nombreux autres types de convertisseurs) peuvent être conçus pour fonctionner dans l’un des deux modes. En mode de conduction discontinue (DCM), le transformateur est autorisé à se démagnétiser complètement à chaque cycle de commutation. Habituellement, cela se fait avec une fréquence de commutation fixe et une modulation du courant de crête pour répondre aux exigences de charge. En mode de conduction continue (CCM), le courant circule toujours dans le transformateur pendant chaque cycle de commutation. Par conséquent, une certaine énergie résiduelle est toujours présente dans le transformateur, car chaque cycle de commutation commence avant que le courant ne soit complètement épuisé.
Avec le DCM, il n’y a pas de pertes de récupération inverse dans le redresseur de sortie puisque son courant descend à zéro à chaque cycle de commutation. La valeur d’inductance requise du côté primaire est faible et ne nécessite qu’un transformateur plus petit. Analytiquement, la conception DCM est intrinsèquement plus stable, car il n’y a pas de zéro dans le demi-plan droit de sa fonction de transfert. Cependant, le DCM a de très grands courants d’ondulation et nécessite donc des filtres plus grands.
En revanche, le CCM a de petites ondulations et des courants efficaces. Ces courants plus faibles réduisent également les pertes de conduction et de coupure, tandis que des courants de crête plus faibles permettent des composants de filtre plus petits. Mais l’inconvénient du CCM est qu’il a un zéro dans le demi-plan droit de la fonction de transfert, ce qui limitera la bande passante de la boucle de contrôle et sa réponse dynamique. Le CCM nécessite également une inductance plus importante et donc un composant magnétique plus important.
Amélioration du convertisseur Flyback
Comme pour toute conception d’alimentation, certaines variations et améliorations peuvent transformer une bonne alimentation en une très bonne. Dans le DCM, il y a un temps mort ou un « anneau » résonnant où ni la diode ni le MOSFET ne conduisent, créé par l’interaction entre l’inductance primaire du transformateur et la capacité parasite au niveau du nœud de commutation. Une conception quasi-résonante (QR) ajuste le courant de crête et la fréquence de commutation de sorte que le MOSFET s’allume à la première « vallée » de cette sonnerie résonnante et minimise les pertes.
Une autre amélioration est « changement de vallée. »Le contrôleur détecte lorsque l’anneau de résonance en temps mort est à son point bas et allume le MOSFET à ce stade pour démarrer le cycle de commutation suivant, afin également de réduire les pertes de commutation.
Les contrôleurs IC modernes minimisent bon nombre des défis inévitables liés à la conception d’une alimentation flyback complète tout en améliorant les performances. Par exemple, le LT8304-1 d’Analog Devices est un convertisseur flyback non optoisolé qui échantillonne la tension de sortie directement à partir de la forme d’onde flyback côté primaire (Fig. 5), et ne nécessite donc pas de troisième enroulement ou d’optoisolateur pour la régulation.
5. Basé sur le LT8304-1, cette conception convertit une entrée de 4 à 28 V en une sortie de 1000 V; le courant de sortie minimum garanti est fonction de la tension d’entrée et atteint 15 mA avec une entrée de 28 V. (Source: Analog Devices)
La fiche technique facilite la sélection et l’identification du transformateur flyback en fournissant un tableau des appariements courants et de tension d’entrée/sortie communs correspondant aux noms des fournisseurs et aux modèles de transformateurs standard disponibles. Résultat: créer un bon design flyback est maintenant un projet beaucoup plus facile.
Conclusion
Lors de la sélection d’une topologie d’alimentation / convertisseur, il existe de nombreuses possibilités légitimes à considérer, chacune avec un ensemble unique de caractéristiques ainsi que des caractéristiques positives et négatives. Ceux-ci doivent être mis en balance avec les priorités du système et leurs performances techniques et leurs coûts en dollars. L’approche flyback est un concurrent viable dans les applications de moins de plusieurs centaines de watts à des tensions allant d’un chiffre à un kilovolt, et elle est particulièrement attrayante lorsque plusieurs sorties CC et une isolation entrée / sortie sont nécessaires.
Pour en savoir plus:
- Le convertisseur Flyback à pince active: Une Conception Dont Le Temps Est Venu
- GaN Tech Entraîne Des Circuits Intégrés De Commutation Flyback CV / CC Hors Ligne
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Autres Références
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- Electrical Engineering Stack Exchange, « How does a CRT television flyback really operate »
- Autodesk Instructables, « Pilote de transformateur Flyback 2n3055 pour Débutants »
- Robert Gawron, « Alimentation Haute tension (10-30kV) fabriquée à partir d’un transformateur Flyback de télévision à tube cathodique »
- Guide de Réparation Électronique, « Qu’est-ce que le transformateur Flyback?
- Texas Instruments, « Comprendre les bases d’un convertisseur Flyback »
- Analog Devices, « Convertisseur Flyback isolé sans Opto à sortie 1000 V »
- Maxim Integrated, Note d’application 1166, « Conception de transformateur Flyback pour les alimentations SLIC MAX1856 »
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