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Fonctionnement d'une alimentation - Page 6/25

Rédigé par David D. - 29/12/2005
Catégorie : Alimentations



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Topologie en demi-pont

On peut citer certaines alimentations Tagan, LC Power, Thermaltake, Fortron (non exhaustif) qui utilisent cette topologie pour alimenter le transformateur. C'est de loin la plus classique car l'une des plus anciennes. Voici son schéma électrique, avec une seule tension représentée et un étage de filtrage en sortie simplifié :

Vin est la tension délivrée par le PFC ou le pont de diodes s'il n'y a pas de PFC. Vout est la tension de sortie et R représente la charge imposée à cette ligne, par exemple un processeur qui demande un courant égal à Iout.

Elle utilise 2 transistors T1 et T2 (technologie bipolaire ou MOSFET) qui fonctionnent en alternance (une fois l'un, une fois l'autre). Ceux-ci connectent respectivement les condensateurs réservoirs C1 et C2 en alternance sur l'enroulement primaire du transformateur. Ces 2 condensateurs sont les 2 grosses capacités (200 V et 600-1000 µF) que l'on trouve près du premier radiateur et de l'étage de découpage. Plus l'alimentation est puissante, plus ils doivent être gros afin d'emmagasiner et délivrer une énergie suffisante pour un certain nombre de cycles de découpage. Ils sont sans cesse en train de se remplir et de se vider en partie.

Le fonctionnement général s'opère en 4 phases, dont 2 sont identiques quand les 2 transistors sont bloqués en même temps. On commence par donner les évolutions temporelles des courants afin d'avoir les notations associées pour la suite de la description :

On retrouve l'alternance sur les transistors avec les courants IT1 et IT2 qui traversent respectivement T1 et T2. On note qu'il y a un petit temps mort, noté Td, entre chaque commutation pour éviter le chevauchement des états.

Vu la symétrie du montage et l'alternance du découpage, la tension qui sortira du secondaire sera alternative et en forme de créneau. On travaille seulement avec une tension au primaire qui vaut Vin/2 (de l'ordre de 160-180 V) puisque les 2 condensateurs sont montés en série, le tout en parallèle sur l'entrée Vin. Il est normalement plus efficace d'attaquer le primaire avec Vin au lieu de Vin/2, on peut ainsi faire transiter plus de puissance avec moins de courant, donc moins de pertes (ce que fera la topologie suivante).

La fréquence de découpage d'un transistor a été mesurée sur une Tagan U01 à 32 kHz, donc comme on travaille sur 2 transistors décalés, le transformateur travaille à 64 kHz (64000 impulsions par seconde). Le transfert d'énergie sera direct, le transformateur fonctionne en transformateur et non pas en inductances couplées où l'on stocke l'énergie sous forme magnétique pour la restituer quand le primaire n'est plus alimenté. En direct, cela veut dire que lorsqu'une impulsion arrive au primaire, elle est directement générée sur le secondaire pour alimenter la charge, sa tension étant proportionnelle au rapport du nombre de spires Ns/Np.

On commence avec la première étape et l'on suppose que les condensateurs sont déjà chargés au maximum. On ne s'occupe pas de leur rechargement car ça complique tout :

Le condensateur C1 est d'abord connecté au primaire, il libère alors une petite quantité d'énergie durant le temps où T1 reste passant. Cette énergie est transmise instantanément au secondaire par le flux magnétique qui se développe dans le transformateur et part directement vers la charge en passant par D1, puis L et le filtre de sortie. L'inductance L se charge en même temps d'une certaine quantité d'énergie magnétique et de même pour le condensateur qui se charge si besoin est. Il reste à boucler pour revenir par la masse vers le point milieu du secondaire. Cette étape n'aura duré que quelques microsecondes.

Suivant le graphe temporel du dessus, l'étape 2 est celle où T1 vient juste de se bloquer (T2 est aussi bloqué), on laisse alors passer un petit temps mort Td avant de déclencher T2 :

Durant ce laps de temps Td, la sortie est complètement isolée du réseau. C'est l'inductance L qui va être seule pour alimenter la charge en courant avec le peu d'énergie qu'elle a emmagasinée, en attendant qu'une impulsion revienne pour la recharger. Le condensateur en sortie s'occupe aussi de fournir de l'énergie à la charge en maintenant la tension à son niveau. Comme l'enroulement secondaire est isolé et non polarisé par le primaire, la diode D2 n'a plus de tension inverse à ses bornes, elle peut donc devenir passante. Le courant continue alors sa boucle et se divise en 2 pour passer dans les 2 diodes en même temps. On voit le décrochage résultant sur le graphe temporel avec un Id/2 pour les 2 diodes durant le temps Td. Ce courant diminue doucement car l'inductance n'a pas beaucoup d'énergie à fournir.

C'est maintenant au tour de T2 de rentrer en action en devenant passant, c'est l'étape 3 :

Cette fois, c'est C2 qui s'occupe de fournir l'énergie nécessaire à la charge en passant par D2, L et le filtre de sortie, puisque l'enroulement primaire a été emprunté dans le sens inverse. On recharge L et C en même temps qu'on alimente directement la charge. Cette façon d'alimenter le transformateur, une fois dans un sens et une fois dans l'autre, permet de se passer d'une étape obligatoire de démagnétisation du transformateur car, comme une inductance, il emmagasine une certaine énergie magnétique en son sein. Si elle n'est pas libérée, elle va s'accumuler jusqu'au phénomène de saturation qui entraîne très vite la destruction des transistors à cause du pic de courant qui se forme (le transformateur n'assure plus sa fonction).

Le cycle est presque terminé et il reste l'étape 4 à accomplir. Une fois que T2 se bloque, on se retrouve en fait exactement comme à l'étape 2 avec un nouveau temps mort Td qu'il faut combler grâce à L en attendant de retourner à l'étape 1 et ainsi de suite.

Au final, il y a peu d'interruption dans le cycle des impulsions du fait de la répartition entre les 2 transistors. On dit que c'est un convertisseur DC-DC symétrique et l'on peut alors utiliser un transformateur plus petit car on double la fréquence des impulsions sans trop forcer sur les transistors, contrairement à la topologie suivante. De plus, comme on ne perd pas de temps à devoir démagnétiser le transformateur, grâce aux 2 sens de parcours dans le primaire, on peut concevoir des alimentations de forte puissance avec seulement 2 transistors qui se partagent le travail.

La seule vraie limitation à respecter impérativement est de ne jamais avoir plus de 50 % de rapport cyclique (Ton/T > 0.5) sur les transistors. Ca signifierait que T1 et T2 sont passants en même temps (Td n'existe plus et serait même négatif si cela avait un sens), ce qui n'est ni plus ni moins qu'un court-circuit direct sur la tension d'entrée et c'est alors la mort instantanée des transistors en général.

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