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Fonctionnement d'une alimentation - Page 7/25

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



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Topologie en conduction directe

On peut citer les Seasonic S12 500-600 W ou l'Antec Phantom (non exhaustif) qui utilisent cette topologie à conduction directe, et même à conduction directe à 2 transistors (une version mono transistor existe). Il n'y a plus qu'un seul gros condensateur 400 V pour assurer le transfert énergétique. Voici son schéma électrique avec une seule tension représentée et un étage de filtrage simplifié :

Ici aussi on utilise 2 transistors de puissance, mais cette fois les 2 s'ouvrent et se ferment en même temps, il n'y a plus d'alternance. L'enroulement primaire du transformateur n'est plus alimenté que dans un seul sens également (du haut vers le bas ici) et il est alors nécessaire de prévoir une étape de démagnétisation entre chaque impulsion.

Pour imposer le sens de parcours lors de la libération de cette énergie résiduelle, quand les transistors sont bloqués, on utilise les 2 diodes D3 et D4. On ne gaspille évidemment pas cette énergie puisqu'on la renvoie dans le condensateur C (400 V et 200-500 µF) qui se trouve en parallèle de la tension d'entrée Vin. On la réutilisera pour les cycles suivants car c'est le condensateur qui sert de réservoir énergétique pour nourrir le transformateur.

Le fonctionnement général s'opère en 2 phases principales cette fois. On commence par donner les évolutions temporelles des courants pour avoir les notations associées pour la description des étapes juste après :

On retrouve le fait que T1 et T2 se ferment simultanément avec les courants synchrones IT1 et IT2. Les diodes D3 et D4 voient passer un courant Imag descendant au blocage des transistors. Ce courant Imag résulte de la démagnétisation qui libère l'énergie contenue dans le coeur du transformateur. Il faut impérativement attendre que ce courant redevienne nul avant de recommencer à envoyer une impulsion sous peine de saturation. On laisse un petit temps mort supplémentaire quand il est à zéro pour vraiment être sûr du résultat.

Le primaire est maintenant soumis à une tension plus élevée, de l'ordre de 350-380 V, puisque le condensateur réservoir est directement rattaché à Vin. Ici aussi, l'énergie est transférée directement lors de l'impulsion, le transformateur fonctionne en transformateur, et non pas en inductances couplées comme une topologie flyback par exemple, d'où le terme "conduction directe". L'utilisation du transformateur est néanmoins moins bonne qu'avec un demi-pont car on l'utilise toujours dans le même sens (dans le même quadrant magnétique). La tension qui sortira du secondaire sera aussi sous forme de créneaux.

On commence avec la première étape et l'on suppose que le condensateur est déjà chargé au maximum. On ne s'occupe pas de son rechargement non plus, ça n'a pas d'intérêt :

Le condensateur C est connecté sur le primaire pendant le temps où T1 et T2 sont passants. On génère donc une impulsion au primaire, qui se retrouve sur le secondaire. Vu le sens de parcours dans le transformateur, la diode D1 est passante et D2 est bloquée à cause de la tension inverse à ses bornes. L'énergie de cette impulsion va alors directement vers la charge en passant par D1, puis L et le filtre. L'inductance L se charge en même temps d'une certaine quantité d'énergie sous forme magnétique et de même pour le condensateur qui se charge si besoin est. Il ne reste qu'à boucler pour revenir par la masse vers le secondaire.

On arrive juste à l'instant où T1 et T2 se bloquent, c'est l'étape 2. Dans cette étape, il y a en fait 2 sous-étapes qui se font simultanément de chaque côté du transformateur :

Du côté réseau à gauche, il est temps de démagnétiser le transformateur et c'est D3 et D4 qui donnent le sens de marche pour envoyer le courant résiduel vers le condensateur C. A droite, les circuits de sortie sont alors entièrement coupés du monde. C'est encore à l'inductance L d'assurer le transfert énergétique en redistribuant l'énergie qu'elle a emmagasiné au cycle précédent et au condensateur en sortie à maintenir la tension. La diode D1 se bloque alors et la diode D2, appelée "diode de roue libre", devient passante. Cette diode D2 n'est là que pour imposer le sens et refermer la boucle pour que l'énergie emmagasinée par L assure la continuité du transfert énergétique vers la charge, le temps qu'une nouvelle impulsion soit générée. L'étape de démagnétisation se termine un peu avant la sous-étape de droite pour être certain d'avoir démagnétisé intégralement. Il suffit alors de renvoyer une impulsion et le cycle se poursuit à l'étape 1 et ainsi de suite.

Ce choix a une limitation contraignante au niveau du temps de conduction Ton des transistors. Ils ne peuvent pas rester passants plus de 50 % du temps sur une période T (en fait un peu moins pour avoir une marge de sécurité) car il faut laisser le temps au transformateur de libérer son énergie résiduelle sinon c'est la saturation assurée. Il faut quasiment autant de temps pour le charger que pour le décharger intégralement. Cela limite la quantité d'énergie que les transistors peuvent délivrer en une impulsion car il y a beaucoup de temps mort par rapport au demi-pont. Tout cela limite la puissance que l'alimentation peut délivrer.

Pour être efficace, Seasonic découpe à haute fréquence (100 kHz au lieu des 64 kHz obtenus classiquement avec le demi-pont). On envoie moins d'énergie à chaque impulsion, mais on en envoie beaucoup plus par unité de temps. Seasonic affirme que cette topologie est un peu plus efficace que celle en demi-pont, c'est vrai en général, mais il y a tellement de facteurs extérieurs qui interviennent qu'il est délicat de dire laquelle est réellement mieux suivant les conditions. La nature des composants utilisés, la fréquence de découpage, le temps d'utilisation des transistors, le choix du transformateur figurent parmi les variables à prendre en compte pour tenir de tels propos. Le gain en rendement sur le convertisseur DC-DC seul n'excède pas quelques % de toute façon, mais c'est toujours ça de gagné.

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