Principe de fonctionnement et analyse des méthodes des convertisseurs CA/CC

Qu'est-ce qu'un convertisseur CA/CC ?

AC est l'acronyme de Alternating Current (courant alternatif). Le courant alternatif est un courant dont l'amplitude et la polarité (direction) changent périodiquement au fil du temps. Le nombre de fois que la polarité du courant change en une seconde est appelé fréquence et est exprimé en Hz.

DC est l'acronyme de Direct Current (courant continu). Le courant continu est un courant dont la polarité (direction) ne change pas avec le temps. Un courant dont la polarité (direction) et l'intensité ne changent pas avec le temps est souvent appelé courant continu. La polarité du flux ne change pas avec le temps, mais le courant dont l'ampleur change avec le temps est également du courant continu et est souvent appelé courant d'ondulation. Un convertisseur CA/CC est un composant qui convertit le CA (tension alternative) en CC (tension continue).

Pourquoi ai-je besoin d'un convertisseur CA/CC ?

La tension reçue par les maisons et les bâtiments est une tension alternative de 100V ou 200V. Cependant, la plupart des appareils que nous utilisons fonctionnent sur une tension continue de 5V ou 3,3V. En d'autres termes, l'appareil ne peut pas fonctionner sans convertir la tension alternative en tension continue.

Parmi eux, certains produits peuvent être alimentés par une tension alternative, comme les moteurs et les ampoules, mais les moteurs sont connectés au circuit de commande du microcontrôleur, et les ampoules deviennent également des LED à faible consommation d'énergie, ce qui rend nécessaire la conversion du courant alternatif en courant continu.

Pourquoi la tension alternative est-elle transmise ?

On pourrait penser que, puisque les appareils utilisent du courant continu, pourquoi ne pas transmettre du courant continu ? Comme nous le savons tous, l'électricité provient de centrales hydroélectriques, thermiques, nucléaires, etc. Ces centrales sont situées dans des zones telles que les montagnes ou les zones côtières, et entre ces zones et les zones urbaines, la tension alternative est plus avantageuse.

En bref, en transmettant la tension alternative avec une tension élevée et un courant faible, la perte de transmission (perte d'énergie) peut être réduite. Toutefois, dans une habitation réelle, la haute tension ne pouvant être utilisée directement, elle doit être transformée (abaissée) à travers plusieurs sous-stations par étapes, et finalement convertie en 100V ou 200V avant d'être introduite dans l'habitation. Ces conversions sont également plus simples en raison du courant alternatif, et c'est donc la tension alternative qui est transférée.

Méthodes de rectification des convertisseurs CA/CC

Les méthodes de rectification pour convertir le courant alternatif en courant continu sont la rectification pleine onde et la rectification demi-onde. Dans les deux cas, la caractéristique de circulation du courant direct de la diode est utilisée pour le redressement. Le redressement pleine onde consiste à convertir la composante négative de la tension d'entrée en une tension positive par le biais d'une structure de circuit à pont de diodes, puis à la redresser en une tension continue (tension d'impulsion).

Le redressement demi-onde utilise une diode pour éliminer la composante négative de la tension d'entrée et la redresser en une tension continue (tension d'impulsion). Ensuite, la forme d'onde est lissée par la fonction de charge et de décharge du condensateur, qui est converti en une tension continue pure. On peut donc dire que le redressement pleine onde est une méthode de redressement plus efficace que le redressement demi-onde qui n'utilise pas les composantes négatives de la tension d'entrée.

En outre, la tension d'ondulation lissée varie en fonction de la capacité du condensateur et de la charge. Le redressement pleine onde et le redressement demi-onde dans les mêmes conditions de capacité de condensateur et de charge, la tension d'ondulation du redressement pleine onde est plus faible. Plus la tension d'ondulation est faible, plus la stabilité et les performances sont élevées.

Méthodes de conversion de courant alternatif en courant continu

Il existe une méthode de transformation et une méthode de commutation pour la conversion de courant alternatif en courant continu.

● Méthode du transformateur

La méthode du transformateur doit d'abord abaisser la tension alternative à travers un transformateur à une tension alternative appropriée (par exemple, de 100 V CA à 10 V CA, etc.). Il s'agit d'une conversion de courant alternatif en courant alternatif, et la valeur de l'abaissement est fixée par le rapport d'enroulement du transformateur. Ensuite, la tension alternative abaissée par le transformateur est redressée à pleine onde par un pont redresseur à diodes et convertie en une tension d'impulsion. Enfin, le condensateur lisse et produit une tension continue avec peu d'ondulation, ce qui constitue la méthode la plus traditionnelle de conversion de courant alternatif en courant continu.

● Méthode de commutation

La méthode du transformateur consiste à effectuer d'abord un abaissement AC/AC par l'intermédiaire d'un transformateur, tandis que la méthode de commutation consiste à redresser la tension AC directement à l'aide d'un pont redresseur à diodes. Étant donné que la consommation électrique des ménages ordinaires est de 100 ou 200 V CA, le redresseur à pont de diodes doit avoir des caractéristiques qui lui permettent de supporter les tensions suivantes batterie haute tension ou des tensions élevées.

Ensuite, la tension continue (tension d'impulsion) est lissée à l'aide d'un condensateur. Les condensateurs doivent également être résistants aux hautes tensions. Ensuite, la tension continue est hachée (coupée) par l'activation/désactivation de l'élément de commutation, et la tension est abaissée par un transformateur à haute fréquence et envoyée au côté secondaire. À ce moment-là, la forme d'onde du découpage devient une onde carrée.

Les éléments de commutation utilisent des fréquences plus élevées (par exemple 100 kHz) que les fréquences domestiques (50/60 Hz). Le fonctionnement à haute fréquence permet de miniaturiser et de réduire le poids du transformateur. L'onde carrée est redressée en demi-onde par une diode de redressement sur le côté secondaire, puis lissée par un condensateur, et une tension continue est émise.

La méthode de commutation consiste à utiliser un circuit de commande pour contrôler l'élément de commutation afin d'obtenir une sortie DC stable et attendue (par exemple, DC12V). Par rapport à la méthode du transformateur, la méthode de commutation est composée d'éléments de commutation et de circuits de commande, et la structure du circuit est plus compliquée. Cependant, comme un petit transformateur peut être utilisé sur la base d'une commande à haute fréquence, il contribue à la miniaturisation de l'équipement, ce qui constitue un grand avantage.

Qu'est-ce que le contrôle par rétroaction ?

Le convertisseur CA/CC confirme la valeur réelle de la tension continue de sortie et commande les éléments de commutation en fonction de l'information sur la tension afin d'assurer la réalisation stable de la sortie CC spécifiée. Ce mécanisme de confirmation de la valeur de la tension de sortie pour contrôler l'élément de commutation est appelé contrôle par rétroaction (contrôle FB).

Le convertisseur CA/CC à découpage redresse la tension CA à travers un pont de diodes et la lisse à travers un condensateur pour convertir la tension CA en tension CC. Ensuite, la tension continue est coupée (ON/OFF) par un élément de commutation, puis abaissée par un transformateur à haute fréquence et transmise au côté secondaire, et enfin lissée par un condensateur pour produire une tension continue prédéterminée. Le circuit de contrôle FB détecte si la valeur réelle de la tension de sortie atteint la valeur de tension cible spécifiée.

Lorsque la valeur réelle de la tension de sortie est inférieure à la valeur cible, l'élément de commutation est commandé pour allonger le temps d'activation. De cette manière, la valeur de la tension de sortie augmente. Inversement, lorsque la tension est supérieure à la valeur cible, le temps d'activation de la commande est raccourci. De cette manière, le circuit de contrôle de rétroaction vérifie constamment la valeur réelle de la tension de sortie et ajuste le temps d'activation/désactivation de l'élément de commutation en fonction de la valeur afin de garantir la stabilité de la valeur cible de la tension de sortie.

Qu'est-ce que le mode "charge légère" ?

Les convertisseurs CA/CC à commutation et les convertisseurs CC/CC effectuent un découpage de la tension et un lissage du condensateur par une conversion ON/OFF afin de fournir de manière stable la valeur cible de la tension de sortie. Cependant, cette commutation génère un courant de fuite momentané (courant de fuite) lors de la commutation MARCHE/ARRÊT. En d'autres termes, plus le nombre de commutations MARCHE/ARRÊT par unité de temps est élevé, plus la perte causée par le courant de fuite est importante et plus l'efficacité est faible.

Lorsque la période est constante (contrôle PWM), même si le rapport de temps ON/OFF change, le nombre de fois est constant par unité de temps. Par conséquent, la quantité d'autodissipation est également constante, et cette perte de courant de fuite de commutation à faible charge réduit l'efficacité. Par conséquent, pour utiliser moins de courant, la modulation de fréquence (contrôle PFM) est utilisée pour allonger et ralentir le cycle, réduisant ainsi le nombre de transitions ON/OFF par unité de temps et réduisant les pertes. Cette technique est appelée mode de charge légère.

L'utilisation de PWM et de PFM permet d'améliorer encore l'efficacité en fonction de la situation. Par exemple, lorsque la charge est élevée (le courant est utilisé), la commande PWM à cycle constant est utilisée, et la commande PFM à cycle variable est utilisée lorsque la charge est faible (le courant n'est pas utilisé).