Utiliser des inductances spécialisées pour les convertisseurs CC/CC à fort courant et transitoires rapides

Les data centers et les racks de serveurs requièrent des kilowatts de puissance et des centaines d'ampères de courant. Fournir une telle quantité d'alimentation CC est un défi de conception, même à basse tension. Le problème est exacerbé par la nécessité d'un temps de réponse transitoire de l'ordre de la microseconde pour éviter une chute de tension de plus de quelques millivolts, susceptible d'entraîner un comportement intermittent du circuit.

Pour améliorer la réponse aux transitoires, les concepteurs ont opté pour une topologie de convertisseur CC/CC polyphasée dans laquelle plusieurs convertisseurs abaisseurs monophasés sont utilisés en parallèle. Cependant, cette approche présente des limites inhérentes en raison de l'inductance et de la résistance parasites inévitables des condensateurs de sortie, qui ralentissent la réponse transitoire du convertisseur.

Pour surmonter cette faiblesse, une topologie polyphasée avancée appelée régulateur de tension à trans-inductance (TLVR) a été développée. La clé d'une implémentation TLVR réussie réside dans deux inductances à fort courant et faible valeur, une pour chaque phase d'alimentation TLVR, et une seule inductance de compensation sur le côté primaire des inductances TLVR.

Cet article examine les défis associés aux convertisseurs CC/CC à fort courant et explore l'application de topologies CC/CC polyphasées pour relever ces défis. Il décrit ensuite le rôle essentiel des inductances de compensation et la manière dont les exigences de performances de ces éléments de circuit peuvent être satisfaites à l'aide d'exemples de composants d'Abracon.

Des topologies monophasées aux topologies polyphasées

Fournir une alimentation régulée à des systèmes tels que les data centers et les racks de serveurs pose deux défis connexes. Premièrement, ces systèmes requièrent des centaines d'ampères de courant. Cette demande de courant maximum statique peut être satisfaite avec une conception de convertisseur à découpage appropriée utilisant des condensateurs de masse à haute valeur pour lisser l'ondulation de commutation.

Le deuxième défi est de nature dynamique, en raison des transitoires de charge, car les charges augmentent rapidement d'un état de veille à vide ou à faible charge, nécessaire pour réduire la consommation d'énergie et minimiser les problèmes thermiques, à un état pleinement actif. Le convertisseur doit répondre en quelques microsecondes, sans pour autant présenter un dépassement ou un dépassement négatif de la tension d'alimentation nominale.

Bien qu'il soit difficile de concilier ces contradictions, les concepteurs d'alimentations et de convertisseurs ont trouvé des solutions.

Commencer avec le convertisseur monophasé

Un convertisseur CC/CC à découpage abaisseur standard utilise une approche monophasée (Figure 1, à gauche). Il prend un rail CC d'entrée, le découpe en une onde CA carrée haute fréquence, puis l'abaisse à l'aide d'un transformateur ou d'une autre configuration. Le courant continu presque pur qui en résulte est filtré via des condensateurs de masse pour minimiser l'ondulation et fournir une augmentation de courant si la charge exige soudainement plus de courant. Pour réguler la sortie à la tension souhaitée lorsque la charge varie, le convertisseur utilise la rétroaction pour ajuster la largeur d'impulsion et le rapport cyclique du signal découpé (Figure 1, à droite), garantissant que sa valeur moyenne correspond à la valeur cible.

Figure 1 : Pour la régulation, le convertisseur monophasé (à gauche) module le rapport cyclique marche/arrêt de la largeur d'impulsion commutée (à droite) pour maintenir une sortie CC stable malgré les variations du courant de charge. (Source de l'image : Abracon)

Cependant, cette conception monophasée présente des lacunes dans sa réponse transitoire. Les parasites inévitables de la résistance série équivalente (ESR) et de l'inductance série équivalente (ESL) du condensateur ralentissent son temps de réponse quand il tente de fournir le courant requis lorsque la charge passe du mode veille à la demande maximale.

De plus, le courant supplémentaire qui est dirigé vers le condensateur lorsque la tension délivrée commence à baisser doit traverser l'inductance du convertisseur. Bien qu'une inductance à valeur élevée soit préférable pour certains aspects des performances du convertisseur, elle se traduit également par un taux de variation du courant plus faible. Par conséquent, l'inductance mettra plus de temps à atteindre la valeur de courant nécessaire pour recharger le condensateur et répondre aux exigences de charge. C'est pourquoi le dimensionnement de l'inductance est l'un des nombreux compromis dans la conception d'un convertisseur.

Passer à un convertisseur polyphasé

Une topologie ingénieuse permettant de surmonter les limites des convertisseurs monophasés est le convertisseur polyphasé, qui utilise plusieurs convertisseurs abaisseurs monophasés fonctionnant en parallèle. Cette topologie offre aux concepteurs la flexibilité d'utiliser simultanément plusieurs inductances plus petites pour commander la charge, plutôt que de s'appuyer sur une seule grande inductance.

Le courant vers la charge est la somme des courants de toutes les phases (Figure 2, à gauche). Étant donné que l'inductance dans chaque phase est inférieure à celle dans une conception monophasée, le courant augmente plus rapidement. Il en résulte une réponse plus rapide et une chute de tension plus faible pendant les transitoires de charge (Figure 2, à droite).

Figure 2 : En utilisant plusieurs phases dans une configuration parallèle (à gauche) et en additionnant leurs sorties individuelles, la réponse transitoire du convertisseur polyphasé est beaucoup plus rapide, avec une chute plus faible (à droite) que dans le cas d'une topologie monophasée. (Source de l'image : Abracon)

La pratique courante en matière de conception consiste à limiter une seule phase entre 30 A et 40 A, bien que cette valeur puisse être plus élevée. Une conception polyphasée se compose généralement de deux à huit phases, bien qu'un plus grand nombre de phases soit possible. Le choix entre un nombre réduit de phases plus puissantes et un nombre plus élevé de phases moins puissantes implique de nombreux compromis entre divers aspects de performances électriques, de taille physique, de nomenclature (BOM) et de coût.

Améliorer un système polyphasé avec TLVR

La sortie du circuit polyphasé nécessite du temps pour ajuster les phases car elles sont déclenchées séquentiellement. Une amélioration intelligente du circuit permet de réduire le temps de réaction du convertisseur en contrôlant la manière dont chaque phase est déclenchée en réponse aux transitoires de charge. Pour ce faire, on utilise l'approche TLVR.

Cette topologie de convertisseur CC/CC polyphasée fournit une réponse transitoire plus rapide en ajoutant une connexion en série des enroulements secondaires via des inductances qui couplent toutes les phases ensemble. Cela permet une induction simultanée du courant entre les phases en réponse à une augmentation de la charge (Figure 3).

Figure 3 : La topologie TLVR ajoute des inductances interphases (en haut) pour coupler les phases et leur permettre de connaître plus tôt la demande de courant (en bas). (Source de l'image : Abracon)

Les inductances TLVR et l'inductance de compensation sont essentielles à la topologie TLVR. Les premières sont des transformateurs spécialisés où les enroulements primaire et secondaire comprennent deux clips en cuivre pour minimiser les pertes CC (Figure 4). Les deux clips sont contenus dans un noyau magnétique en ferrite ou en matériau à base de fer, couplant ainsi magnétiquement les côtés primaire et secondaire. La principale différence entre la conception TLVR et la configuration polyphasée de base est l'utilisation de l'enroulement primaire de chaque inductance TLVR comme inductance de sortie pour chaque phase.

Figure 4 : L'inductance TLVR est un transformateur spécialisé qui relie la sortie de chaque phase à la phase suivante. (Source de l'image : Abracon)

De plus, les secondaires de toutes les phases sont interconnectés en série à une seule inductance de compensation (LC) (Figure 3, en haut à droite). Chaque tension d'enroulement primaire se reflète sur l'enroulement secondaire correspondant. Étant donné que tous les secondaires sont connectés en série, l'inductance de compensation voit la somme de toutes ces formes d'ondes.

En cours de fonctionnement, lorsque le convertisseur est soumis à un courant plus important, la tension à la sortie commence à chuter en raison de l'ESR et de l'ESL parasites du condensateur. La boucle de commande de rétroaction détecte cette chute et réagit en augmentant le niveau de commande de la phase active à ce moment-là, fournissant plus de courant dans cette phase pour limiter la chute de tension et répondre à la nouvelle demande de charge.

C'est pourquoi les TLVR offrent des performances supérieures à celles des convertisseurs polyphasés traditionnels. Lorsqu'une phase donnée requiert plus de courant, cette nouvelle forme d'onde de courant se reflète dans tous les enroulements primaires puisque le secondaire est couplé à toutes les autres phases. Il en résulte une augmentation quasi instantanée du courant dans toutes les phases, en raison de la réponse d'une phase au système de rétroaction, induisant un courant dans les autres phases.

Le terme « trans-inductance » dans le nom TLVR provient de cette approche liée à l'inductance entre les phases. La réponse collective de toutes les phases aux variations de charge évite l'intervalle de temps dont le contrôleur a besoin pour déclencher chacune des autres phases, ce qui entraîne une réponse transitoire plus rapide.

Les inductances TLVR ont généralement un rapport de transformation de 1:1, les deux valeurs d'inductance étant identiques. La valeur d'inductance est principalement fonction du rapport cyclique et de la quantité acceptable de courant ondulé.

La conception de l'inductance est cruciale pour les performances TLVR

Les composants passifs, tels que les résistances, les condensateurs et les inductances, sont souvent considérés comme des dispositifs simples. Même s'ils sont conceptuellement simples, la réalité est compliquée et recèle de nombreuses subtilités. L'inductance est peut-être le composant le plus trompeur, car, du moins en principe, il s'agit « simplement » d'un morceau de fil ou de conducteur plié ou enroulé.

Comme indiqué, une inductance TLVR (Lm_n) est nécessaire dans les topologies TLVR pour chaque phase de puissance (Figure 5, en bas), permettant à l'alimentation en courant au niveau du système de dépasser des centaines d'ampères.

En revanche, du côté primaire de la topologie TLVR, une seule inductance de compensation (Lc₁) (Figure 5, en haut) est requise pour réguler l'alimentation. Elle accomplit cette tâche en lissant et en ajustant la phase par rapport à la tension, augmentant ainsi la marge de phase et garantissant un fonctionnement stable.

Figure 5 : Un convertisseur polyphasé TLVR complet requiert une inductance TLVR par phase pour la liaison interphase, ainsi qu'une inductance de compensation unique pour assurer un fonctionnement stable. (Source de l'image : Abracon)

Inductances d'assemblage série AVR

L'inductance de compensation utilisée dans les conceptions TLVR doit présenter une faible résistance en courant continu, gérer de forts courants, être spécifiée sur une large plage de températures et être physiquement compacte. La série AVR d'inductances d'assemblage d'Abracon (Figure 6) répond à ces exigences grâce à sa construction à base de ferrite, sa plage d'inductances de 22 nH à 680 nH, sa plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C, sa résistance en courant continu (DCR) de seulement 0,100 mΩ et ses courants de saturation atteignant 160 A.

Figure 6 : La série AVR d'inductances d'assemblage est spécialement conçue, avec sa construction, ses valeurs de paramètres clés, son format et plus, pour répondre aux besoins spécifiques des convertisseurs CC/CC traditionnels et pour la compensation dans les topologies TLVR. (Source de l'image : Abracon)

Le conditionnement de l'inductance de compensation contribue également au succès d'une conception de convertisseur compacte. Alors que les inductances moulées étaient auparavant la norme pour les applications de convertisseurs compactes, ces inductances d'assemblage offrent des performances améliorées à un coût inférieur.

Par exemple, l'AVR-1F070605S90NLT est une inductance blindée de 90 ±15 % nH (0,1 MHz/1,0 V) mesurant environ 6 mm × 7 mm. Sa résistance en courant continu est de 0,17 ±30 % mΩ et son courant de saturation typique est de 50 A à +25°C, chutant légèrement à 45 A à +100°C.

Pour les applications à plus fort courant, l'AVR-1Z090610SR12KT est une inductance non blindée de 120 ±10 % nH (800 kHz et 0,8 V). Ce composant de 9,5 mm × 10 mm présente une résistance en courant continu typique de 0,10 mΩ (maximum de 0,12 mΩ) ainsi qu'un courant de saturation de 90 A à +25°C et de 75 A à +100°C.

Conclusion

Passer d'un convertisseur CC/CC monophasé à une approche polyphasée, puis à une topologie TLVR, garantit des performances supérieures dans les applications où les courants de charge sont élevés et rapides, nécessitant une réponse transitoire nette et une haute précision de sortie. L'amélioration d'une conception polyphasée avec l'ajout d'un inductance TLVR pour chaque phase, et avec une seule inductance de compensation, permet à cette approche de répondre aux objectifs de conception. Pour l'inductance de compensation nécessaire, la série AVR d'inductances d'assemblage d'Abracon offre des solutions avancées et économiques pour la régulation de tension polyphasée.