Les redresseurs synchrones améliorent le rendement de l'alimentation, à condition d'être contrôlés efficacement

Ce n'est un secret pour personne : les dispositifs électroniques modernes, dotés de processeurs plus rapides, d'une mémoire plus importante et d'une largeur de bande supérieure, ont besoin de plus de puissance. Parallèlement, les exigences du marché font pression pour avoir des alimentations plus petites. Fournir des niveaux de puissance supérieurs dans des boîtiers plus compacts requiert une augmentation du rendement énergétique. Cette augmentation du rendement nécessite une réduction des pertes au niveau de l'alimentation, ce qui implique de repenser sa conception de base.

Voyons où se produisent les pertes et ce que nous pouvons faire pour les réduire. Nous utiliserons une alimentation indirecte comme exemple (Figure 1). Le convertisseur indirect active et désactive un transistor à effet de champ (FET).

Figure 1 : Une alimentation indirecte de base active et désactive un FET. Les formes d'ondes de courant et de tension associées sont illustrées. (Source de l'image : Texas Instruments)

Lorsque le FET est activé, le courant (I_P) circule dans la partie primaire de l'inductance couplée. Cela crée le champ magnétique dans l'inductance. Lorsque le FET est désactivé, le courant secondaire (I_O), dû à l'effondrement du champ dans l'inductance, circule dans la partie secondaire, à travers la diode, vers le filtre de sortie et la charge. Les pertes sont celles que l'on trouve dans l'inductance couplée, la commutation dynamique et les pertes par conduction dans le FET et la diode de sortie, ainsi que la puissance perdue dans le circuit de blocage. Toutes ces pertes doivent être évaluées, mais dans cet article, nous nous concentrerons sur les pertes par conduction au niveau de la diode de sortie.

Lorsque la diode de sortie est conductrice, elle présente une chute de tension directe (V_F) qui varie avec le niveau de courant et la température (Figure 2).

Figure 2 : La chute de tension directe d'une diode Schottky typique varie en fonction de la température et du courant. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

La chute de tension directe de cette diode augmente lorsque le courant augmente et diminue lorsque la température augmente. Pour un courant direct de 10 ampères (A) à 25°C, la chute de tension directe est d'environ 420 millivolts (mV), ce qui signifie que la diode dissipe 4,2 watts (W). Une façon de contourner cette perte consiste à remplacer la diode par un FET qui est activé aux moments appropriés du cycle de commutation de l'alimentation. Il s'agit d'un redresseur synchrone (SR), parfois appelé redresseur actif. Lorsque le FET est activé, son impédance directe est principalement la résistance (R_DS(ON)) du canal du FET. Le CSD18532KCS de Texas Instruments est un FET à canal N avec une résistance R_DS(ON) d'environ 5 milliohms (mΩ). En comparant ce FET à la diode, on peut constater les avantages de l'approche à redresseur synchrone (Figure 3).

Figure 3 : Comparaison des chutes de tension directe du CSD18532KCS avec une diode Schottky. Les modèles de circuits équivalents mettent en évidence les différences. (Source de l'image : Texas Instruments)

La chute de tension directe du FET à 25°C n'est que d'environ 60 mV pour un courant direct de 10 A, comparé à la chute de 420 mV pour la diode. La perte de puissance est de 0,6 W, contre 4,2 W pour la diode, ce qui représente une réduction assez importante de la perte de puissance et une amélioration du rendement énergétique de l'alimentation.

Texas Instruments a effectué une comparaison en utilisant sa carte d'évaluation à sortie isolée de 10 W UCC28740EVM-525. Ce module d'évaluation est un module d'alimentation autonome de 10 W qui assure une régulation de sortie à tension et courant constants. Il est basé sur un convertisseur indirect en mode de conduction discontinue (DCM). Lors du test, ils ont mesuré la chute de tension directe et le courant à l'aide de super-redresseurs à diode, et avec un redresseur synchrone utilisant un MOSFET à canal N CSD19531Q5A de Texas Instruments (Figure 4).

Figure 4 : Comparaison des chutes de tension directe et des courants dans la même alimentation en utilisant des diodes et un redressement synchrone MOSFET. (Source de l'image : Texas Instruments)

La différence entre les chutes de tension directe des redresseurs est facilement visible. La tension directe du redresseur à diode couvre une bonne fraction d'un volt alors que celle du redresseur synchrone est beaucoup plus faible. Les petites impulsions rectangulaires au début et à la fin de la phase de conduction du redresseur synchrone sont dues à la conduction de la diode de substrat dans le FET. Ces impulsions augmentent les pertes par conduction, mais en raison de leur courte durée, elles ont peu d'effet sur le rendement de l'alimentation.

Le rendement de l'alimentation sur une plage de courants de charge montre l'avantage du redresseur synchrone par rapport aux redresseurs à diode plus traditionnels (Figure 5).

Figure 5 : La comparaison du rendement de l'alimentation sur une plage de courants de charge et de tensions de source montre une amélioration du rendement de 2 à 3 %. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le rendement du redressement synchrone est supérieur de 2 à 3 % à celui du redresseur à diode sur une vaste plage de courants de charge. La complexité accrue de l'implémentation du redresseur synchrone peut s'avérer rentable.

Implémentation du redressement synchrone

L'inconvénient du redresseur synchrone est la nécessité de commander le FET de manière synchrone avec les opérations de commutation de l'alimentation. Il existe essentiellement deux approches pour contrôler les FET utilisés pour le redresseur synchrone. La première approche est le contrôle autonome. Cette méthode contrôle le redresseur synchrone en utilisant la tension secondaire de l'inductance couplée, directement ou par le biais d'un enroulement séparé. En raison de sa simplicité et du faible nombre de composants, cette approche est très intéressante. Cependant, cette technique ne fonctionne pas pour toutes les topologies de circuit et dépend du processus de réinitialisation dans l'inductance couplée.

La deuxième méthode est une approche basée sur le contrôle, où le redresseur synchrone est contrôlé via les signaux d'attaque de grille du commutateur principal en utilisant un contrôleur de redresseur synchrone, comme l'UCC24612-1DBVR de Texas Instruments. Ce dispositif fonctionne avec un large éventail de topologies indirectes comme le blocage actif, le mode quasi-résonant (QR), le mode de conduction discontinue (DCM), le mode de conduction continue (CCM) et la conversion indirecte résonante LLC. Il utilise la détection de la tension V_DS pour définir l'intervalle de conduction du MOSFET afin de réduire la perte par conduction. L'UCC24612-1DBVR fonctionne avec des contrôleurs indirects pour implémenter plus de contrôle et d'autres opérations destinées à améliorer le rendement, comme les blocages actifs et la commutation au zéro de la tension.

Conclusion

Les redresseurs synchrones font partie d'un ensemble de techniques d'amélioration du rendement soutenues par des dispositifs matériels facilement disponibles, comme l'UCC24612-1DBVR, qui offrent des conceptions simples et rentables pour répondre au besoin de densités de puissance supérieures.