Utilisation de convertisseurs à montage sur carte pour répondre aux besoins d'alimentation CA/CC et CC/CC, isolés et non isolés

Une architecture moderne de distribution d'énergie nécessite souvent une combinaison sophistiquée de convertisseurs de puissance CA/CC et CC/CC, isolés et non isolés. Les convertisseurs isolés sont principalement nécessaires pour protéger le système et les utilisateurs en cas de défaillances uniques ou multiples ; ils sont également nécessaires pour alimenter des sous-fonctions isolées afin de maintenir l'intégrité du signal.

En principe, il est possible de concevoir facilement votre propre convertisseur de faible à moyenne puissance (jusqu'à environ 1000 watts) à l'aide de circuits intégrés sophistiqués, avec différentes architectures offrant divers compromis en termes de performances. Cependant, la réalité du développement et de la validation de ces convertisseurs est tout autre. Vous devez, au minimum, respecter un ensemble d'exigences fonctionnelles et de performances de base, notamment en matière de valeurs nominales de courant et de tension de sortie, de rendement, de réponse transitoire, de dimensions physiques et de protection contre les défauts de ligne, de charge et d'alimentation.

Le défi de conception ne s'arrête pas aux éléments de base. Il existe toute une série de réglementations qui concernent, entre autres, la sécurité, le rendement à différents niveaux de charge, les performances d'arrêt, les performances thermiques, les émissions d'interférences électromagnétiques (EMI) et la sensibilité à ces interférences. Ces caractéristiques doivent être vérifiées par un laboratoire d'essai certifié, ce qui allonge considérablement le délai de conception. L'option consistant à tout « faire soi-même » (DIY) devient rapidement très risquée, et vous vous rendrez vite compte que le dilemme « fabriquer ou acheter » penche fortement en faveur de l'achat.

Si vous n'êtes pas convaincu, considérez que le convertisseur doit également intégrer une isolation galvanique. Même s'il s'agit d'une exigence courante pour la quasi-totalité des convertisseurs CA/CC, elle est également nécessaire pour certains convertisseurs CC/CC. Ce besoin introduit de nouvelles exigences en matière de réglementation, de sécurité et de certification, ce qui fait pencher encore davantage l'arbitrage en faveur de l'achat plutôt que de la fabrication, quelle que soit la taille de l'alimentation.

La bonne nouvelle, c'est que les convertisseurs de puissance isolés et non isolés à montage sur carte sont disponibles dans une large gamme de tensions et de courants nominaux. Ils simplifient considérablement la conception et le déploiement de produits destinés à des applications dans les domaines de la défense, des communications, des tests et mesures (isolés) et de la robotique mobile (non isolés), et peuvent être utilisés conjointement pour la distribution d'énergie.

En tant que composants de remplacement direct, ils peuvent être placés sur la carte à circuit imprimé principale à un emplacement optimisé pour les rails de distribution d'énergie. De plus, ils ne nécessitent pas de fixations ou de supports discrets. Pour résumer, ils assurent la fonction d'alimentation sous la forme d'une solution fermée, complète et prête à l'emploi.

Notions de base sur l'isolation

L'isolation galvanique est une barrière électrique qui empêche la formation d'un chemin conducteur (« ohmique ») entre les deux côtés d'un trajet de signal ou d'alimentation. Cependant, cette isolation doit tout de même permettre le passage de l'énergie et de l'alimentation à l'aide d'autres méthodes de transfert. Une isolation peut être nécessaire pour les signaux, l'alimentation ou les deux, selon la conception. Les techniques utilisées pour mettre en œuvre l'isolation dépendent des spécificités du flux de courant qui est isolé.

Vous pouvez avoir besoin d'une isolation pour plusieurs raisons. Pour les signaux, cela peut améliorer l'intégrité des capteurs, éliminer les boucles de masse ou protéger les utilisateurs et les circuits en cas de défauts permettant à l'électricité de circuler dans les trajets de signaux.

En matière d'alimentation électrique, il est avant tout nécessaire d'assurer la sécurité des utilisateurs et d'éviter tout choc électrique en cas de contact accidentel avec des lignes électriques CA ou des sources d'alimentation CC à haute tension. L'isolation prend également en charge les besoins des circuits « flottants » (sans connexion à la terre du circuit) utilisés pour les signaux non liés à l'alimentation électrique.

En général, l'isolation est une méthode permettant d'acheminer le flux de courant conformément à la loi de Kirchhoff (KCL). Pour qu'un courant puisse circuler, il doit y avoir un chemin de retour vers la source, et le rôle de l'isolation est précisément d'interrompre ce chemin. Dans un scénario potentiel de choc électrique, le trajet complet du courant de défaut passant par l'utilisateur et revenant à la terre (Figure 1, à gauche) est interrompu par le transformateur d'isolement dans la source d'alimentation (Figure 1, à droite).

Figure 1 : Pour éviter tout risque de choc électrique, le trajet du courant de défaut passant par l'utilisateur et revenant à la terre (à gauche) est interrompu par le transformateur d'isolement dans la source d'alimentation (à droite). (Source de l'image : Lumen Learning)

Prenons un exemple courant de choc électrique : en raison d'une isolation endommagée, un fil électrique sous tension entre en contact direct avec le boîtier métallique de l'appareil. Même si l'appareil continue de fonctionner normalement, l'utilisateur risque d'être électrocuté si la connexion à la terre est interrompue (ce qui est souvent le cas) et si le courant de défaut circule à travers l'utilisateur vers la terre plutôt que de passer en toute sécurité par le fil de terre.

Pour gérer ce risque, la fonction d'isolation de l'alimentation électrique interrompt le trajet du courant entre la source de tension d'origine et l'appareil. Cela empêche la formation d'un circuit entre eux, éliminant ainsi le risque d'électrocution malgré le défaut de câblage.

Notez que les tensions à risque comprennent à la fois les tensions CA et les tensions CC comparables, telles que celles provenant des blocs-batteries à plusieurs cellules. La plupart des réglementations définissent les tensions dangereuses comme celles étant supérieures à environ 60 volts, selon la situation et le type de tension.

L'isolation électrique est presque toujours réalisée à l'aide d'un couplage magnétique via un transformateur. Le couplage magnétique est efficace sur le plan électrique, performant sur le plan technique, très flexible, hautement fiable et facilement adaptable pour répondre à la fois aux exigences réglementaires et aux besoins des circuits.

Les raisons de tant de bons choix

Les choix architecturaux ne manquent pas dans la planification de la distribution d'énergie, car les systèmes modernes utilisent de nombreux rails d'alimentation. Cependant, choisir le convertisseur de puissance approprié peut s'avérer difficile lorsque certaines parties d'un circuit doivent être isolées, tandis que d'autres ne nécessitent pas d'isolation ou ne doivent pas être isolées.

Il existe des cas où un rail d'alimentation CA/CC ou CC/CC haute tension ne nécessite pas d'isolation, mais où celle-ci est nécessaire plus loin dans la chaîne de distribution d'énergie. Les concepteurs doivent notamment décider s'il convient de recourir à une seule alimentation isolée plus importante ou à plusieurs alimentations plus petites, et s'il faut utiliser une alimentation isolée uniquement là où cela est nécessaire et des alimentations non isolées ailleurs (Figure 2).

Figure 2 : Une architecture complète de distribution d'énergie au niveau du système nécessite souvent une combinaison de convertisseurs de puissance CA/CC et CC/CC isolés et non isolés. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Pour répondre à ces besoins, TDK-Lambda propose une large gamme de convertisseurs de puissance CA/CC et CC/CC isolés et non isolés de type abaisseur/élévateur à montage sur carte, couvrant de nombreuses valeurs nominales de courant et tension d'entrée et de sortie. Exemples :

Convertisseur CA/CC isolé : Le PFE500F-28/T est un convertisseur à sortie simple de 28 volts/18 ampères (A) pour une entrée de 85 à 265 volts CA (VCA). Il offre une isolation entrée-sortie de 3000 VCA dans un module fermé au format brique pleine de 122 mm × 70 mm × 12,7 mm (millimètres), destiné à être utilisé dans des environnements où un refroidissement par convection ou à air forcé n'est pas envisageable.

Convertisseur CA/CC non isolé : Également au format brique pleine, le module fermé PF1500B-360 convertit l'entrée CA en une sortie CC régulée de 360 volts CC (VCC) pour une utilisation dans les systèmes d'alimentation distribués qui utilisent des convertisseurs CC/CC haute tension isolés ou des charges nécessitant une source haute tension. Sa puissance nominale est de 1512 watts pour une tension d'entrée comprise entre 170 et 265 VCA, et de 1008 watts pour une tension d'entrée comprise entre 85 et 265 VCA. Le module affiche un facteur de puissance de 0,98 et un rendement pouvant atteindre 96,5 %.

Convertisseur CC/CC isolé : Le convertisseur CC/CC isolé GQA2W024A050V-007-R délivre 120 watts dans un format quart de brique compact et hautement performant, avec une isolation entrée-sortie pouvant atteindre 3000 VCC. Il fonctionne sur une plage d'entrée comprise entre 9 et 36 volts et fournit 5 volts à 24 A. Son boîtier mécanique est disponible en plusieurs configurations : socle, fermé et encapsulé (Figure 3). Il prend en charge le refroidissement par convection et par conduction via une plaque froide ou un dissipateur thermique externe.

Figure 3 : Afin d'offrir aux concepteurs un maximum de flexibilité pour la conception globale de leur boîtier et le refroidissement du convertisseur, le convertisseur GQA2W024A050V-007-R est disponible dans plusieurs configurations de boîtier. (Source de l'image : TDK-Lambda)

Convertisseur CC/CC non isolé : Le convertisseur CC/CC non isolé au point de charge (PoL) I6A24014A033V-003-R est parfaitement adapté à la création de rails de tension de sortie à fort courant, à partir d'une alimentation de 12 ou 24 VCC. Il dispose d'une plage d'entrée comprise entre 9 et 40 volts, fournit un courant maximal de 14 A et offre une large plage de réglage de sortie de 3,3 à 24 volts dans un boîtier compact au format 1/16^e de brique.

Conclusion

TDK Lambda propose des convertisseurs isolés et non isolés à montage sur carte à circuit imprimé, adaptés à diverses topologies et spécifications de tension d'entrée et de sortie. Il en résulte un ensemble optimisé de convertisseurs hautes performances prêts à l'emploi, pouvant répondre à un large éventail de configurations d'alimentation.