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II- ALIMENTATION FLYBACK
Un convertisseur Flyback est une alimentation à découpage, le plus souvent
avec isolation galvanique entre l'entrée et la sortie.. Le convertisseur Flyblack est
certainement la structure la plus utilisée en industrie (moniteur LCD, télévision CRT,
lecteur de DVD, …) [1]. Il est le plus souvent réservé aux applications de puissance
réduite
1) Principe
L’alimentation de type Flyback est basée sur le principe du hacheur à stockage inductif :
Evolution schematique du hacheur inductif
Le schéma de base d'un convertisseur Flyback est représenté sur la figure 1
Schéma de principe de l’alimentation Flyback
On peut distinguer deux phases :
Phase 1 (la magnétisation):
Le début d'un cycle commence par la mise en conduction du transistor.
La tension d'alimentation est directement appliquée à l'enroulement primaire du
transformateur, se comportant comme une inductance L1 emmagasinant une énergie
électromagnétique. Durant cette phase, le courant dans le pont redresseur est le
même que celui absorbé par le transformateur (le transistor est passant et la diode D
bloquée, l’énergie est emmagasinée sous forme magnétique dans l’entrefer par
l’inductance L1)
Phase 2 (la démagnatisation):
On bloque le transistor, D s'amorce et l'énergie est transférée à la sortie à travers D
(le transistor est bloqué, la diode s’amorce et l’énergie magnétique emmagasinée au
cycle précédent est restituée vers la charge grâce à l’enroulement secondaire L2.) .Le
condensateur Ce sert de découplage pour le câblage de l'entrée et fournit la
composante alternative du courant absorbé à l'entrée. Le condensateur Cf lisse la
tension de sortie.
Il existe deux modes de fonctionnement avec chacun ses avantages et inconvénients
- démagnétisation complète ou régime discontinu
- démagnétisation incomplète ou régime continu
Dans la suite du texte, on pose k = n2/n1 : rapport du nombre de spires
secondaire/primaire et on assimile les composants commutant à des interrupteurs
idéaux.
2) Modes de Fonctionnement (étude simplifiée)
a) Mode Discontinu
Le mode de fonctionnement est appelé discontinu lorsque le flux dans les
enroulements a le temps de s'annuler au cours d'un cycle.
Occasionnellement, la quantité d'énergie demandée par la charge est assez faible
pour être transférée dans un temps plus court qu'une période de commutation. Dans
ce cas, le flux circulant dans le transformateur s'annule pendant une partie de la
période. L'énergie stockée dans le circuit magnétique est nulle en début de cycle.
Figure 3
Pendant le temps T1 : le
transistor est passant et IT croit
linéairement jusqu'à la valeur :
(1)
En posant T1=αT
La diode D est bloquée et
supporte une tension inverse :
Vs+k.Ve
L'énergie emmagasinée dans le circuit magnétique vaut alors :
We=½. L1.I2L1max (2) We= ½.Ve2.(αT)2/L1 (3)
L'énergie ne pouvant pas subir de discontinuité, on a, au moment du blocage du
transistor : We=½. L1.I2L1max = ½ L2 I2
L2max avec n2. IL2max = n1. IL1max (4)
Pendant le temps T2 : D devient alors passante. La tension de sortie Vs (supposée
constante) se retrouve aux bornes du secondaire (à 1 Vd près). Elle est ramenée au
primaire dans le rapport 1/k d'où :
t1 t2
Vds = Ve + Vs/k. (5)
Le courant Id décroît linéairement avec une pente -Vs/L2. Si le temps de blocage du
transistor est assez long, Id s'annule, le flux magnétique également. Toute l'énergie à
été transférée. Il s'en suit un temps mort pendant lequel il n'y a plus aucune variation
(d∆/dt=0) donc Vds "retombe" à la valeur Ve.
A partir de l'équation (3) on peut alors calculer la tension de sortie Vs. En effet, la
puissance au primaire vaut Pe = We/T. En supposant le montage sans pertes, elle est
intégralement transmise à la charge ; La puissance disponible en sortie Ps est donc
égale à Pe. Comme on a aussi : Ps=Vs2/R, il vient :
(6)
Or, Ps = Vs.Is. On en déduit immédiatement la relation Is = f(Vs) :
(7a)
d'où l'expression de L1 :
(7b)
On exprime les valeurs efficaces des courants primaire et secondaire :
Soit ici :
et (8)
Enfin, rappelons que le courant moyen à travers L1 étant constant (cf. § II.2.4), la
tension moyenne aux bornes du primaire est nulle. On a donc :
t.Vs/k = Ve.t1 (9)
Pour faire un "design" en mode discontinu, on prend en plus :
Des remarques importantes :
- On remarque que le rapport de transformation k n'intervient pas dans la relation (6)
et que Vs dépend de la charge R : le système est une source de puissance. Une
régulation en tension est donc indispensable. De plus l'alimentation flyback doit
impérativement être chargée : elle ne peut pas fonctionner à vide.
- Par contre, le rapport k impose la tension de claquage V(BR)DSS du transistor :
Vds max = E+ Vs/k
- Le courant étant fortement discontinu, le condensateur de filtrage Cf sera très
sollicité.
b) Mode Continu
Dans ce mode de fonctionnement, le flux dans le circuit magnétique ne s'annule
jamais. Ce mode de fonctionnement demande une inductance couplée plus
importante que pour le mode discontinu, mais on peut obtenir une puissance
supérieure pour un même dimensionnement. La tension de sortie est indépendante
de la charge mais le système répond plus lentement aux changements de courant. Les
formes d'ondes théoriques sont données en figure 4.
t1+t2 < 0,8.T (10)
Le courant moyen dans L1 étant
constant, la tension moyenne aux
bornes du primaire est nulle. On a donc
:
αT. Ve = Vs/k (1-α) T
(avec t1+t2=T et t1= αT)
D'où : (11)
Par ailleurs on a toujours :
Vdsmax = Ve+ Vs/k
Figure 4
La puissance disponible pour la charge s'écrit :
Ps= Vs. Is avec Is = Id moyen
D'où l'on tire la valeur moyenne Ism de l'impulsion de courant (durée t2) au
secondaire :
(12)
En supposant le montage sans pertes, (Ps = Pe), on déduit la valeur moyenne Ipm de
l'impulsion de courant (durée t1) au primaire :
(13)
Pour calculer L1, on se place à la limite du régime continu.(forme d'onde trapèze ->
triangle). On a alors :
t1 t2
IL1max = 2.Ipm et comme
on obtient :
Des remarques importantes :
1-En contrôlant α, on peut passer d'un abaisseur à un élévateur de tension.
2- La tension de sortie dépend du rapport de transformation k et du rapport cyclique
mais n'est plus fonction de la charge R. Contrairement au régime discontinu, le
système est une source de tension.
3- La tenue en tension du transistor doit être supérieure à E+Vs/k soit, d'après (11),
E/(1-α). Un bornage supérieur de α est donc indispensable.
c) Régime critique
Ce mode marque la frontière entre les régimes discontinu et continu. Les relation (6)
et (11) sont valables simultanément :
et
De (11) on tire :
d'où :
Le lieu des points Is = f(Vs) correspondant peut être reporté sur la caractéristique de
sortie donnée ci après (cf. § IV.3). (Is est maximum pour dIs/dVs=0 soit Vs = k.Ve,
ce qui donne d'après (11) α = 0,5)
3) Caractéristiques de sortie
a) Caractéristiques de sortie statique
On peut tracer la caractéristique de sortie Is = f(Vs) (avec f=1/T) à partir de
l'analyse des modes de fonctionnement qui a précédé (figure5). On passe du mode
discontinu au mode continu lorsque le courant de sortie Is augmente. D’après les
expressions de Vs pour les régimes continu et discontinu, voici la caractéristique
de sortie du Fly back en relatif. La grandeur en abscisse est fonction de Is et celle
en cordonnée est en fonction de Vs.
Figure 5
b) Condensateur de sortie, ondulation résiduelle
On obtient l'ondulation de tension de sortie en supposant le courant de sortie Is
constant et continu. Le courant dans Cf est donc le courant dans D diminué de Is et
lorsque D est bloquée CF se décharge à courant constant (figure 6).
Figure 6
la valeur moyenne du courant Icfmoyen
est nulle : les aires hachurées sont
identiques (car Vsmoyen = constante).
avec
0<tm<0,2.T et Idmoyen = Is (12)
c) Comparaison des modes de fonctionnement
Quelque soit le mode de fonctionnement, une des principales limitations du
"flyback" est de ne pas pouvoir fonctionner à vide : l'énergie ne peut plus être
transférée à la sortie et donc risque de surtension et destruction du transistor et
ou de la diode.
- en mode continu, on peut obtenir une puissance supérieure pour un même
dimensionnement. (Courant moyen plus grand pour un courant crête identique). Par
ailleurs, si l'on travaille avec un transistor bipolaire, on doit prendre VCEO > E+Vs/k.
Vce doit être inférieur à VCEO lors de l'amorçage. Cependant la valeur de L1 est plus
grande qu'en mode discontinu et le montage répond plus lentement aux changements
de courant de charge.
- en mode discontinu, le choix d'un transistor bipolaire sera moins contraignant car
au moment de l'amorçage, Vce= Ve. L1 est plus petite et le système est plus rapide.
Mais CF est plus sollicité.
4) Avantages et inconvénients
a) Avantages
- Peu de composants.
- Un seul composant bobiné
- Architecture économique pour les faibles puissances (<150W)
b) Inconvénients
- L’énergie étant stockée dans l’inductance couplée et dans le condensateur de sortie,
ceux-ci deviennent encombrants pour des puissances supérieures à 200 W, et
l’alimentation Flyback devient alors moins intéressante.
- Risque de surtension lors du fonctionnement à vide : l’énergie stockée durant la
phase de magnétisation est alors transmise au condensateur durant la phase de
démagnétisation. Cette énergie est alors stockée par le condensateur qui voit sa
tension monter, et il y a alors risque de destruction.
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