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.