Partie XVII de la Srie Conception par le Dr Ray RidleyCopyright 2005 Switching Power Magazine

Conception des amortisseurs pour Convertisseur FlybackDans ce numro, et les numros prcdents du SPM, nous couvrons les dernires technologies en matire d'alimentation exotique de haute densit. La plupart des blocs d'alimentation dans le monde commercial, cependant, sont construits avec le pain et le beurre des technologies que nous avons utilis pendant des dcennies. Convertisseurs PWM signaux carrs sont encore les plus rentables pour fournir des tensions rgules dans les systmes lectroniques, et le resteront pendant de nombreuses annes venir. Tous les convertisseurs PWM ont des parasites non idals qui conduisent des formes d'onde amorties qui doit tre correctement supprimes. Sans cela, les semi-conducteurs peuvent tre sujettes pannes, et le bruit sera plus lev que ncessaire. Dans cet article, nous parlerons de techniques de conception pratiques pour les amortisseurs les plus couramment utiliss et les circuits dcrtage pour le convertisseur flyback.

Figure 1a : Schma du convertisseur flyback

Convertisseur Flyback sans amortisseurLa figure 1a montre le circuit flyback de base, sans aucun amortisseur en place. Idalement, le circuit prsente des signaux carres lors des commutations et blocages. Dans la pratique, cependant, le blocage de l'interrupteur interrompt le courant travers l'inductance de fuite du transformateur, et cela va poser un pic de tension sur le drain du FET.

Figure 1b : Tension de drain du convertisseur flyback sans amortisseur

L'inductance entrera ensuite en rsonance avec les capacits parasites du circuit, en produisant une onde de forte amplitude haute frquence comme le montre la figure 1b. Sur le primaire du flyback, l'inductance de fuite mesure rsonne avec les capacits du primaire.

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De nombreuses notes d'applications et conception ignorent la rsonance et font fonctionner le convertisseur sans aborder la question. Il y a deux problmes cela : tout d'abord la tension, elle est excessive sur le drain du FET qui peut entraner la rupture par avalanches et finalement la panne du dispositif. Deuximement, l'nergie de la rsonance sera rayonne et conduite partout dans l'alimentation, la charge, et le systme lectronique, ce qui cre les problmes de bruit et mme les erreurs dans la partie logique. La frquence de la rsonance apparatra donc comme un pic dans le spectre IEM et ce aussi bien rayonn quen conduit. Dans la plupart des conceptions, ce n'est pas acceptable, et il est ncessaire d'ajouter des lments pour rduire la rsonance (en utilisant un RC amortisseur), ou pour crter la tension (avec un crteur RCD), ou les deux. La conception de ces rseaux est une combinaison de mesures et d'analyse afin de garantir un rsultat robuste et fiable. Dans cet article, nous examinerons les deux types diffrents de procdures de conception damortisseur.

Amortisseur RC au primaire pour convertisseur flybackLa figure 2a montre un circuit amortisseur RC, utilis pour amortir la rsonance sur le drain du FET. La rsistance d'amortissement affaiblie la rsonance LC du circuit de puissance, tandis que le condensateur srie vite que les tensions de ltage de puissance la frquence de commutation ne soient appliques la rsistance. Le condensateur est dimensionn pour permettre la rsistance dtre efficace la frquence de rsonance. L'amortisseur RC est le mieux plac directement sur le semi-conducteur qui doit tre protg. Si vous utilisez une rsistance de dtection de courant en srie avec le FET, assurez-vous que l'amortisseur est reli au sommet de la rsistance de dtection et pas la masse. Quand vous faites cela, la rsistance de dtection ne verra pas les pics de courant la commutation quand la capacit de lamortisseur est dcharge.

Figure 2a : Convertisseur flyback avec amortisseur au primaire. Frquence de rsonance = 12MHz.

Les exigences de la conception de l'amortisseur RC sont simples, choisissez une rsistance pour rduire correctement la rsonance, slectionnez un condensateur, et assurez-vous que la dissipation de lassemblage ne soit pas excessif. Au temps de la basse frquence, il n'tait pas rare pour les ingnieurs dutiliser une bote dcade de rsistances et de condensateur pour essayer empiriquement des valeurs diffrentes afin damortir la rsonance. Nous prfrons une approche plus analytique que celle-ci pour optimiser la conception. Les botes de dcade ne fonctionnent pas trs bien avec les frquences de rsonance bien suprieures 1 MHz, et cela n'a jamais t sur la mthode efficace pour trouver le meilleur compromis de la dissipation et de l'amortissement.

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Figure 2b : Signal sur le drain du convertisseur flyback avec amortisseur RC ajout au primaire.

Etape 1 de la conception : Mesure de linductance de fuiteLa premire tape de la conception d'un amortisseur RC efficace est de mesurer l'un des lments parasites causant la rsonance observe. Il y a deux choix de composants pour mesurer la capacit totale effective, ou l'inductance de fuite. La capacit est difficile dfinir et mesurer. Il s'agit d'une combinaison non linaire de la capacit de jonction du semiconducteur, de la capacit de lenroulement du transformateur, et toutes les autres capacits parasites tels que celles des radiateurs. La frquence de rsonance est souvent assez leve que mme la sonde d'un oscilloscope peut influer sur les formes d'ondes lorsqu'elle est connecte au circuit. REMARQUE: Quoi que vous fassiez, nestimerez pas la valeur de l'inductance de fuite. Il s'agit d'une commune (et trs imparfait), rgle d'or de supposer que l'inductance de fuite est de 1% de linductance de magntisation. Il peut tre plus d'un ordre de grandeur diffrent de celle-la, et la conception damortisseur se basant sur ce nombre de 1% sera rarement utile.

Figure 3a : Mesure de limpdance du transformateur avec le secondaire court-circuit.

Cela nous laisse avec l'inductance de fuite du transformateur, L, ce qui est facile mesurer avec un analyseur de rponse en frquence. Pour ce faire, un court-circuit est appliqu travers le secondaire (ou les secondaires) du transformateur flyback et l'impdance est mesure partir de l'enroulement primaire. Il est recommand de le faire pour une large gamme de frquences, y compris la frquence de commutation de l'alimentation, et l'amortisseur de sonnerie de frquence, afin de saisir la bonne valeur de l'inductance de fuite.

Figure 3b : Mesure de linductance de fuite du primaire du transformateur du flyback.

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En raison des effets de proximit dans le transformateur, l'inductance de fuite peut varier de manire significative des frquences plus leves, comme le montre la figure 3b. Notez que la fuite diminue effectivement avec la frquence. Pour la conception de l'amortisseur RC au primaire, nous utilisons la valeur de l'inductance obtenue 12 MHz.

Etape 2 de conception : Mesure de la frquence de rsonanceLa figure 1b montre la rsonance non amortie sur le drain du FET. Comme mentionn prcdemment, il faut veiller capturer cette forme d'onde. Vous pouvez gnralement le voir sans mme toucher au drain du FET avec la sonde de champ, ce qui donne la mesure la plus prcise non affecte par la capacit de la sonde. Notez que la rsonance sur le FET est asymtrique, avec des pics aigus, et des fonds plus large de formes d'ondes. Ceci est d la nature non linaire de la capacit de sortie du FET qui diminue mesure que la tension augmente. A partir de cette forme d'onde, estimer la frquence de rsonance, fr. Pour procder une bonne conception de lamortisseur, cette frquence devrait de prfrence tre de deux ordres de grandeur plus leve que la frquence de commutation, ou la dissipation deviendra excessive. Si ce n'est pas le cas dans la conception de votre alimentation, vous devez travailler sur la rduction de l'inductance de fuite du transformateur, ou la capacit du circuit, ou les deux.

Etape 3 de conception : Calcul de la rsistance et de la capacit de lamortisseur.Pour damortir la rsonance correctement, nous avons besoin de calculer l'impdance caractristique du circuit de rsonance. Ceci est donn par :

La rsonance sera bien amortie si nous utilisons une rsistance damortissement gale l'impdance caractristique de la rsonance. Nous utilisons donc le point de conception R = Z pour slectionner la rsistance. Le condensateur de lamortisseur est utilis afin de minimiser la dissipation la frquence de commutation, tout en permettant la rsistance dtre efficace la frquence de rsonance. Le meilleur point de conception pour commencer est l'impdance du condensateur la frquence de rsonance gale la valeur de rsistance.

Etape 4 de conception : Calcul de la dissipation de lamortisseurLa dissipation est dtermine par la taille du condensateur de lamortisseur. La dissipation approximative est donne par :

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o V est la tension sur le FET donne par la tension d'entre plus la tension de sortie reflte. Veillez utiliser la frquence de commutation, fs, dans ce calcul, pas la frquence de rsonance. Note : le facteur habituel de n'apparat pas dans cette expression, car la rsistance dissipe la fois lors de la charge et de la dcharge du condensateur. Le chargement se fait avec l'inductance, et en tant que telle, la dissipation de peut tre un peu infrieur celle prvue par cette expression. Toutefois, il est une bonne et prudente estimation de conception.

Etape 5 de conception : Vrification exprimentale de la conceptionLa dernire tape de la conception est de tester exprimentalement l'amortisseur. Ne ngligez pas cette tape importante. Les erreurs de mesure, les mauvais calculs, la longueur excessive de cblage et les circuits non linaires manifestent lors de la transition du commutateur peuvent tous affecter la faon dont l'amortisseur va fonctionner. La figure 2B montre la rsonance sur le drain du FET avec l'amortisseur en place au primaire. Notez que la rsonance est amortie trs rapidement, rduisant fortement les IEM. Le pic de l'onde est galement sensiblement rduit. La forme d'onde amortie est montre avec une entre de 50V, alors que la forme d'onde non amortie tait 30V. Il est difficile de rduire beaucoup plus ce pic de tension en utilisant juste un simple amortisseur RC. Pour de nombreuses applications, l'amortisseur RC est la meilleure solution, mais pour certaines solutions autonomes utilisant des contrleurs de puissance intgre, il est ncessaire limiter cette tension une valeur infrieure afin dempcher la panne du FET. Cette question est aborde dans la prochaine section de cet article.

Ecrteur RCD au primaire pour convertisseur flaybackLa figure 4a montre un circuit crteur RCD, utilis pour limiter les pics de tension sur le drain du FET alors que lamortisseur RC est insuffisant pour prvenir les surtensions de commutation. Lcrteur RCD fonctionne en absorbant le courant de l'inductance de fuite aprs que la tension de drain ait atteint la tension du condensateur. L'utilisation d'un condensateur de relativement grande valeur garde la tension constante sur un cycle de commutation. La rsistance de lcrteur RCD dissipe toujours de la puissance, mme quand il n'y a pas de puissance au convertisseur principal. Mme avec une charge trs faible sur le convertisseur, le condensateur sera toujours charg jusqu' la tension rflchie par le secondaire du convertisseur, Vf. Plus la charge augmente, plus d'nergie scoulera dans le condensateur, et la tension montera, de VX, au-dessus de la tension du signal carr idal de flyback. Les tensions sont dfinies dans la figure 4a.

Figure 4a : Convertisseur flyback avec un crteur RCD au primaire

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Etape 1 de conception : Mesure de linductance de fuiteIl est essentiel de mesurer l'inductance de fuite du transformateur flyback avant de concevoir l'amortisseur. Les dtails de la procdure suivre sont indiqus plus haut dans cet article pour la conception de lamortisseur RC. Pour lcrteur RCD, nous sommes proccups par la quantit d'nergie qui est stocke dans l'inductance de fuite, plutt que de la valeur supplmentaire de la fuite, la frquence de rsonance. Pour une conception plus prudente, il est prfrable d'utiliser la valeur d'inductance de fuite mesure la frquence de commutation, plutt que la frquence de rsonance. Nous allons le rpter nouveau nestimez pas l'inductance de fuite, ou nutiliser pas la rgle des 1% de sa valeur. Mesurer la pour tre sr d'une bonne conception de lamortisseur.

Etape 2 : Dterminer la tension dcrtage picMaintenant, vous devez dcider quelle tension peut tre tolre sur le MOSFET de puissance, et calculer la quantit d'nergie qui sera dissipe dans lcrteur avec ce niveau dcrtage. L'nergie stocke dans l'inductance de fuite, L, avec un courant Ip au blocage est donne par :

Lanalyse de l'amortisseur RCD est apparue dans de nombreux articles et notes d'application. On suppose qu'il n'y a pas de capacits parasites pour charger, et que toute l'nergie de fuite est conduite dans le condensateur de lamortisseur partir de l'inductance de fuite. Le condensateur est suppos tre assez grand pour que sa valeur ne change pas de faon significative au cours d'un cycle de commutation. Avec ces hypothses, la puissance dissipe par lcrteur RCD peut tre exprime en fonction de l'nergie stocke dans l'inductance comme suit :

En d'autres termes, plus nous laissons la tension dcrtage slever sur l'interrupteur, plus grande sera la dissipation globale. Mais bien sr, il faut quilibrer cela avec la tension totale observe travers le FET de puissance, donc nous ne pouvons pas rduire arbitrairement la dissipation. Une conception typique donne le Vx de tension, gale la moiti de la tension flyback. Dans ce cas, la dissipation est gale 3 fois l'nergie stocke dans l'inductance de fuite. Il s'agit d'une estimation prudente, cependant. Elle ne tient pas compte de la dcharge de l'inducteur avec ses pertes, ni de la capacit parasite. En ralit, la conception aura moins de perte dans lcrteur que prvu en raison de ces effets. Pour les conceptions de haute tension autonome qui sont souvent contraintes d'utiliser un FET avec une tension maximale de 600 ou 650V, le Vx de tension, aura une limite stricte dfinies par la tension dentre maximale, le courant maximal, et tension de claquage du FET. Ne pas dpasser la Vds donn du FET, et tre conscients que la tension de claquage se dgrade avec la temprature. Certains concepteurs comptent sur la capacit d'avalanche du FET de leur faire rgulirement dpasser la tension de claquage. Nous ne recommandons pas cette approche pour une alimentation robuste.

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Etape 3 de conception : Slection de la rsistance de lcrteurLe condensateur de l'amortisseur doit tre suffisamment grand pour entretenir une tension constante tout en absorbant l'nergie de fuite. En dehors de cette considration, sa valeur n'est pas critique, et n'affectera pas la tension de crte si l'amortisseur fonctionne correctement. La rsistance est l'lment crucial dans la dtermination de la tension de crte Vx , et elle devrait tre choisie par :

Une plus grande valeur de la rsistance va ralentir la dcharge du condensateur, et permettre la tension de s'lever une valeur plus leve. Une valeur infrieure se traduira par une plus faible tension dcrtage, mais la dissipation augmentera. Dans la plupart des conceptions, la valeur de la rsistance dcrteur obtenus sera trs diffrente de la valeur de rsistance de l'amortisseur RC dcrit prcdemment. Ne vous attendez pas obtenir des valeurs similaires.

Etape 4 de conception : Calcul des pertes de puissanceLa conception de lamortisseur est maintenant termine, mais nous avons besoin de savoir ce que la dissipation sera pour d'autres courants que le courant maximum. Utilisez l'quation suivante pour calculer l'augmentation de tension dans un amortisseur connu pour un mme courant de crte et une mme inductance de fuite. La valeur de llvation de tension, Vx, audessus de la tension flyback est donn par :

et la dissipation de puissance est donne par :

Etape 5 de conception : Vrification exprimentaleComme pour la conception de l'amortisseur RC, la vrification exprimentale de la conception est essentielle. La figure 4b montre l'efficacit du circuit de dcrtage de la valeur crte de la tension de drain du FET.

Figure 4b : Tension du MOSFET du convertisseur flyback avec crteur RCD

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Cette figure montre galement une limitation de lcrteur RCD. Une fois la priode de dcrtage termine, le circuit recommence rsonner. Avec des composants idals, cela n'arriverait pas. Toutefois, la diode de lcrteur RCD a un temps fini de recouvrement inverse qui permet l'inductance de fuite de courant de circuler en sens inverse dans la diode, ce qui entrane une rsonance. Le type de diode choisie pour l'amortisseur RCD est crucial. Elle doit tre aussi rapide que possible avec la tension approprie. La gravit de cette rsonance dpendra de la tension inverse applique travers la diode RCD. Plus haut vous permettez la tension dcrtage de grimper, moins il y a de dissipation, mais plus la tension et le dv/dt est applique la diode. Rien quun dlai de blocage de 20ns est une partie importante de la priode de rsonance. Figure 4c montre comment cette rsonance augmente lorsque la tension dcrtage permis est leve. Alors que le FET n'est pas encore bien protge, l'amortisseur RCD dans ce cas na pas rsolu le problme des EMI de la rsonance.

Figure 4c : Tension du MOSFET du convertisseur flyback avec crteur RCD et diminution de la dissipation (par exemple en augmentant la valeur de Vx)

La rsonance peut ensuite tre nouveau amortie en rintroduisant l'amortisseur RC, conu comme dcrit ci-dessus. La figure 4d reprsente la forme d'onde avec la fois lcrteur RCD et le lamortisseur RC en place. Ceci fournit la meilleure protection pour les FET, et place au plus bas de la signature EMI, mais cela sobtient avec la plus grande dissipation de puissance.

Figure 4b : Tension du MOSFET du convertisseur flyback avec crteur RCD et amortisseur RC.

Amortisseur RC au secondaire pour convertisseur flybackDe nombreux concepteurs passent du temps concevoir efficacement leur circuit amortisseur au primaire afin de protger le commutateur principal de l'alimentation. Une fois la conception termine, les formes d'onde semblent propre ct primaire, et une autre source de bruit et de stress est souvent nglige. Si une sonde est place ct secondaire du transformateur de puissance, une autre forme de rsonance est observe du fait du blocage de la diode de puissance de sortie. La figure 5b

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montre cette forme d'onde avec deux chelles de temps diffrentes. L'excs de tension applique au redresseur de sortie est svre et est souvent encore plus destructeur que celui des formes d'onde du primaire. Les redresseurs Schottky, en particulier, sont trs sujets aux tensions excessives, et ces formes de rsonance doivent tre supprimes comme celles du primaire.

Figure 5a : Amortisseur RC ajout au secondaire du flyback

La meilleure place de l'amortisseur au secondaire est directement en parallle avec la diode. La procdure de conception pour l'amortisseur secondaire est presque identique l'amortisseur primaire. Assurez-vous que vous utilisez la bonne valeur de fuite, calcul partir de l'inductance primaire mesure divise par le rapport de tours au carr. Notez que la forme de londe est sensiblement plus asymtrique que les formes d'onde du primaire. La capacit secondaire est domine par la capacit de diode, et le transformateur ny contribue que faiblement. D'o une non-linarit de capacit de semi-conducteurs plus clairement visible.

Figure 5b : Forme donde du secondaire sans amortisseur. Frquence de rsonance = 24MHz

Figure 5c : Forme donde du secondaire avec amortisseur

Vous pouvez galement voir que la frquence de rsonance du secondaire est beaucoup plus leve que la frquence de sonnerie primaire, 24 MHz contre 12 MHz. C'est une bonne chose car elle rend la forme d'onde secondaire beaucoup plus facile amortir avec une dissipation

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minimale. Plus le rapport entre la frquence de rsonance et la frquence de commutation est leve, mieux c'est. Figure 5c montre le rsultat de l'amortisseur RC applique au secondaire. La forme d'onde est amortie de manire trs efficace avec moins de 100 mW de dissipation (pour une sortie de 24W). Noubliez pas non plus les sorties auxiliaires de votre convertisseur. Chaque diode secondaire aura besoin d'un amortisseur RC en place pour protger correctement le dispositif.Copyright 2005 Switching Power Magazine

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