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Comment construire un meilleur convertisseur Buck pour les circuits de conversion de puissance



La conception de la conversion de puissance est nécessaire pour la plupart des systèmes de batterie. Mais tout ne doit pas être fait sur un banc d’essai.

Il y a une autre vie, et en tant que jeune ingénieur, j’ai dû concevoir un système de conversion de puissance. La puissance d’entrée provenait de l’énergie électrique brute d’un moteur à réaction pendant le vol. La puissance de sortie a été transmise aux systèmes électroniques et d’instrumentation sensibles de l’avion.

La première étape du processus de conversion de puissance consistait à nettoyer le courant et la tension bruts et très pointus provenant des turbines à réaction. Cela nécessitait une collection de gros condensateurs pour la tension et des inductances pour les pointes de courant.

L’étape suivante de la conversion était un peu plus sophistiquée, nécessitant toutes sortes de convertisseurs, de l’analogique au numérique (AC/DC), du numérique au numérique (DC/DC), des convertisseurs abaisseurs, des convertisseurs montant et descendant et de nombreux condensateurs de protection de mise à la terre. .

J’ai appris plus tard que le type de conversion le plus souvent utilisé est celui de DC à DC. Il existe de nombreux circuits électroniques de puissance utilisés pour convertir d’une tension continue à une autre. Le convertisseur simple « buck » (ou abaisseur) est probablement le plus largement utilisé. Un buck transforme une entrée de tension plus élevée (et de courant plus faible) en une sortie de tension plus faible (et de courant proportionnellement plus élevé).

Un convertisseur abaisseur est une classe de dispositifs d’alimentation à découpage (SMPS) qui contiennent généralement au moins deux semi-conducteurs, comme une diode et un transistor. Les convertisseurs abaisseurs modernes remplacent fréquemment la diode par un deuxième transistor utilisé pour le redressement synchrone). En outre, il existe au moins un élément de stockage d’énergie, un condensateur, une inductance ou les deux en combinaison.

Des filtres basés sur des condensateurs, parfois en combinaison avec des inductances (par exemple, des RCL), sont inclus dans les circuits de sortie (côté charge) et d’entrée (côté alimentation) du convertisseur pour réduire les ondulations de tension.

Les convertisseurs à découpage tels que les dispositifs buck offrent une efficacité énergétique bien supérieure en tant que convertisseurs CC-CC que les régulateurs linéaires, qui sont des circuits plus simples qui abaissent les tensions en dissipant la puissance sous forme de chaleur sans augmenter le courant de sortie.

Les convertisseurs Buck peuvent être très efficaces et donc très utiles pour des tâches telles que la conversion de la tension d’alimentation d’un ordinateur (souvent 12 V) en des tensions inférieures nécessaires à l’USB, à la DRAM et au processeur (5 V, 3,3 V ou 1,8 V). La vidéo Texas Instruments ci-dessous fournit un bon aperçu de la conception du convertisseur abaisseur avec des systèmes de composants.

Concevoir avec des convertisseurs Buck

La conception et la modélisation de convertisseurs abaisseurs peuvent sembler simples en théorie, mais peuvent souvent être une tâche difficile et longue.

Plutôt que de passer à un banc d’essai physique pour prototyper votre prochaine conception de convertisseur abaisseur, essayez d’utiliser un banc de travail virtuel basé sur le cloud pour modéliser le circuit. Vous serez en mesure de concevoir, de simuler, d’examiner les résultats et d’ajuster jusqu’à ce que vous soyez satisfait – et le tout simulé sur le cloud.

Voici un exemple où une simulation est utilisée pour illustrer les transitoires potentiels dans une conception de circuit abaisseur. Le circuit utilise des sélections de composants d’étage de puissance. Les résultats de la simulation – à l’aide de Mentor-Siemens SystemsVision – correspondent étroitement non seulement aux tensions et courants attendus, mais également aux niveaux de dissipation de puissance calculés des composants. L’efficacité est un indicateur de performance clé pour toute l’électronique de puissance moderne.

Cette conception comprend un contrôleur composé de blocs non physiques idéaux représentant la fonction de compensation, le générateur de modulation de largeur d’impulsion (PWM) et un pilote de porte MOSFET. Ces éléments de contrôle basés sur les mathématiques permettent aux concepteurs de vérifier les performances en boucle fermée du circuit avant de concevoir les circuits de mise en œuvre réels.

L’avantage de la conception interactive basée sur le cloud est que le concepteur peut modifier les paramètres clés et observer immédiatement les résultats. Par exemple, la valeur de résistance de charge peut être modifiée, ce qui modifie le courant de charge de sortie. Ou bien les valeurs des filtres de sortie L et C peuvent être modifiées, ainsi que leurs résistances parasites. La tension d’alimentation de la batterie, ainsi que la fréquence PWM, peuvent également être ajustées.

En modifiant ces paramètres et en exécutant de nouvelles simulations, le concepteur acquiert une meilleure compréhension de leur impact sur les performances de démarrage et le rendement en régime permanent du circuit.

SystemsVision, Mentor-SiemensBuck-converter-modeling-systemview.png

Outils de conception de circuits de simulation basés sur le cloud.

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