Alimentations à découpage : Optimisation de la consommation d’énergie dans l’électronique

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

Les convertisseurs de tension sont la colonne vertébrale de nombreux systèmes techniques. Selon l’application, l’unité d’alimentation requise est réalisée par un transformateur, un redresseur AC/DC. Avant l’avènement des alimentations à découpage haute performance, les solutions à transformateur 50 Hz étaient presque exclusivement utilisées.

Considérations sur l’Alimentation Électrique

L’énergie électrique est fournie presque exclusivement sous forme de courant triphasé avec une tension de système de 10 à 30 kV~ dans les centrales électriques et transportée sur de longues distances à des tensions de 38 kV~. Les tensions continues électroniques comme 5 V, 12 V et 24 V étaient transformées de la haute tension de transmission via des transformateurs à une tension de 220 V~/230 V~, redressées, lissées et stabilisées. Les caractéristiques pour choisir une alimentation électrique sont le prix, la fiabilité, la disponibilité, l’utilisation de composants standards ou de solutions spéciales, la puissance requise, la nécessité d’une entrée à plage étendue oui/non 110 V~ … 230 V~ avec/sans facteur de puissance, la température de fonctionnement, la CEM, l’efficacité, le MTBF, les facteurs de forme tels que la taille, le poids, la prise et le type d’installation.

Dans les années 1970, les solutions consistaient souvent en des composants tels que le transformateur 50 Hz, le pont redresseur et le lissage, éventuellement avec une stabilisation U en aval. La question est de savoir dans quelle mesure les coûts d’acquisition doivent être l’unique facteur décisif dans la décision d’achat. Les coûts d’exploitation, de maintenance et de remplacement peuvent être un facteur à ne pas négliger. Il est rentable d’utiliser une solution plus économe en énergie après seulement 24 à 36 mois de temps d’exploitation. Pour les biens industriels, des périodes d’amortissement de dix ans sont souvent appliquées. Cependant, les machines fonctionnent souvent deux fois plus longtemps. Il est maintenant nécessaire de se demander si et dans quelle mesure l’utilisation d’une solution économe en énergie peut réduire les coûts d’exploitation des entreprises de fourniture d’énergie.

Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

De nombreux appareils électroniques nécessitent une tension continue stable. L’énergie est transmise par les centrales et réseaux de tension alternative. Cela signifie qu’une tension continue doit d’abord être générée à partir d’une tension alternative au point d’utilisation. La méthode de génération de tension affecte à la fois la sécurité opérationnelle et les coûts d’exploitation.

Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock

Avant l’introduction des solutions d’alimentation électrique à haute fréquence, qui ont désormais pris une position dominante avec l’avènement des semi-conducteurs à commutation rapide et à faible impédance, les solutions avec transformateurs 50 Hz, ponts redresseurs et condensateurs de lissage étaient principalement utilisées pour convertir la tension du réseau 220 V~/230 V~ en 24 V et autres tensions continues fréquemment requises. Les solutions à transformateur permettent une isolation galvanique entre les circuits primaires (230 V~) et secondaires (par exemple, 12 V, 24 V).

Figure 1. Solution classique avec transformateur 50 Hz et redresseur entraînant des coûts énergétiques élevés. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

En raison de la charge spéciale du transformateur avec le pont redresseur et le condensateur de lissage électrolytique, un courant pulsé résulte dans le circuit primaire 230V~.

Le compteur électrique est calibré en valeurs efficaces. Le flux de courant pulsé entraîne une valeur RMS différente pour le courant, qui est calculée malgré le même flux de porteurs de charge.

i = C * dU / dt          (1)

i = dq / dt                (2)

D’après l’équation (1), par conversion :

i * dt = C * dU        (1a)

Du côté DC, une certaine puissance ou énergie est nécessaire pour effectuer le travail.

dW = u * i * dt        (3)

Substituer le terme de l’équation (1a) dans l’équation (3) donne

dW = u * C * dU    (3a)

Si les deux côtés sont intégrés, le résultat est

W (travail, énergie) = ∫dw = C * ∫U*dU = ½ * C*U² W = ½ * C*U²     (4)

À partir du carré de la tension dans la formule, on peut voir directement que l’énergie ou le travail ne change pas linéairement avec la tension. Plus le facteur de crête ξr = î / Ieff est élevé, plus les coûts d’électricité sont élevés.

Énergie, Travail

W = P * t     (5)

Un condensateur, un accumulateur peut maintenant être rempli de diverses manières, c’est-à-dire « rempli » de porteurs de charge électrique (q). Dans ce contexte, l’énergie requise pour cela du côté AC est d’un intérêt particulier.

Exemple : Du côté DC, une puissance électrique de P = 50W avec une tension U = 24V est requise. L’énergie dans l’unité de stockage (batterie) doit être suffisante pour une durée de fonctionnement de t = 24h.

E = 50W * 24h = 1,200Wh          (6)

Le courant I est calculé comme suit :

I = P/U = 50VA / 24V = 2.08A     (7)

La batterie a une capacité de stockage de C = 2.1A * 24h / 24V   (8)

La charge dans la batterie : Q = I * t = 2.08A * 24h = 50 Ah      (9)

Cette charge doit être fournie par la source de tension alternative. En outre, la source de tension alternative doit fournir les pertes dans les composants de circuit impliqués. Ces pertes seront négligées pour des raisons de clarté.

Figure 2. La ligne rouge montre la tension d’entrée du redresseur, la ligne verte le courant impulsionnel avec des harmoniques élevées et un facteur de puissance médiocre. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

La quantité de charge fournie doit être la même lors de la charge avec un courant continu ou un courant sinusoïdal alternatif (valeur redressée) et avec un courant pulsé (rouge), sinon la batterie, l’accumulateur et le condensateur seraient chargés à des taux différents. Les surfaces pour la charge doivent être de même taille.

Q = I * t courant continu

Q = 2 * î / π Sinus après pont redresseur

Q = iRE * tp tp = T/12 avec un angle de flux de courant typique Φ = 30° pour les redresseurs en pont avec condensateur de lissage électrolytique. 

Toutefois, pour transférer la même quantité de charge du côté de la tension continue 24 V, une quantité différente de travail (énergie) doit être appliquée du côté de la tension alternative.

Pour comparer uniquement l’influence des formes d’onde, le temps (t) de charge doit être fixé à la même valeur.

Énergie pour une charge complète

a) Courant continu E = 24 V * 2.08 A * 24 h = 1,200 Wh

b) Forme d’onde sinusoïdale de courant alternatif

P = U_Eeff * I_Eeff = 50 W (sans pertes dans le transformateur, le redresseur)

Il s’applique au côté secondaire:

Q = 50 Wh ➔ î = 50 Ah/24h = 2,083 A * π / 2 = 3.25 A

Cela donne I_Aeff = î / √2 = 2.31 A

U_E,eff = 230 V~ ➔ I_Eeff = 50 VA/230 V_eff = 0.217 A

c) Si l’énergie est transférée en impulsions du côté de la tension continue secondaire, les proportions suivantes résultent:

charge électrique requise Q = 50 Ah

i_RE,puls = ? ➔ I = 1/T ∫ i_RE,puls * dt

i_RE,puls = 6 * I car le transport de porteurs de charge se fait par demi-onde sinus dans T/12, c’est-à-dire 2 fois par oscillation sinus complète d’entrée. Par conséquent, le courant doit être supérieur par un facteur de 6 afin que la même quantité de charge soit transférée du côté secondaire en T/6 de la durée de la période T.

La valeur efficace du courant d’entrée, qui est également facturée, est calculée comme suit:

T_Eeff² = 1/T ∫(6*I)²dt = 1/T * 36 * T/6

Cela donne I_eff,puls = √6 = 2,45 fois plus grande.

Le facteur de crête est donc: ξ_r = î / I_eff = 6 * I / √& I = √6 = 2,45

Dans de nombreuses applications de réseau dans la plage de puissance de 10 W à 75 W, des coûts énergétiques élevés surviennent souvent à l’insu lorsque des appareils consommateurs qui utilisent des composants non linéaires dans leurs entrées, tels que les circuits à pont redresseur, sont connectés au réseau 230 V~. Le soi-disant facteur de puissance λ pour de tels appareils est souvent compris entre 0,3 et 0,6. Comme les compteurs d’énergie des entreprises de fourniture d’énergie sont calibrés en valeurs efficaces, il est important d’assurer une consommation d’énergie efficace des appareils consommateurs. Sinon, cela deviendra coûteux. Tant que l’énergie électrique coûtait 5 – 6 centimes, cette considération ne jouait pas un rôle aussi important. Mais avec des coûts actuels de 20 centimes/kWh et plus, c’est de l’argent gaspillé.

Comme l’intégration se fait à l’intérieur des limites inférieures et supérieures (le flux de courant dans l’exemple a lieu entre 60° et 90° correspondant à T/12 par rapport aux 2 demi-ondes sinusoïdales), cela signifie deux fois dans un cycle complet T.

Par conséquent, i_RE,puls sera 6 fois plus élevé que I pour le
même transfert de charge vers le chemin secondaire.

Hypothèse des coûts énergétiques: 20 centimes/kWh

Calculé sous les hypothèses suivantes:

ξr = 2.22 ou Facteur de Puissance PF = 0.45 et 365 * 24h temps de fonctionnement

η = 0,92

ξr ou PF = Facteur de Puissance; λ = puissance réelle/puissance apparente

η = efficacité

Différences dans les Alimentations à Découpage

Les alimentations à découpage avec une consommation de courant sinusoïdal peuvent aider ici. Cependant, il existe des différences dans leur fonctionnement. Les solutions classiques sont un convertisseur élévateur constitué d’une inductance de stockage, MOSFET trs. diode redresseuse, condensateur de lissage, et circuit IC avec divers composants supplémentaires, qui génère initialement une tension intermédiaire d’environ 380 V … 400 V DC à partir de la tension du réseau redressée. Un convertisseur DC/DC en aval, également en fonctionnement haute fréquence f ≥ 50 kHz, génère alors la tension secondaire requise de 5 V, 12 V 24 V, isolée galvaniquement du côté du réseau, à l’épreuve des courts-circuits et des circuits ouverts.

Cependant, les alimentations de Grau Elektronik utilisent une solution de transformateur PFC qui suit une courbe de courant d’entrée sinusoïdale et, par conséquent, a un faible facteur de crête et un facteur de puissance λ élevé avec une réduction maximale des composants de circuit. En utilisant des composants résistants aux transitoires, un transitoire réseau de 1,6 … 2,3 * U_E,nenn pour t <= 0.1ms peut également être traité.

Cet