Utilisation de convertisseurs CC/CC pour l'automatisation industrielle

L'électronique de puissance est un domaine du génie électrique qui traite des circuits électroniques pour convertir et contrôler l'énergie électrique. C'est un domaine extrêmement important avec des applications de grande envergure puisque pratiquement tous les appareils modernes sont équipés d'une certaine forme de circuit électronique de puissance. Certains des composants électroniques les plus couramment utilisés pour la conversion de puissance sont les diodes, les redresseurs, les transistors, les thyristors, les SCR (redresseurs contrôlés au silicium) et les MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde).

Figure 1 . L'électronique de puissance est un élément crucial présent dans presque tous les équipements électriques modernes. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Skyfi Labs

Les convertisseurs d'énergie électrique sont conçus pour modifier les principales caractéristiques de l'énergie électrique, telles que le courant, la fréquence et la tension. Naturellement, la forme de base, qu'il s'agisse de courant alternatif (AC) ou de courant continu (DC), est un autre paramètre clé, qui peut également être modifié de l'entrée à la sortie.

Ces capacités permettent aux systèmes électroniques de puissance de réguler une large gamme de variables non électriques, telles que la température, la vitesse du moteur et les fréquences radio. Cet article se concentre sur les convertisseurs DC/DC, qui possèdent toutes les caractéristiques décrites précédemment, la principale différence étant que la forme d'alimentation électrique est toujours DC.

Qu'est-ce qu'un convertisseur DC/DC ?

Un convertisseur DC/DC prend de l'énergie sous forme DC et délivre un niveau de tension modifié tout en restant sous forme DC. La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à l'entrée. Ils sont aussi communément appelés régulateurs de tension. Ces appareils régulent la sortie d'une source d'alimentation qui peut ne pas être stable ou constante, comme celles que l'on trouve dans les systèmes fonctionnant sur batterie.

Les convertisseurs DC/DC sont normalement évalués en fonction de la tension et du courant d'entrée et de sortie. Bien que de nombreux convertisseurs aient une puissance nominale de sortie fixe, certains permettent un réglage de la sortie dans une plage. La plupart des convertisseurs comptent avec une seule sortie, mais il existe également des options avec des sorties doubles et multiples. Sur la base de la fonction principale, ils peuvent être constitués d'inducteurs, de diodes, de redresseurs et de filtres.

Figure 2. Les convertisseurs DC/DC haute puissance sont largement utilisés dans les systèmes de transport en commun. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Absopulse

Pour un processus efficace, les circuits régulateurs de tension utilisent une électronique de puissance pour réduire le bruit et maintenir une sortie constante. Les régulateurs bien conçus ont un taux d'efficacité de 90 % ou plus, ce qui est une considération importante pour réduire les pertes de puissance et la dissipation de chaleur.

Topologies de convertisseur DC/DC

Les convertisseurs DC/DC peuvent être classés en deux groupes principaux :linéaires et à découpage.

Les dispositifs de régulation linéaire fonctionnent de la même manière qu'un diviseur de tension, maintenant une tension constante modifiée à la sortie. Un inconvénient majeur de ces régulateurs est leur inefficacité, car presque toute la différence entre l'entrée et la sortie régulée est perdue sous forme de chaleur perdue. D'autre part, les régulateurs à découpage fonctionnent plus efficacement en activant et désactivant la sortie selon les besoins au lieu d'activer la sortie en permanence.

Il existe deux principaux types de convertisseurs à découpage DC/DC :isolés et non isolés.

Ces derniers sont principalement utilisés lorsque la variation de tension entre l'entrée et la sortie est relativement faible. L'entrée et la sortie ne sont pas isolées l'une de l'autre car elles partagent une masse commune. À l'inverse, les convertisseurs isolés sont conçus pour séparer physiquement l'entrée de la sortie, offrant une meilleure protection contre les interférences et une sortie plus fiable. Vous trouverez ci-dessous certains des types de convertisseurs les plus courants dans chaque catégorie.

Non isolé

• Convertisseur élévateur :Également connu sous le nom de convertisseur élévateur, la tension de sortie de cet appareil est égale ou supérieure à l'entrée tout en gardant la même polarité. Cet appareil fonctionne en stockant de l'énergie dans une inductance (L), qui est autorisée à s'écouler vers la sortie en fonction de la polarisation d'une diode (D) contrôlée par un interrupteur (S).

Figure 3. Une animation de convertisseur boost. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• Convertisseur abaisseur : Également appelé convertisseur abaisseur, la tension de sortie est égale ou inférieure à l'entrée. La principale différence entre cela et le convertisseur élévateur est le placement de la diode et de l'inducteur. Dans ce cas, lorsque l'interrupteur (S) est éteint, le circuit équivalent formé par la diode (D) et l'inductance (L) permet à l'énergie stockée de s'écouler vers la sortie.
• Convertisseur Buck-Boost :Ces appareils génèrent une tension de sortie qui peut être inférieure, égale ou supérieure à la tension d'entrée. Ils offrent la possibilité d'inverser les polarités, une application courante. Le circuit est une combinaison des convertisseurs buck et boost.

Figure 4. Comparaison des convertisseurs buck, boost et buck-boost. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Cyril Buttay

Isolé

• Convertisseur Flyback :Fonctionne de la même manière qu'un convertisseur buck-boost, mais un transformateur stocke l'énergie à la place. Le transformateur assure l'isolation entre l'entrée et la sortie.
• Convertisseur avant :Similaire au convertisseur flyback, mais l'étape de transformation est placée en premier, suivie d'une conversion buck-boost traditionnelle.

Applications d'automatisation industrielle

Comme mentionné, les convertisseurs DC/DC ont une large gamme d'applications, y compris l'automatisation industrielle. Un grand nombre d'appareils de terrain nécessitent une alimentation 24 V. Par exemple, les panneaux électriques sont équipés de convertisseurs abaisseurs DC/DC qui abaissent la tension de l'alimentation principale. Certains appareils de terrain nécessitent non seulement ce niveau de tension, mais sont également suffisamment sensibles pour nécessiter une alimentation en énergie propre et stable, ce qui est une autre raison d'intégrer un convertisseur.

Figure 5. Un convertisseur DC/DC isolé de Phoenix Contact. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Contact Phoenix

Il existe de nombreuses applications d'automatisation alimentées par batterie où il est crucial d'intégrer des convertisseurs DC/DC pour maintenir une alimentation constante des petits appareils. Au fur et à mesure qu'une batterie se décharge, les niveaux de tension chutent progressivement. La tension de la batterie est également sujette à des chutes soudaines dues à des demandes d'énergie étonnamment élevées pour l'équipement contrôlé. Les machines automatisées mobiles, telles que les robots mobiles autonomes (AMR) et les véhicules à guidage laser (LGV), sont des exemples de robots alimentés par batterie qui ont besoin de convertisseurs DC/DC pour garantir une alimentation électrique stable au contrôleur logique programmable (PLC) et à d'autres appareils de contrôle.