Booster l'efficacité de l'automatisation industrielle avec les convertisseurs DC/DC

L'électronique de puissance est un domaine du génie électrique traitant circuits électroniques pour convertir et contrôler la puissance électrique. Domaine extrêmement important aux applications vastes puisquevirtuellement tout appareil moderne embarque un circuit électronique de puissance. Composants courants pour conversion : diodes, redresseurs, transistors, thyristors, SCR (redresseurs commandés au silicium), MOSFET (transistors à effet de champ métal-oxyde).

Figure 1. L'électronique de puissance : éléments cruciaux dans presque tout équipement électrique moderne. Image utilisée avec l'autorisation de Skyfi Labs.

Les convertisseurs de puissance électrique sont conçus pour modifier les caractéristiques principales de la puissance : courant, fréquence, tension. Naturellement, la forme de base (courant alternatif CA ou courant continu CC) est un autre paramètre clé, modifiable de l'entrée à la sortie.

Ces capacités permettent aux systèmes électroniques de puissance de réguler une large gamme de variables non-électriques : température, vitesse moteur, fréquences radio. Cet article se concentre sur les convertisseurs DC/DC, possédant toutes ces caractéristiques, la différence principale étant que la forme de puissance reste toujours CC.

Qu'est-ce qu'un convertisseur DC/DC ?

Un convertisseur DC/DC prend de la puissance en forme CC et délivre un niveau de tension modifié tout en restant en CC. Tension sortie peut être supérieure ou inférieure à l'entrée. Aussi appelés régulateurs de tension. Ces dispositifs régulent la sortie d'une source d'alimentation qui peut ne pas être stable ou constante, comme dans systèmes alimentés par batterie.

Convertisseurs DC/DC normalement caractérisés par tension/courant entrée et sortie. Bien que beaucoup aient sortie fixe, certains permettent réglage sortie dans une plage. La plupart ont sortie unique, mais options double/multiples sorties existent. Selon fonction principale, ils comprennent inductances, diodes, redresseurs, filtres.

Figure 2. Convertisseurs DC/DC haute puissance largement utilisés en transport en commun. Image utilisée avec l'autorisation d'Absopulse.

Pour processus efficace, circuits régulateurs tension emploient électronique de puissance pour réduire bruit et maintenir sortie constante. Régulateurs bien conçus ont rendement ≥ 90 %, important pour réduire pertes puissance et dissipation chaleur.

Topologies convertisseurs DC/DC

Classifiables en deux grands groupes : linéaires et à commutation (switching).

Régulateurs linéaires fonctionnent comme diviseur de tension, maintenant tension modifiée constante à la sortie. Inconvénient majeur : inefficacité, quasi toute différence entrée/sortie perdue en chaleur. Régulateurs à commutation : plus efficaces en commutant sortie on/off selon besoin au lieu de sortie permanente on.

Deux principaux types convertisseurs DC/DC à commutation : isolés et non isolés.

Non-isolés : utilisés quand variation tension entrée/sortie relativement faible. Entrée/sortie non isolées car partagent masse commune. Inversement, isolés : séparent physiquement entrée/sortie, protection supérieure contre interférences, sortie plus fiable. Voici les plus courants par catégorie.

Non isolés

• Convertisseur élévateur (Step-up / Boost converter) : tension sortie ≥ entrée, même polarité. Fonctionne en stockant énergie dans inductance (L), autorisée à fluir vers sortie selon polarisation diode (D) commandée par interrupteur (S).

Figure 3. Animation convertisseur élévateur (boost). Image utilisée avec l'autorisation de Marino108LFS [CC BY-SA].

• Convertisseur abaisseur (Step-down / Buck converter) : tension sortie ≤ entrée. Différence principale avec boost : placement diode et inductance. Ici, quand interrupteur (S) ouvert, circuit équivalent diode (D) + inductance (L) permet à énergie stockée de fluir vers sortie.
• Convertisseur abaisseur-élévateur (Buck-boost converter) : tension sortie peut être inférieure, égale, ou supérieure à entrée. Permet inversion polarité, application courante. Circuit = combinaison buck + boost.

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

Isolés

• Convertisseur Flyback : similaire buck-boost, mais transformateur stocke énergie au lieu d'inductance. Transformateur assure isolation entrée/sortie.
• Convertisseur Forward : similaire flyback, mais étape transformation placée en premier, suivie conversion buck-boost traditionnelle.

Applications automatisation industrielle

Comme mentionné, convertisseurs DC/DC ont large gamme d'applications, dont automatisation industrielle. Nombreux dispositifs terrain requièrent alimentation 24V. Ex : armoires électriques équipées convertisseurs DC/DC abaisseurs qui baissent tension depuis alimentation principale. Certains dispositifs terrain non seulement requièrent ce niveau tension mais sont assez sensibles pour nécessiter alimentation propre et stable — autre raison d'intégrer convertisseur.

Figure 5. Convertisseur DC/DC isolé Phoenix Contact. Image utilisée avec l'autorisation de Phoenix Contact.

Nombreuses applications automatisation alimentées par batterie où intégration convertisseurs DC/DC cruciale pour maintenir alimentation constante petits dispositifs. En décharge, tension batterie chute graduellement. Tension aussi sujette chutes brusques suite demandes énergie inattendues équipement contrôlé. Robots mobiles automatisés (AMR) et véhicules guidés laser (LGV) : exemples robots alimentés batterie nécessitant convertisseurs DC/DC pour garantir alimentation stable à l'automate programmable (PLC) et autres dispositifs contrôle.

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