Convertisseur Flyback

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Un convertisseur flyback, est une alimentation à découpage avec isolation galvanique entre l'entrée et la sortie. Son schéma de base est le même que celui d'un convertisseur Buck-Boost dans lequel on aurait remplacé l'inductance par un transformateur. Grâce à son transformateur, il permet d'obtenir de grands gains de tension. Par contre, à cause de limitations intrinsèques, il est reservé aux applications de faible puissance (jusqu'a 150 W).
Convertisseur Flyback

Un convertisseur flyback, est une alimentation à découpage avec isolation galvanique entre l'entrée et la sortie. Son schéma de base est le même que celui d'un convertisseur Buck-Boost dans lequel on aurait remplacé l'inductance par un transformateur. Grâce à son transformateur, il permet d'obtenir de grands gains de tension. Par contre, à cause de limitations intrinsèques, il est reservé aux applications de faible puissance (jusqu'a 150 W).

Principe de fonctionnement

Fig. 1: Schéma de base d'un convertisseur Flyback Fig. 2: Les deux configurations d'un convertisseur Flyback suivant l'état de l'interrupteur S Le schéma de base d'un convertisseur Flyback est représenté sur la figure 1. C'est l'équivalent d'un convertisseur Buck-Boost dans lequel on aurait remplacé l'inductance par un transformateur ou plutôt deux circuits magnétiquement couplés. Par conséquent le principe de fonctionnement des deux convertisseurs est très proche. Dans les deux cas on distingue une phase de stockage d'énergie dans le circuit magnétique et une phase de restitution de cette énergie. Le dimensionnement du circuit magnétique défini la quantité d'énergie que l'on peut stocker mais aussi la rapidité avec laquelle on peut en réaliser le stockage et le destokage. C'est un paramètre important qui détermine la puissance que peut fournir l'alimentation Flyback. Le fonctionnement d'un convertisseur Flyback peut être divisé en deux étapes suivant l'état de l'interrupteur S (voir figure 2) :
- Dans l'état passant, l'interrupteur S (voir figure 1) est fermé, le primaire du transformateur est relié directement à la source de tension d'entrée. Il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur. La tension aux bornes du secondaire est négative, bloquant ainsi la diode. C'est le condensateur de sortie qui fournit l'énergie demandée par la charge.
- Dans l'état bloqué, l'interrupteur est ouvert. L'énergie stockée dans le transformateur est transférée à la charge. Dans la suite de cet article on notera:
- \mathcal \, la réluctance du circuit magnétique du transformateur,
- \varphi \, le flux dans le circuit magnétique,
- n_1 \, le nombre de spires du transformateur au primaire,
- n_2 \, le nombre de spires du transformateurs au secondaire,
- \alpha \, le rapport cyclique.

Conduction continue

Fig. 3:Formes d'ondes courant/tension dans un convertisseur Flyback Quand un convertisseur Flyback travaille en mode de conduction continue, le flux dans le transformateur ne s'annule jamais. La figure 3 montre les formes d'ondes du courant et de la tension dans un convertisseur Flyback. La tension de sortie est calculée de la façon suivante (en considérant les composants comme parfaits):

État passant

Durant l'état passant, l'interrupteur S est fermé, entraînant l'augmentation du courant suivant la relation: V_i=V_1=L_1\frac On obtient donc: I_ = I_ + \frac t À la fin de l'état bloqué, I_S a atteint sa valeur maximale I_: I_ = I_ + \fracV_i \cdot \alpha\cdot T \alpha étant le rapport cyclique. Il représente la durée de la période T pendant laquelle l'interrupteur S conduit. \alpha est compris entre 0 (S ne conduit jamais) et 1 (S conduit tout le temps). L'énergie stockée dans le transformateur est alors: W_e=\fracL_1 I_^2 A la fin de l'état passant, l'interrupteur S s'ouvre empêchant ainsi le courant I_S de continuer à circuler. La conservation de l'énergie stockée dans le transformateur provoque l'apparition d'un courant I_ dans le secondaire du transformateur, dont la valeur initiale I_ peut être calculée de la façon suivante: W_e= \fracL_1 I_^2 = \fracL_2 I_^2 En remplaçant L_1 et L_2 par leur expression en fonction de la réluctance \mathcal du circuit magnétique et du nombre de spires des enroulements du transformateurs, on obtient: W_e= \frac \frac\mathcal I_^2 = \frac \frac\mathcal I_^2 Soit: I_ = \frac I_ Le calcul de la tension V_2 peut se faire grâce aux relations flux/tension. Le sens relatif des bobinages étant inversés, on a: V_1=n_1\fracd\varphi et V_2=-n_2\fracd\varphi Soit: V_2=-\fracV_1

État bloqué

Durant l'état bloqué, l'énergie emagasinée dans le circuit magnétique durant l'état passant est transférée au condensateur. V_o=V_2=-L2\frac I_D= I_ - \frac(t-\alpha T) À la fin de l'état bloqué, I_D a atteint sa valeur minimale I_ I_ = I_ - \frac(T-\alpha T) A la fin de l'état bloqué, il y a, comme pour la fin de l'état passant, conservation de l'énergie stockée. On peut donc écrire: W_e= \frac L_1 I_^2 = \frac L_2 I_^2 En remplaçant L_1 et L_2 par leur expression en fonction de la réluctance \mathcal du circuit magnétique et du nombre de spires des enroulements du transformateurs, on obtient: W_e= \frac \frac\mathcal I_^2 = \frac \frac\mathcal I_^2 Soit: I_ = \frac I_ Le calcul de la tension V_1 peut se faire grâce aux relations flux/tension. Le sens relatif des bobinages étant inversés, on a: V_1=n_1\fracd\varphi et V_o=V_2=-n_2\fracd\varphi Soit: V_1=-\fracV_o La tension V_s aux bornes de l'interrupteur S vaut: V_s=V_i-V_1=V_i+\fracV_o

Relation entrée/sortie

Si on considère que le convertisseur a atteint son régime permanent, la tension moyenne aux bornes des enroulements du transformateur est nulle. Si on considére en particulier la tension moyenne \bar aux bornes de l'enroulement secondaire: \bar=\frac(-\fracV_i\alpha T +V_O (T-\alpha T))=0 Soit: V_O=\frac\frac\alpha1-\alphaV_i On obtient la même relation que pour le convertisseur Boost au rapport de transformation \frac prés. Cela est dû au schéma de base d'un convertisseur Flyback qui est le même que celui d'un convertisseur Boost dans lequel on aurait remplacé l'inductance par un transformateur de rapport \frac.

Conduction discontinue

Fig. 4:Formes d'ondes courant/tension dans un convertisseur Flyback en conduction discontinue Dans certains cas, la quantité d'énergie demandée par la charge est assez faible pour être transférée dans un temps plus court qu'une période de commutation. Dans ce cas, le flux circulant dans le transformateur s'annule pendant une partie de la période. La seule différence avec le principe de fonctionnement décrit précédemment, est que l'énergie stockée dans le circuit magnétique est nulle en début de cycle (voir les formes d'ondes sur la figure 4). Bien que faible, la différence entre conduction continue et discontinue a un fort impact sur la formule de la tension de sortie. La tension de sortie peut être calculée de la façon suivante :

État passant

À l'état passant, la seule différence entre conduction continue et discontinue est que le courant I_ est nul. En reprenant les équations obtenues en conduction continue et en annulant I_ on obtient donc: I_ = \frac t I_ = \fracV_i \cdot \alpha T I_ = \frac I_ = \frac \fracV_i \cdot \alpha T et enfin: V_2=-\fracV_1

État bloqué

Durant l'état bloqué, l'énergie emagasinée dans le circuit magnétique durant l'état passant est transférée au condensateur. V_O=V_2=-L2\frac I_D= I_ - \frac(t-\alpha T) Pendant l'état bloqué, ID s'annule après δ.T: I_ - \frac\delta.T=0 En remplaçant I_ par son expression, on obtient: \delta = \frac \frac \frac \alpha En remplaçant L_1 et L_2 par leur expression en fonction de la réluctance \mathcal du circuit magnétique et du nombre de spires des enroulements du transformateurs, on obtient: \delta = \frac \frac \alpha

Relation entrée/sortie

Le courant dans la charge Io est égal au courant moyen traversant la diode (ID). Comme on peut le voir sur la figure ????, le courant traversant la diode est égal à celui dans le secondaire pendant l'état bloqué. Par conséquent, le courant traversant la diode peut être écrit de la façon suivante : I_o=\bar=\fracI_\delta En remplaçant ILmax et δ par leurs expressions respectives, on obtient : I_o=\frac \fracV_i \cdot \alpha T \frac \frac \alpha=\fracV_i^2 \cdot \alpha^2 T Par conséquent, le gain de tension en sortie peut être écrit de la façon suivante : \frac= \fracV_i \cdot \alpha^2 T

Limite entre la conduction continue et discontinue

Voir aussi

-Convertisseur Boost
-Convertisseur Buck
-Convertisseur Buck-Boost
-Convertisseur Ćuk
-Convertisseur Flyback
-Convertisseur Forward
-Convertisseur SEPIC Catégorie:Électronique de puissance Catégorie:Alimentation électrique de:Sperrwandler en:Flyback converter es:Convertidor Flyback lb:Spärwandler
Sujets connexes
Alimentation à découpage   Circuits magnétiquement couplés   Convertisseur   Convertisseur Boost   Convertisseur Buck   Convertisseur Buck-Boost   Convertisseur Flyback   Convertisseur Forward   Convertisseur SEPIC   Convertisseur Ćuk   Flux du champ magnétique   Isolation galvanique   Rapport cyclique   Réluctance  
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