Les systèmes de distribution modernes nécessitent généralement des combinaisons complexes de convertisseurs de puissance AC/DC et DC/DC isolés et non isolés. Les convertisseurs d'isolement sont principalement utilisés pour protéger les systèmes et les utilisateurs en cas de défaut unique ou multiple ; Il est également nécessaire d'alimenter les sous-fonctions isolées pour maintenir l'intégrité du signal.
En principe, l'utilisation de circuits intégrés avancés permet de concevoir facilement des convertisseurs de faible à moyenne puissance d'une puissance d'environ 1 000 watts, et différents compromis en termes de performances peuvent être obtenus grâce à différentes architectures. Cependant, en réalité, le développement et la validation des convertisseurs sont loin d’être simples. Vous devez répondre à au moins un ensemble d'exigences de base en matière de performances fonctionnelles, notamment la tension et le courant de sortie nominaux, l'efficacité, la réponse transitoire, les dimensions physiques et la protection contre les défauts des circuits, des charges et des alimentations.
Les défis de conception ne se limitent pas aux connaissances de base. À l'heure actuelle, il est nécessaire de se conformer à une série d'exigences réglementaires obligatoires, couvrant les performances de sécurité, l'efficacité à différents niveaux de charge, les performances d'arrêt, les performances thermiques, les émissions d'interférences électromagnétiques (EMI) et l'immunité. Ces attributs doivent être validés par un laboratoire d'essais certifié, ce qui augmentera considérablement le temps de conception. Un simple plan de recherche et développement indépendant peut rapidement conduire à des risques extrêmement élevés, et vous constaterez bientôt que lorsqu'il s'agit de choisir entre la recherche et développement indépendante ou l'externalisation, vous pencherez rapidement pour cette dernière.
Si vous avez encore des doutes, vous pouvez considérer que le convertisseur doit également avoir une fonction d'isolation électrique. Bien qu'il s'agisse d'une exigence courante pour presque tous les convertisseurs AC/DC, certains convertisseurs DC/DC nécessitent également une isolation électrique. Cette exigence introduit de nouvelles réglementations, des normes de sécurité et de certification obligatoires, rendant les décisions des entreprises auto-développées et externalisées davantage orientées vers l'achat, quelles que soient les spécifications de l'alimentation électrique.
La bonne nouvelle est que les convertisseurs de puissance isolés et non isolés montés sur circuit imprimé proposent plusieurs tensions et courants nominaux. Ces produits simplifient considérablement la conception et le déploiement de produits dans des domaines d'application tels que la défense, la communication, les tests et mesures (isolés) et les robots mobiles (non isolés), et peuvent être combinés pour réaliser des fonctions de distribution d'énergie.
Ce type de convertisseur réalise le plug and play, peut être branché sur la carte de circuit imprimé principale (carte PC) et l'emplacement spécifique est optimisé pour le rail de distribution. De plus, ce type de convertisseur ne nécessite pas de support ou d'équerre indépendant. En termes simples, ce type de produit peut servir de solution plug and play fermée et complète qui réalise directement la fonctionnalité d'alimentation.
Connaissance de base en isolation électrique
L'isolation électrique est une barrière électrique utilisée pour empêcher la formation d'un chemin conducteur (« ohmique ») entre les deux extrémités d'un chemin de signal ou d'alimentation. Cependant, cette barrière doit encore permettre le transport de l’énergie et de l’électricité par d’autres moyens de transport. Le signal, l'alimentation ou les deux doivent être isolés, mais cela dépend de la conception. La technologie d'isolation utilisée dépend des spécifications spécifiques du courant isolé.
Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles une isolation électrique est nécessaire. Pour les signaux, l'isolation électrique peut améliorer l'intégrité des capteurs, éliminer les boucles de mise à la terre ou protéger les utilisateurs et les circuits en cas de défaut, empêchant ainsi le courant de circuler dans le chemin du signal.
En termes d'alimentation électrique, l'objectif principal est d'assurer la sécurité des utilisateurs et d'éviter les chocs électriques causés par un contact accidentel avec des fils CA ou des sources d'alimentation CC haute tension. L'isolation électrique répond également aux exigences des circuits « flottants » utilisés pour les signaux non électriques, c'est-à-dire non connectés à la terre du circuit.
D'une manière générale, l'isolation électrique est une méthode permettant de déterminer la direction du flux de courant basée sur la loi du courant de Kirchhoff (KCL). Tout flux de courant doit avoir un chemin de retour vers la source, et la fonction de l'isolation électrique est de couper ce chemin. En cas de choc électrique éventuel, le transformateur d'isolement de l'alimentation électrique (Figure 1, à droite) coupera complètement le chemin du courant de défaut traversant l'utilisateur et reviendra à la terre (Figure 1, à gauche).
Figure 1 : Pour éviter les chocs électriques, le transformateur d'isolement (à droite) de l'alimentation électrique coupe le chemin du courant de défaut qui traverse l'utilisateur et retourne à la terre (à gauche). (Source de l'image : Lumen Learning)
Dans un scénario courant de choc électrique, lorsque la couche d'isolation s'use, le cordon d'alimentation sous tension/chauffé entrera directement en contact avec le boîtier métallique de l'équipement. Même si l'appareil peut toujours fonctionner normalement, si la connexion de terre/terre est déconnectée (ce qui est une situation courante), le courant de défaut circulera à travers l'utilisateur jusqu'à la terre au lieu de passer en toute sécurité à travers le fil de terre, et l'utilisateur peut subir un choc électrique à ce moment-là.
Pour contrôler ce risque, la fonction d'isolation de l'alimentation coupera le chemin du courant entre la source de tension d'origine et l'équipement. De cette façon, il peut empêcher la formation d’un circuit entre eux et même en cas de défaut de ligne, il peut éliminer le risque de choc électrique.
Veuillez noter que la tension à risque inclut la tension de ligne alternative et la tension continue équivalente, telle que la tension d'une batterie multicœur. La plupart des normes réglementaires définissent une tension dangereuse comme une tension supérieure à 60 volts, en fonction de la situation réelle et du type de tension.
L'isolation de puissance est presque toujours obtenue grâce au couplage magnétique des transformateurs. Le couplage magnétique présente une excellente efficacité électrique, une grande praticité technique, une application flexible, une fiabilité élevée, une personnalisation facile et peut simultanément répondre aux exigences réglementaires et aux exigences des circuits.
Raisons de choisir de nombreuses solutions de haute qualité
En raison de l’utilisation de plusieurs rails d’alimentation dans les systèmes modernes, il existe de nombreux choix architecturaux en matière de planification de distribution. Cependant, lorsque certaines parties du circuit doivent être isolées alors que d’autres ne nécessitent pas ou n’interdisent pas l’isolation, le choix du convertisseur de puissance approprié devient extrêmement difficile.
Dans certains cas, les rails d'alimentation haute tension AC/DC ou DC/DC ne nécessitent pas d'isolation, mais l'isolation doit être réalisée plus en aval dans la liaison de distribution. Les décisions que les concepteurs doivent prendre incluent : s'il faut utiliser une seule alimentation isolée de grande capacité ou plusieurs alimentations isolées de petite capacité ; Et s'il faut utiliser uniquement des sources d'alimentation isolées aux emplacements requis et des sources d'alimentation non isolées aux autres emplacements (Figure 2).
Figure 2 : Une architecture de distribution complète au niveau du système nécessite généralement une combinaison de convertisseurs de puissance CA/CC et CC/CC isolés et non isolés. (Source de l'image : TDK Lambda)
Pour répondre à ces besoins, TDK Lambda propose une variété de convertisseurs de puissance CA/CC et CC/CC isolés et non isolés abaisseurs/boost (buck/boost), offrant plusieurs options de tension nominale d'entrée/sortie et de courant nominal. Concrètement, il comprend :
Le convertisseur AC/DC isolé : PFE500F-28/T est un convertisseur à sortie unique de 28 volts/18 ampères (A) utilisé pour une entrée de courant alternatif (VAC) de 85 à 265 volts. Ce convertisseur adopte un module en brique entièrement fermé de 122 × 70 × 12,7 mm avec une capacité d'isolation d'entrée et de sortie de 3 000 V CA, adapté aux environnements où la convection ou le refroidissement par air forcé n'est pas possible.
Le module fermé AC/DC non isolé : PF1500B-360 est également de la taille d'une brique complète et peut convertir l'entrée AC en sortie régulée de 360 VDC. Il convient aux systèmes d'alimentation distribués équipés de convertisseurs DC/DC haute tension isolés ou de charges nécessitant une alimentation haute tension. À une tension d'entrée de 170 à 265 VAC, sa puissance nominale est de 1 512 watts ; À une tension d'entrée de 85 à 265 VAC, la puissance nominale est de 1 008 watts. Le facteur de puissance de ce module est de 0,98, avec un rendement allant jusqu'à 96,5 %.
CC/CC isolé : le convertisseur CC/CC isolé GQA2W024A050V-007-R est de taille compacte, emballé dans un quart de brique et offre d'excellentes performances. Il peut produire 120 watts de puissance et possède une tension d'isolation d'entrée et de sortie allant jusqu'à 3 000 V CC. La plage de tension d'entrée de fonctionnement de ce convertisseur est de 9 V à 36 V, et il peut produire un courant de 5 V à 24 A. Son emballage mécanique offre diverses configurations structurelles telles qu'une plaque inférieure, scellée et encapsulée (voir Figure 3), qui peut être refroidie par convection et conduction via des plaques froides externes ou des dissipateurs thermiques.
Figure 3 : Le convertisseur GQA2W024A050V-007-R offre plusieurs options de configuration de boîtier, offrant aux concepteurs une grande flexibilité dans la conception globale du boîtier et le refroidissement du convertisseur. (Source de l'image : TDK Lambda)
CC/CC non isolé : Le convertisseur CC/CC au point de charge (PoL) non isolé I6A24014A033V-003-R est idéal pour créer des rails de tension de sortie à courant élevé à partir de sources d'alimentation de 12 V CC ou 24 V CC. La plage de tension d'entrée de ce convertisseur est de 9 V à 40 V, avec un courant de sortie allant jusqu'à 14 A et une plage de régulation de sortie de 3,3 V à 24 V. Il est présenté dans une conception compacte de brique 1/16.