Article de référence | Réf : D3183 v1

Principes de régulation en boucle fermée – approche en tension - Boucle fermée, régulateur de tension

Auteur(s) : Bruno ALLARD

Date de publication : 10 sept. 2017

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RÉSUMÉ

L’échelle de tension faible permet l’utilisation de technologies intégrées de semi-conducteur d’une part et ouvre la possibilité de solutions avancées en termes de contrôle en boucle fermée. Un convertisseur statique avec l’objectif de fournir un niveau précis de tension en sortie ne se résume pas à l’étage de puissance (transistors de puissance en commutation et filtre passif de sortie et/ou d’entrée). Il est nécessaire de réguler la tension face aux perturbations induites par les variations dynamiques de la charge ou de la tension d’entrée: on parle de régulateur de tension. Il existe de nombreuses approches de contrôle en boucle fermée. L’article décrit les principes basés sur la modulation par largeur d’impulsion à fréquence fixe.

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ABSTRACT

Integrated Inductive Switch-mode Power Supply. Fundamentals Feedback Loops : Voltage and Current Mode Controllers

Large degrees of freedom are given to the core power stage of integrated converters and favor the control-loop strategy. A closed-loop control strategy is also required to provide a voltage converter, i.e. with the target of accurate output voltage despite perturbations from load or input voltage. Specifications should first lead to a choice of a core power stage and a control-loop approach. Rules, methodologies and techniques exist to help synthesize a functional solution for both. This article introduces fundamentals on control-loops based on pulse-width modulation at fixed operating frequency.

Auteur(s)

  • Bruno ALLARD : Professeur des Universités - Département de Génie Électrique à l’INSA de Lyon - Laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005, Villeurbanne, France

INTRODUCTION

Il existe de nombreuses stratégies de contrôle de l’étage de puissance d’un convertisseur statique à découpage. Nous considérons ici des alimentations à découpage, à forte intégration grâce aux technologies semi-conductrices et avec l’objectif de servir une tension d’alimentation continue, régulée, à un consommateur (une charge). La régulation de la tension de sortie nécessite de prendre une mesure d’une grandeur électrique, de la comparer à une grandeur de référence et d’utiliser l’écart pour piloter le fonctionnement de l’étage de puissance afin de corriger la tension de sortie.

L’approche la plus simple décrite ci-dessous consiste à mesurer la tension de sortie et de comparer cette mesure à une tension de référence ; souvent la tension de référence sera la valeur de la tension à obtenir en sortie ou bien une fraction fixe de celle-ci. La comparaison, si elle est linéaire (analogique), produira une tension d’écart, ou d’erreur. Cette tension d’erreur servira à piloter l’étage de puissance par une opération de modulation. On parle de contrôle en tension (voltage-mode control).

Il est possible également, par le même moyen, de réguler le courant dans la charge, si la mesure de courant produit une tension équivalente (par exemple aux bornes d’un shunt). L’approche dite de contrôle en courant (current-mode control) relève d’une autre technique. À l’intérieur de l’étage de puissance la commutation des transistors produit des impulsions de tension aux bornes d’une inductance [D3182]. Il en résulte que le courant dans l’inductance varie linéairement par segments. En régime établi, le courant dans l’inductance croît linéairement pendant une fraction du temps, puis décroît pendant une autre fraction du temps pour revenir à une même valeur initiale. La variation de courant dans l’inductance traduit l’énergie transférée à la charge. Pour une charge donnée, le courant fourni à la charge se traduit par une tension. Régulée cette tension (donc la tension de sortie du convertisseur) peut s’opérer en contrôlant le courant dans l’inductance. Si la tension en sortie baisse, il conviendra d’augmenter le courant dans l’inductance et vice-versa. Cette opération peut se faire à fréquence fixe de découpage, mais n’apporte pas d’intérêt particulier par rapport à un pilotage en tension. Il sera plus loin expliqué que le fonctionnement à fréquence variable offre un degré de liberté plus intéressant. Dans ce cas la comparaison entre l’image du courant dans l’inductance et une valeur de référence se fera de manière non linéaire. Le caractère « discret » du contrôle en courant le différentie immédiatement du contrôle en tension.

Il est possible de combiner les approches pour adjoindre des performances supplémentaires à la régulation en boucle fermée. Par exemple une première boucle fermée pourra contrôler le courant dans l’inductance (caractère discret), et une seconde boucle de pilotage en tension produira la référence de courant à la première boucle (caractère linéaire).

Quelle que soit la stratégie de contrôle en boucle fermée, il faut retenir l’impact de son choix sur les performances du convertisseur de tension. La performance dynamique de la régulation dictera ses performances au convertisseur pour corriger rapidement des perturbations dues à la variation de la charge, de la tension d’entrée ou des conditions externes (température, vieillissement, pollution électromagnétique, etc.). Les performances statiques de la boucle de régulation définiront la précision sur la tension de sortie. Celle-ci est toujours entachée d’une ondulation du fait même du caractère du découpage. L’objectif est d’obtenir une atténuation suffisante de cette ondulation de tension. Le filtrage interne à l’étage de puissance y contribue mais la boucle de régulation peut y contribuer aussi.

Enfin, la boucle de régulation consomme une certaine énergie électrique pour assurer sa fonction, puisqu’un circuit électronique se cache derrière son implémentation. Cette consommation énergétique est à peu près constante mais se distribue dans une large gamme en fonction de la stratégie choisie. Quand la puissance prélevée à la sortie du convertisseur baisse, le rendement énergétique du convertisseur baisse. Sachant que le rendement énergétique d’un régulateur linéaire ne dépasse pas 50 %, il convient que celui d’un convertisseur à découpage ne tombe pas sous cette valeur critique de 50 %. Il peut être intéressant de changer de stratégie en fonction de la puissance de sortie du convertisseur. Dans le cas du contrôle en tension, c’est la technique de modulation de la tension d’erreur pour piloter l’étage de puissance qui est adaptée. Les choix les plus courant seront rappelés.

La topologie buck ou boost sera prise comme exemple pour expliquer les concepts du contrôle en tension et du contrôle en courant.

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KEYWORDS

core power stage   |   control-loop strategy   |   voltage controller   |   pulse-width modulation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3183


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ERICKSON (R.W.), MAKSIMOVIC (D.) -   Fundamentals of Power Electronics.  -  Springer Science and Business Media (2001).

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