Introduction
Dans cet article d'introduction, nous allons aborder le fonctionnement d'une inductance dans une alimentation à découpage. Si vous débutez en conception d'alimentation et que vous vous demandez pourquoi une diode semble polarisée en direct alors qu'elle ne devrait pas l'être, il est fort probable que cela soit dû à l'inductance. Cet article est pour vous.
Comprendre les inducteurs
Au départ, nous avons étudié les inductances à l'université, tant dans les circuits alternatifs que continus. Dans un circuit alternatif, nous appliquons à l'inductance une entrée sinusoïdale et observons les variations d'amplitude et de phase. Dans un circuit continu, nous appliquons une entrée d'un pas unitaire et étudions les variations de courant ou de tension qui en résultent aux bornes de l'inductance.
Cependant, le comportement d'un inducteur dans une alimentation à découpage diffère considérablement des circuits simples AC ou DC étudiés à l'université.
Principes de base des inducteurs
Un inducteur tente en permanence de maintenir le courant qui le traverse. Il s'oppose à toute variation de courant en créant une force contre-électromotrice (FEM). Par exemple, si un courant de 1 A traverse un inducteur et qu'une variation est tentée, l'inducteur génère une FEM pour s'y opposer. Ce principe peut être comparé à celui de pousser une voiture lourde à l'arrêt : elle résiste initialement au mouvement, puis, une fois en mouvement, elle résiste à l'arrêt.
Inducteur dans un circuit CC
Prenons un circuit CC simple avec une pile de 1 V, un interrupteur, une résistance de 1 ohm et une inductance. Initialement, aucun courant ne traverse l'inductance. Lorsque l'interrupteur est fermé, une tension de 1 V est appliquée et le courant commence à circuler. L'inductance s'oppose au passage de 0 A à 1 A en générant une force contre-électromotrice égale à la tension appliquée (1 V). Cela crée une augmentation logarithmique du courant traversant l'inductance au fil du temps.
Un inducteur dans une alimentation à découpage
Dans une alimentation électrique, la résistance est proche de zéro ohm et le courant ne suit pas la même courbe logarithmique. Il croît en ligne droite, formant une onde triangulaire. L'activation et la désactivation du courant donnent cette forme triangulaire, ce qui simplifie l'analyse à l'aide de l'équation pour une ligne droite (y = mx + c).
Exemple d'analyse de circuit
Considérons un circuit composé d'une source de 1 V, d'un interrupteur, d'une résistance de 1 ohm, d'une inductance et d'une résistance supplémentaire de 2 ohms commandée par un autre interrupteur. Lorsque l'interrupteur initial est fermé, le courant monte à 1 A. Si cet interrupteur est ouvert et que le second est fermé simultanément, l'inductance force le courant à circuler sur le nouveau chemin avec une résistance de 3 ohms, créant une force contre-électromotrice de 3 V pour maintenir le courant de 1 A.
Commutateurs mécaniques et semi-conducteurs
Les interrupteurs mécaniques peuvent s'ouvrir instantanément, créant une force contre-électromotrice élevée susceptible d'ioniser l'air et de provoquer des étincelles. C'est pourquoi la tension nominale alternative d'un interrupteur est supérieure à sa tension nominale continue. Cependant, les interrupteurs à semi-conducteurs mettent un temps limité à s'ouvrir et à se fermer, ce qui affecte le comportement de l'inducteur. L'équation standard pour la force contre-électromotrice de l'inducteur est E = -L (di/dt), dérivée des lois de Faraday et de Lenz.
Comportement des inducteurs dans les alimentations électriques pratiques
Dans les alimentations électriques pratiques, la commutation rapide des MOSFET peut générer d'importantes pointes de tension en raison de valeurs di/dt élevées. Par exemple, passer de 10 A à 0 A en 10 nanosecondes génère une force contre-électromotrice importante, se manifestant par du bruit et des pointes.
Conclusion
Dans cet article, nous avons discuté du comportement des inducteurs dans les alimentations à découpage CC-CC, de la forme triangulaire du courant, de la direction de la force contre-électromotrice et de l'impact d'un di/dt élevé sur les pics de tension.
