Pourquoi utiliser les coupleurs magnétiques et quels gains espérer?

Lorsque le courant d’un convertisseur dépasse les capacités unitaire d’un composant actif, il est courant d’utiliser plusieurs composants en parallèle, afin de répartir ce courant. C’est notamment le cas dans les régulateurs de tension pour les microprocesseurs, qui, pour améliorer leurs performances, ont vu leurs tensions d’alimentation baisser (moins de 1 V actuellement), tout en multipliant le nombre de cellules actives par composant. La puissance consommée augmente, la tension baisse, et donc le courant augmente fortement. D’autre part, ces composants sont très sensibles à la tension, qu’il faut donc contrôler très précisément, ce qui amène à réduire l’énergie stockée dans les composants passifs. Ces contraintes ont amené les concepteurs a développer les techniques d’entrelacement qui consistent à mettre en parallèle des cellules de commutation (composants actifs et inductances) et à les commander judicieusement. Ces architectures furent fécondes et on les regroupera sous le nom de convertisseurs multicellulaires parallèles.

Convertisseur mono-cellule

Fig.1 : Convertisseur mono-cellule

Convertisseur à 4 cellules parallèles

Fig.2 : Convertisseur à 4 cellules parallèles

Si les commandes des cellules forment un système polyphasé équilibré, c’est-à-dire exactement comme sur le réseau triphasé (n système de tension de même fréquence, de même amplitude et dont les phases sont régulièrement réparties sur la période) on observe alors un effet de moyennage, et on ne retrouve en sortie qu’un signal de fréquence multiple du nombre de cellules, et d’amplitude divisée par ce même nombre. Dans l’exemple précédent, un courant total de fréquence 4 fois supérieure à la fréquence de chaque cellule et une amplitude divisée par 4. Pour une même ondulation de tension résiduelle en sortie, on peut alors réduire la valeur d’inductance et de capacité par 4. Pour une même fréquence apparente sur le filtre, on peut aussi diviser la fréquence de chaque cellule par 4. La figure 3 illustre les formes d’onde d’un onduleur mono-cellule.

Formes d’ondes d’un convertisseur 2 niveaux

Fig. 3 : Formes d’ondes d’un convertisseur mono-cellule

Sur la figure 4, on observe les courants de chaque cellule, dont la somme présente une fréquence apparente 4 fois supérieure. Par contre, on voit le dilemme de cette architecture, puisque le courant moyen (basse fréquence) est réparti entre chaque cellule, tandis que l’ondulation ne dépend que de la tension commutée et de la fréquence de découpage des cellules. Ainsi l’augmentation du nombre de cellule est vite stoppée par des performances moins bonnes, soit que l’on conserve l’ondulation de sortie : on a alors une ondulation relative très importante, donc des courants efficaces et des pertes en commutation qui ne diminuent plus et donc plus de pertes ; soit que l’on conserve l’ondulation par cellule : on a alors une ondulation en sortie plus faible que nécessaire et donc un volume de filtrage supérieur.

Formes d’ondes (4 cellules parallèles)

Fig. 4 : Formes d’ondes (4 cellules parallèles)

C’est là que le couplage des cellules intervient. L’idée est de combiner les tensions commutées pour retrouver dans chaque cellule l’effet de l’entrelacement. On utilise pour cela le couplage magnétique des inductances fabriquées dans ce cas sur un même noyau magnétique (Fig. 5) ou un couplage électrique par des transformateurs (un par cellule). L’objectif est de répercuter le moyennage des tensions commutées sur le courant de chaque cellule (Fig.6). On observe des courants de phases presque identiques entre eux (aux courants magnétisant près), représentant un quart du courant de sortie.

Convertisseur à 4 cellules parallèles couplées

Fig. 5 : Convertisseur à 4 cellules parallèles (couplage magnétique)

Formes d’ondes (4 cellules parallèles couplées)

Fig. 6 : Formes d’ondes (4 cellules parallèles couplées)

Les contraintes sont homogènes entre la sortie et les cellules, l’énergie stockée peut être minimisée et les pertes joules pareillement, quel que soit le nombre de cellule. Mais le composant est plus difficile à réaliser puisqu’il combine deux fonctions (couplage et filtrage). Compte-tenu des matériaux magnétiques disponibles, il est parfois avantageux de séparer ces fonctions en réalisant un couplage électrique avec des transformateurs et le filtrage avec des inductances. Par rapport à l’onduleur mono-cellule, l’onduleur couplé N-cellule présente une fréquence apparente multipliée par N (donc N fois moins de pertes en commutation) et un besoin de filtrage divisé par N. Il est très intéressant pour les courants importants et lorsque le besoin de filtrage est élevé.

Coupleur magnétique