Conception et validation en temps réel du PFC « Totem Pole »

Principaux enseignements

• Un PFC de type « totem pole » élimine les pertes du pont de diodes, et cette économie n'est valable que si le contrôleur gère l'inversion des rôles à chaque passage à zéro du courant alternatif.
• La distorsion au passage par zéro est un problème de synchronisation et de séquencement, qui se résout par un effacement, un redémarrage progressif et une détection minutieuse de la polarité.
• Les tests en temps réel avec une résolution au niveau de la commutation vous permettent de reproduire des conditions de ligne défavorables sur votre contrôleur réel avant que le matériel ne soit exposé à des risques.

Un PFC de type « totem » ne permet d'obtenir un gain d'efficacité que si sa commande reste stable lors du passage à zéro du courant alternatif.

Les alimentations pour serveurs, les chargeurs et les variateurs industriels comportent tous un étage de correction du facteur de puissance, et les pertes qui y sont générées augmentent proportionnellement à chaque kilowatt consommé en aval. À eux seuls, les centres de données ont consommé environ 4,4 % de l'électricité totale des États-Unis en 2023 ; chaque dixième de point récupéré en amont compte donc. Le remplacement du pont de diodes par des commutateurs à large bande interdite permet de récupérer plus d'un dixième, mais complique la tâche de votre contrôleur.

Cette opération s'inscrit dans une fenêtre de quelques centaines de microsecondes, deux fois par cycle de ligne. Les commutateurs échangent leurs rôles, le rapport cyclique oscille d'un extrême à l'autre, et la mesure de polarité est alors la moins fiable. Considérez le convertisseur « totem pole » d'abord comme un problème de contrôle, puis comme une question de topologie. Vous en tirerez le meilleur parti lorsque le passage par zéro sera conçu et testé de manière ciblée.

En quoi le PFC de type « totem » diffère-t-il du PFC de type « boost » ?

La principale différence entre un PFC de type « totem pole » et un PFC « boost » classique réside dans le pont de diodes. Un PFC « boost » redresse le courant secteur à l'aide de quatre diodes, puis le régule à l'aide d'un seul commutateur. Un PFC de type « totem pole » supprime le pont et utilise deux demi-ponts pour effectuer le redressement et l'élévation de tension en une seule étape.

Prenons, à titre d’exemple générique, un module de 3,3 kW branché sur une ligne de 230 V. Il consomme environ 14 A RMS, et un pont comporte toujours deux diodes conductrices. À environ 1 V par diode, cela représente près de 26 W de chaleur, soit 0,8 % du débit. La catégorie de rendement la plus élevée pour les alimentations de serveurs exige un rendement de 96 % à demi-charge, ce qui laisse 4 % pour toutes les pertes de l’unité.

À lui seul, le pont absorberait un cinquième de ce budget. Une architecture de type « totem » le remplace par un circuit à commutation rapide à haute fréquence et un autre à commutation lente à la fréquence du réseau.

« Ce à quoi vous renoncez, c'est la simplicité, car la rectification dépend désormais de votre micrologiciel. »

Pourquoi les commutateurs à large bande interdite permettent un fonctionnement en conduction continue

Les commutateurs à large bande interdite permettent d'utiliser un convertisseur de type « totem pole » à des niveaux de puissance de l'ordre du kilowatt, car ils ne présentent que peu ou pas de charge de récupération inverse. La conduction continue oblige l'un des commutateurs de la branche rapide à s'activer tandis que l'autre continue de transporter le courant de l'inductance via son chemin inverse. La diode de corps d'un MOSFET au silicium stocke trop de charge pour que cette commutation soit efficace ou sûre.

Imaginons une phase rapide à 65 kHz avec un courant de 20 A circulant dans l’inductance. Avec un composant à superjonction en silicium, le courant de récupération de la diode de corps s’ajoute au courant de charge à chaque cycle, et les pertes ainsi que la contrainte de tension qui en résultent augmentent avec la fréquence. Un transistor au nitrure de gallium ne possède pas de diode de corps nécessitant une récupération, tandis qu’un MOSFET au carbure de silicium ne récupère qu’une petite fraction de la charge. Le prix à payer est la vitesse de transition. Des fronts plus rapides réduisent le temps dont dispose votre contrôleur pour gérer correctement chaque transition.

Comment le contrôle PFC de type « totem pole » gère chaque demi-cycle

Le contrôle PFC de type « totem pole » utilise la même boucle de tension externe et la même boucle de courant interne qu’un PFC de type « boost », auxquelles s’ajoute un signal de polarité qui attribue les rôles aux commutateurs. Pendant la demi-période positive, l’un des commutateurs de la branche rapide fait office de commutateur « boost » tandis que son partenaire fait office de redresseur synchrone. Les rôles s’inversent pendant la demi-période négative.

Prenons le demi-cycle positif. Le commutateur rapide côté bas charge l'inductance, le commutateur rapide côté haut libère cette é Énergie e vers le bus, et le commutateur lent côté bas reste activé pour renvoyer le courant vers la ligne. Une fois que la polarité s'inverse, le commutateur rapide côté haut devient le commutateur de surtension et le commutateur lent côté haut assure le chemin de retour.

Le rapport cyclique suit la courbe. Un commutateur actif nécessite un rapport cyclique proche de 100 % lorsque la tension d'entrée est proche de zéro. Ainsi, à chaque passage à zéro, le commutateur qui était presque toujours activé devient le redresseur et doit être presque toujours désactivé.

Aucun élément d'un PFC de surtension ne ressemble à cette étape. La boucle de courant et le modulateur doivent s'accorder sur l'instant où cela se produit, et ils s'appuient sur une mesure de polarité effectuée lorsque le signal est à son niveau le plus bas.

Quelles sont les causes de la distorsion au passage par zéro dans un convertisseur de type « totem pole » ?

La distorsion au passage par zéro dans un convertisseur de type « totem pole » provient d'un changement de rôle qui se produit au mauvais moment ou de manière trop brusque. L'inductance est brièvement soumise à la tension totale du bus et à des pics de courant. Il en résulte une encoche ou un pic sur le courant de ligne, deux fois par cycle.

Prenons, à titre d'exemple, un bus de 400 V et une inductance de 200 µH. Si la branche lente bascule alors que la branche rapide fonctionne toujours avec un rapport cyclique proche de 100 %, le bus se trouve aux bornes de l'inductance et le courant augmente de 2 A toutes les microsecondes. Un détecteur de polarité présentant un retard de 5 µs génère un pic de 10 A sur une forme d'onde qui devrait passer par zéro.

La détection ne fait qu’empirer les choses. Le décalage de mesure, le retard du filtre et le bruit généré par les fronts de commutation rapides font tous dévier le point de croisement détecté par rapport au point réel, et l’intégrateur de la boucle de courant reçoit une valeur datant du demi-cycle précédent. Chaque pic augmente la distorsion harmonique et sollicite le filtre anti-interférences électromagnétiques.

Choix de conception permettant de réduire le pic de courant au passage à zéro

La pointe au passage par zéro s'atténue lorsque la transition est traitée comme un événement séquentiel. Il suffit d'arrêter la phase rapide juste avant le passage par zéro, d'attendre un court intervalle de suppression, de basculer vers la phase lente, puis de relancer la phase rapide avec un rapport cyclique qui passe progressivement d'impulsions courtes à la valeur commandée.

Une séquence courante consiste à mettre les quatre portes à l'état haut pendant quelques dizaines de microsecondes autour du passage détecté. Un temps de mise à l'état haut trop long entraîne un plateau dans le courant, tandis qu'un temps trop court fait réapparaître le pic ; le réglage de cette fenêtre est donc un paramètre que vous devrez ajuster en fonction de la tension secteur et de la charge.

Comment valider un convertisseur de type « totem » en temps réel

La validation en temps réel d'un convertisseur de type « totem pole » s'effectue en exécutant votre contrôleur réel sur un étage de puissance simulé capable de reproduire chaque événement de commutation. Les tests de type «Simulation HIL » vous permettent de reproduire le passage par zéro des milliers de fois dans des conditions de défauts et de perturbations de ligne trop risquées pour être reproduites sur un prototype.

La résolution détermine la précision du test. À 100 kHz, une période de commutation dure 10 µs, et un modèle évoluant par pas de 1 µs ne la perçoit qu’en 10 tranches. Un temps mort de 100 ns disparaît à cette taille de pas, et une simulation grossière d’un PFC de type « totem pole » masque précisément le comportement que vous souhaitiez observer. OPAL-RT exécute le modèle de convertisseur sur des simulateurs basés sur des FPGA, de sorte que la commutation en « totem pole » est modélisée en temps réel via le passage par zéro.

Un plan de test efficace couvre les cas que les tests manuels ont tendance à négliger.

• Les creux et les pics de tension de réseau qui se répercutent sur un croisement
• Incréments de fréquence compris entre 47 Hz et 63 Hz
• Tension de ligne à profil plat avec passages à zéro répétés
• Fonctionnement à faible charge où le courant devient discontinu
• Décalage et retard du capteur introduits dans le signal de polarité

Chaque cas se répète à l'identique après chaque mise à jour du micrologiciel ; ainsi, une fenêtre de suppression configurée le lundi peut faire l'objet de tests de régression avant la version de vendredi.

Quand une vérification rigoureuse du passage à zéro porte ses fruits tout au long d'un programme

La mise en œuvre rigoureuse des tests de passage à zéro s'avère payante, car les défaillances qu'elle permet d'éviter sont particulièrement coûteuses. Une pointe de courant détectée lors d'une simulation n'entraîne qu'une modification du micrologiciel. En revanche, si cette même pointe est détectée lors d'un test de conformité ou sur un appareil défectueux sur le terrain, cela implique une révision de la carte électronique, un retard dans le calendrier et une perte de confiance au sein de votre équipe.

« Un pic de courant détecté lors d'une simulation entraîne une modification du micrologiciel. »

Les équipes qui rencontrent des difficultés avec cette topologie ont rarement choisi les commutateurs inadaptés. Le plus souvent, elles ont réglé le croisement sur un prototype à une tension de ligne donnée, puis ont été confrontées à un réseau faible ou à un démarrage à froid qui a modifié la synchronisation. Ce qui distingue un produit fiable d'un produit fragile, c'est le nombre de croisements que votre contrôleur a déjà rencontrés avant sa mise sur le marché, et la complexité avec laquelle vous les avez configurés.

Placez le régulateur face à un modèle qui reproduit fidèlement les commutations, provoquez délibérément un croisement et conservez les données. OPAL-RT permet de réaliser des simulations en temps réel pour ce type de scénario ; ainsi, les quelques centaines de microsecondes les plus critiques du cycle de votre ligne sont testées avec autant de rigueur que le reste.