Facteur de puissance unitaire et stockage d’énergie 

Facteur de puissance unitaire et stockage d’énergie 

Si le courant et la tension sont en phase et que le courant est dépourvu d’harmonique, le facteur de puissance est unitaire.

Il en ressort que la puissance d’entrée instantanée est pulsatoire et que la puissance d’entrée moyenne est constante et égale à la puissance de sortie (en négligeant les pertes).

La puissance d’entrée  y est tracée en gras. On peut voir que la puissance instantanée maximale est de deux fois la puissance de sortie. Il faudra que le convertisseur puisse supporter cette puissance et calculer les courants commutés en conséquence. Aussi, la partie C, qui forme 68,2% de la puissance totale peut être transmise directement à la charge. La partie A est en excédent par rapport à la puissance de sortie et doit être stockée, puis transmise à la charge par la suite (partie B). La partie A forme 31,8% de la puissance totale. Il est impossible de maintenir une puissance de sortie constante sans stocker 31,8% de cette puissance. Toute diminution de la puissance stockée se fera au détriment du facteur de puissance.

Il ressort de ces remarques que si le condensateur de stockage est placé en parallèle avec la charge, comme c’est le cas pour un convertisseur CC-CC, la tension de sortie aura un certain degré d’ondulation à 120Hz . Plus la valeur de ce condensateur sera grande, moins l’ondulation sera importante mais plus le système sera lent à répondre aux variations de la charge. Aussi, pour des raisons d’encombrement et de coûts, on tend à minimiser la valeurs des condensateurs de sortie. Donc, pour obtenir une bonne régulation et un bon facteur de puissance il est obligatoire que la conversion se fasse en deux étapes, c’est-à-dire avec deux étages de conversion. La solution la plus simple consiste en un redresseur/correcteur suivi d’un régulateur CC-CC (figure 3). Cependant cette solution oblige les deux étages à traiter la totalité de la puissance et 1′ efficacité s’en trouve diminuée. La solution idéale consisterait en un traitement parallèle où un convertisseur principal traiterait 68,2% de la puissance en transfert direct et un convertisseur auxiliaire traitant les 31,8% restant en stockage. En pratique, on ne peut que tendre vers cette solution mais il est tout de même possible de limiter la fraction de puissance prise en charge par l ‘unité auxiliaire. Dans la littérature, cette façon de faire est appelée « Reduced Redundant Power Processing » ou RRPP.

Solutions étudiées 

Le but étant d’obtenir un circuit simple, les recherches se sont orientées, dans un premier lieu, vers des topologies n’utilisant qu’un seul interrupteur en portant une attention particulière à celles qui sont basées sur la topologie flyback ou ses dérivées et à celles qui minimisent la redondance dans le traitement de la puissance.

Revue de certaines topologies à interrupteur unique 

Ces convertisseurs effectuent la double tâche d’offrir un bon facteur de puissance et de réguler la tension de sortie. L’élément de stockage ne peut être en parallèle avec la charge car il y apparaîtrait de l’ ondulation au double de la fréquence du réseau.

Dans la classe des convertisseurs mono-interrupteur, la topologie BIFRED (Boost Integrated Flyback Rectifier/Energy storage De-de), dérivé du SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter), est une des plus utilisées. En [1], dont la topologie est illustrée ci-dessous, de bons résultats furent obtenus avec le BIFRED.

Sur le prototype construit par les auteurs de cet article, 1′ efficacité mesurée était de 71%, et la tension sur le condensateur de stockage (Cs) était de 1,12 fois la tension crête d’entrée, pour une puissance de 55W à une tension de sortie de SV. La tension d’entrée couvre la plage de 161 à 264 Vrms. Pour ces tensions, un transistor de 800V était nécessaire. Aussi, les auteurs ont utilisé 10 condensateurs de 47001-LF en sortie. Malgré les efforts pour réduire la tension sur Cs, à faible charge notamment, il demeure que la tension sur l’interrupteur sera vraisemblablement trop élevée pour une source de 480Vrms tel que requis. Aussi, bien que l’article montre une bonne régulation de la tension de sortie, il semble que les 4, 7mF de capacité en sortie soient responsables de cette performance et il serait impraticable de recounr à des condensateurs aussi volumineux pour les 320VCC requis.

Sur un prototype de 150W, 28VCC ayant comme plage d’entrée 85 à 265 Vrms, les auteurs ont obtenu une efficacité maximale de 83%, un facteur de puissance de 0,97, et une tension sur Cs de 400V à tension de ligne maximale. Encore une fois, bien qu’il ne soit pas possible d’extrapoler les résultats obtenus sur ce prototype pour déterminer le comportement qu’aurait une version plus puissante opérant sur des tensions différentes, il semble que 1 ‘efficacité ne soit pas très élevée et que la tension soit trop grande sur l’interrupteur. Aussi, le taux de distorsion harmonique du courant est relativement élevé et l’interrupteur doit supporter le courant des deux primaires simultanément.

Conclusion sur l’étude des topologies à interrupteur unique 

Il existe d’autres variantes de topologies n’utilisant qu’un seul interrupteur de puissance. Cependant, celles étudiées souffrent toutes, à divers degrés, des mêmes inconvénients. L’interrupteur doit supporter une grande tension et de ce fait les applications sont dédiées à des tensions du réseau ne dépassant pas environ 270 Vrms. Aussi, les puissances rencontrées étaient modestes (150 à 200W maximum), et le facteur de puissance était rarement très élevé. De plus, comme 1 ‘interrupteur traite la puissance deux fois, l’efficacité n’est jamais très élevée. Ces topologies seraient de très bons choix dans les cas où le prix et la complexité doivent être minimisés et où la puissance est faible. La conception finale fera donc appel à un convertisseur principal (PFC) et à un post-régulateur à redondance faible.