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Convertisseur buck vs boost : abaisseur et élévateur comparés

Ce sont deux convertisseurs DC-DC à découpage construits avec les mêmes composants, un interrupteur, une bobine, une diode (ou un second interrupteur) et un condensateur, mais disposés différemment. Le convertisseur abaisseur place l’interrupteur entre l’entrée et la bobine, découpe la tension d’entrée selon la fraction du temps de conduction (rapport cyclique D) et en fait la moyenne, ce qui donne idéalement une tension D fois plus faible. Le convertisseur élévateur place la bobine côté entrée, la relie à la masse par l’interrupteur pour y stocker de l’énergie, puis la restitue à la sortie, ce qui donne idéalement une tension 1/(1−D) fois plus élevée.

CritèreConvertisseur abaisseur (buck)Convertisseur élévateur (boost)
Plage de tension de sortieInférieure à l’entrée (de 0 à la tension d’entrée)Supérieure à l’entrée (égale ou supérieure à la tension d’entrée)
Rapport de conversion idéal (conduction continue)Vout/Vin = DVout/Vin = 1/(1−D)
Exemple (pour D = 0,5)De 12 V à 6 VDe 12 V à 24 V
Disposition des composantsInterrupteur entre l’entrée et la bobine, bobine côté sortie. Diode entre le nœud interrupteur-bobine et la masseBobine côté entrée, interrupteur entre le nœud situé après la bobine et la masse. Diode entre ce nœud et la sortie
FonctionnementPassant : le courant va vers la sortie à travers la bobine ; bloqué : le courant de la bobine continue de circuler par la diodePassant : l’énergie est stockée dans la bobine ; bloqué : la tension de la bobine s’ajoute à la tension d’entrée et l’énergie est restituée à la sortie
Courant d’entréeDiscontinu (ne circule que lorsque l’interrupteur est passant). Le condensateur d’entrée est importantContinu (circule en permanence à travers la bobine)
Courant de sortieContinu (fourni en permanence par la bobine). Faible ondulation de sortieDiscontinu (n’arrive que lorsque l’interrupteur est bloqué). Fort courant d’ondulation dans le condensateur de sortie
RendementEnviron 80 à 95 % selon les conditionsEnviron 80 à 95 % selon les conditions. Diminue lorsque le rapport d’élévation est grand
RégulationBoucle de régulation facile à concevoirEn conduction continue, un zéro dans le demi-plan droit rend difficile l’augmentation de la bande passante de la boucle
Interrupteur à l’arrêtL’entrée et la sortie sont séparéesLa tension d’entrée reste présente en sortie à travers la bobine et la diode. Un interrupteur supplémentaire est nécessaire pour couper complètement
Usages typiquesProduire la tension de cœur (environ 1 V) des CPU et SoC à partir de 12 V ou 5 V, produire une basse tension à partir d’une batterieProduire 5 V à partir d’une batterie lithium-ion (environ 3,0 à 4,2 V), alimenter des LED en série, correction du facteur de puissance (PFC) des alimentations secteur

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Convertisseur abaisseur (buck)
Lorsqu’on veut produire efficacement, sous un fort courant, une tension inférieure à l’entrée : alimentation de cœur des CPU et SoC, génération des différentes tensions à partir de 12 V ou 5 V.
Convertisseur élévateur (boost)
Lorsqu’il faut une tension supérieure à l’entrée : produire une sortie USB de 5 V à partir d’une batterie, alimenter des LED en série, produire une haute tension continue en PFC.
Abaisseur-élévateur
Lorsque la tension de la batterie passe, au fil de l’utilisation, d’au-dessus à au-dessous de la tension de sortie, on utilise un convertisseur abaisseur-élévateur (buck-boost) qui combine les deux fonctions.

Questions fréquentes

Comment obtient-on les rapports de conversion D et 1/(1−D) ?

On part du fait qu’en régime établi, la tension aux bornes de la bobine a une moyenne nulle sur une période (équilibre du produit tension × temps). En buck, la bobine voit (Vin − Vout) pendant la conduction et −Vout pendant le blocage, d’où (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D), soit Vout = D × Vin. En boost, Vin × D = (Vout − Vin) × (1 − D) donne Vout = Vin/(1 − D).

Pourquoi un convertisseur boost fournit-il une tension supérieure à l’entrée ?

Pendant que l’interrupteur est passant, un courant traverse la bobine, qui stocke de l’énergie. Lorsque l’interrupteur se bloque, la bobine cherche à maintenir le courant et génère une tension qui s’ajoute à la tension d’entrée et s’écoule vers la sortie par la diode : la sortie devient donc supérieure à l’entrée.

Peut-on augmenter indéfiniment le rapport d’élévation en approchant D de 1 ?

En théorie, 1/(1−D) croît sans limite, mais en pratique les pertes dues à la résistance de la bobine et de l’interrupteur augmentent : la tension de sortie plafonne et le rendement baisse. Les rapports d’élévation pratiques vont jusqu’à quelques fois ; au-delà, on choisit par exemple une topologie avec transformateur.

Qu’est-ce que le redressement synchrone ?

C’est une méthode qui remplace la diode par un MOSFET, rendu passant aux moments où la diode conduirait. Elle réduit les pertes dues à la tension directe de la diode (environ 0,3 à 0,5 V même pour une diode Schottky), si bien que le gain de rendement est d’autant plus grand que la tension de sortie est faible.

Vérifier vos connaissances

Pour un hacheur abaisseur (convertisseur buck) idéal avec une tension d'entrée de 12 V et un rapport cyclique de 0,25, quelle est la tension de sortie ?

  1. A3 V
  2. B9 V
  3. C48 V
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Réponse : A. 3 V

La tension de sortie d'un hacheur abaisseur idéal vaut « tension d'entrée × rapport cyclique », soit 12 V × 0,25 = 3 V. La sortie se règle en faisant varier la proportion du temps de conduction de l'interrupteur, puis la bobine et le condensateur moyennent la tension en un continu lisse. Avec le redressement synchrone, qui remplace la diode par un MOSFET, le rendement dépasse 90 %. Les faibles tensions d'alimentation des CPU et des mémoires sont produites par des hacheurs abaisseurs multiphases sur la carte mère.

Quel convertisseur DC-DC produit une tension continue supérieure à la tension d'entrée ?

  1. AHacheur élévateur (convertisseur boost)
  2. BHacheur abaisseur (convertisseur buck)
  3. CPont redresseur
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Réponse : A. Hacheur élévateur (convertisseur boost)

Le hacheur élévateur stocke de l'énergie dans la bobine pendant la conduction de l'interrupteur, puis, au blocage, ajoute la tension de la bobine à la tension d'entrée en sortie. Idéalement, la tension de sortie vaut tension d'entrée ÷ (1 − rapport cyclique), soit le double pour un rapport cyclique de 0,5. Il sert à allumer une LED avec une seule pile, à élever la tension des cellules solaires, à élever la tension de commande des moteurs des véhicules hybrides, dans les circuits PFC, etc.

Quel est le principal avantage d'une fréquence de commutation plus élevée dans un convertisseur de puissance ?

  1. ALes pertes par commutation diminuent toujours
  2. BLes composants passifs comme les bobines et condensateurs peuvent être miniaturisés
  3. CLe bruit électromagnétique diminue toujours
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Réponse : B. Les composants passifs comme les bobines et condensateurs peuvent être miniaturisés

Une fréquence de commutation plus élevée réduit l'énergie que les bobines et condensateurs doivent stocker par période, ce qui permet de miniaturiser ces composants et de rendre l'alimentation plus compacte et plus légère. Par exemple, la taille d'un transformateur diminue presque en proportion inverse de la fréquence. En revanche, les pertes par commutation et le bruit augmentent avec la fréquence ; c'est le SiC et le GaN, à faibles pertes même en commutation rapide, qui rendent possible la montée en fréquence.

  1. Quelle caractéristique d'un régulateur à découpage, par rapport à un régulateur linéaire (LDO, etc.), est correcte ?
  2. Quel est l'objectif correct d'une diode connectée en parallèle avec une charge inductive comme la bobine d'un relais (diode de roue libre) ?

Questions d'entraînement sur Semi-conducteurs de puissance

Termes clés expliqués

Convertisseur DC-DC
Circuit qui convertit une tension continue en une autre tension continue. Il utilise un interrupteur, une inductance et un condensateur ; il existe des abaisseurs (buck) et des élévateurs (boost).
Rapport cyclique
Pour un signal impulsionnel périodique, proportion de la période pendant laquelle la sortie est à l'état haut. En PWM, il détermine la puissance moyenne.
Diode Schottky
Diode utilisant une jonction métal-semi-conducteur (jonction Schottky). Tension directe faible et absence de stockage de porteurs minoritaires, d'où une commutation rapide.
PMIC
Circuit intégré de gestion de l'alimentation. Composant qui génère plusieurs tensions à partir d'une batterie, etc., et gère l'ordre de mise sous tension et la commutation des tensions.

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