Conception d'un dispositif de correction du facteur de puissance (PFC) actif pour écrans ultra-fins de 10 mm

Un dispositif de correction active du facteur de puissance régule le courant d'entrée pour l'adapter à la tension du secteur, le tout dans un boîtier de télévision de seulement 10 mm d'épaisseur. L'obtention d'un rendement électrique élevé malgré ces contraintes mécaniques de faible épaisseur requiert des semi-conducteurs à large bande interdite, des inductances planaires compactes et des techniques de dissipation thermique spécifiques.

La conception des téléviseurs modernes repousse les limites de l'épaisseur du châssis. Lorsque cette épaisseur descend en dessous de 10 mm, les condensateurs électrolytiques et les inductances toroïdales bobinées standard ne peuvent plus être intégrés au châssis, ce qui impose une refonte de la topologie du dispositif de correction active du facteur de puissance.

Topologies magnétiques et silicium compactes

Le fonctionnement en mode de conduction continue à des fréquences supérieures à 300 kHz permet une réduction significative de la taille des composants. Le remplacement des MOSFET en silicium par des transistors au nitrure de gallium élimine les pertes par récupération inverse, permettant ainsi des boîtiers compacts et plus silencieux, à l'intérieur des panneaux arrière exigus, sans nécessiter de dissipateurs thermiques surdimensionnés.

Les choix d'implantation visent à minimiser les inductances parasites des boucles sur les chemins de commutation haute fréquence :

Les bobines d'arrêt traversantes de grande hauteur sont remplacées par des géométries magnétiques planaires à noyau en E.

Des réseaux céramiques multicouches réduisent l'ondulation avant le stockage.

Des enroulements en feuille à profil bas diminuent les pertes par effet de peau.

Stratégies de stockage d'énergie distribuée :

Les condensateurs cylindriques traditionnels dépassent instantanément la limite de 10 mm de hauteur. L'utilisation d'une batterie de condensateurs distribuée pour améliorer le facteur de puissance répartit l'énergie sur des condensateurs polymères parallèles à profil bas, conservant ainsi une architecture planaire pour l'étage de puissance tout en fournissant une capacité de bus suffisante pour la protection contre les baisses de tension lors de variations brusques de charge.

Le routage du circuit imprimé exige une séparation rigoureuse des pistes entre les boucles de puissance et les lignes de commande :

Des chemins de retour courts éliminent les problèmes de rebond de masse.

Les boîtiers des composants CMS (composants de correction du facteur de puissance) sont placés à proximité des matrices de découplage.

Des plans de cuivre internes multicouches isolent les circuits de commande de portes analogiques sensibles.

Directives relatives à la dissipation thermique et à la fiabilité

Les boîtiers étroits de 10 mm ne permettent pas une bonne circulation de l'air. Le couplage direct du pad thermique du dispositif d'amélioration du facteur de puissance au châssis en aluminium, via de fines feuilles d'interface en graphite, dissipe uniformément la chaleur de jonction, évitant ainsi la formation de points chauds localisés derrière les couches sensibles des écrans OLED et LCD.

Les appareils électroniques grand public modernes à écran plat s'inspirent des principes architecturaux des dispositifs industriels compacts de correction du facteur de puissance. L'utilisation de convertisseurs élévateurs (boost) entrelacés à deux phases permet de répartir la contrainte thermique entre des canaux en parallèle, optimisant ainsi le rendement global — qui dépasse 96 % — sur une plage de tension d'entrée universelle allant de 90 à 264 V CA.