Electronique de puissance

Support Electronique de puissance Hacheur Onduleur Gradateur Alimentation à découpage

Réalisé par N.NASRI (www.blogmatlab.blogspot.com)

Mars 2011 (CFPA de Bejaia)

Electronique de puissance

------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 - Les Onduleurs (Conversion continu-alternatif) .. Présentation : L’onduleur est un dispositif électronique permettant de convertir le courant (et tension) continu en un courant (et tension) alternatif avec la fréquence souhaitée (généralement 50/60 Hz).

Il est constitué de deux étages distincts : un étage de commande et conversion AC/DC et un étage transformateur élévateur pour disposer d’une tension de sortie convenable.

Principe de fonctionnement : I / Étage de commande (Conversion) : est souvent composé d’un pont de transistors de puissance couplés à des diodes de récupération, commandés à pleine onde ou en modulation à largeur d’impulsions.

Schéma bloc de l’étage de conversion d’un onduleur monophasé Chaque ensemble (diode de récupération (Di), transistor de puissance (Ti)) constitue un interrupteur électronique Ki. Afin de créer une tension alternative aux bornes de la charge, les interrupteurs Ki seront commandés deux à deux selon le principe suivant : 1er cas :

Commande pleine onde (1ere demi période).

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------Pendant la 1ière demi-période, K1 et K3 sont fermés quand K2 et K4 sont ouverts. La tension aux bornes de la charge dans ce cas est positive (Uc= E), tandis qu’en 2nde demi-période, ce sont K2 et K4 qui sont fermés et la tension aux bornes de la charge est inversée (Uc= -E). 2nd cas :

Commande pleine onde (2ere demi période). L’inconvénient de cette commande est la distorsion importante en sortie à cause d’un filtrage insuffisant. Par conséquent, la commande la plus utilisée est celle utilisant une modulation à largeur d’impulsions MLI, comparant une référence sinusoïdale (basse fréquence) à une porteuse triangulaire (haute fréquence).

Schéma synoptique de la commande MLI A fréquences élevées, la modulation MLI permet de transformer la tension en suite d’impulsions, de largeur variable, et d’amplitude (Uc= E x (Vr / Vp)) variable en fonction du rapport (Vr/Vp). II / Étage transformateur : Son rôle principale est d’élever la tension convertie en tension convenable pour l’application souhaitée.

Schéma d’un transformateur idéal. Cet étage doit être construit de façon à optimiser les pertes ohmiques et magnétiques afin d’être performant dans divers environnements. Utilisation : L’onduleur autonome peut etre à fréquence fixe, il est alors utilisé comme source de secours ou alimentation sans coupure à partir d’une batterie. A fréquence variable, il est utilisé pour la variation de vitesse des moteurs.

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 – Les Gradateurs (Conversion alternatif-alternatif) .. Présentation : Le gradateur est un appareil qui permet, à partir d’une source alternative, de convertir une tension sinusoïdale de valeur efficace constante en une tension alternative de même fréquence mais de valeur efficace variable. Ce qui lui permettra de contrôler la puissance absorbée par un récepteur en régime alternatif. (il se comporte donc comme un interrupteur commandé, il établit ou interrompt la liaison entre la source et la charge). Principe :

La tension aux bornes de la charge évolue suivant la séquence de commande, ainsi on différenciera deux types de gradateurs : - Gradateur à angle de phase. - Gradateur à train d’onde. I / Fonctionnement d’un gradateur à angle de phase débitant sur charge résistive : Dans ce type de gradateur, le signal envoyé sur l’entrée de commande du gradateur est analogique. Le thyristor Th1 est amorcé durant l’alternance positive avec un angle de retard α par rapport au passage par zéro de la tension secteur. Le thyristor Th2 est amorcé durant l’alternance négative avec le même angle de retard.

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------II / Fonctionnement d’un gradateur à train d’ondes débitant sur charge résistive : Dans ce type de gradateur, le thyristor Th1 et le thyristor Th2 sont amorcés de manière continue pendant le temps Ton (période de conduction) et ils sont ensuite bloqués jusqu’à la fin de la période de modulation.

T : période de la tension source. Ton : durée du train d’onde. Tc : période de modulation.

Utilisation : L’éclairage. Le chauffage. Le démarrage de moteurs à courant alternatif.

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 – Les Hacheurs (Conversion continu-continu) .. Présentation : Le hacheur permet d’obtenir une source de tension continue variable à partir d’une source de tension continue fixe. Principe :

Il est évident que le procédé le plus simple pour transformer une tension continue de valeur fixe en une tension continue réglable est le montage en potentiomètre diviseur de tension. La tension de sortie Ud est donnée par :

L’inconvénient de ce montage est son rendement (en puissance) médiocre, ce qui s’avère critique pour des applications faisant intervenir des puissances non négligeables. Le rendement s’écrit : Ainsi ces montages sont utilisés uniquement en électronique de faible puissance (quelques Watts maximum). En électronique de puissance, on fera systématiquement appel à des hacheurs. En effet le hacheur réalise en courant continu la même fonction que le transformateur en courant alternatif, c’est à dire un changement de tension avec un rendement voisin à 1. Ce qui n’est pas le cas avec un rhéostat ou potentiomètre. Types de hacheurs : On distingue plusieurs types de hacheurs, les deux types de base étant le montage série et le montage parallèle. Le principe consiste à interrompre périodiquement l’alimentation de la charge par la source. I / Le hacheur série (abaisseur de tension) : Le fonctionnement du convertisseur se déduit de l’analyse du comportement de l’interrupteur I.  à t=0, I est enclenché (passant) pendant un temps 𝜶𝑻, alors : ud(t)= U.  Entre 𝜶𝑻 et T (𝜶𝑻 < t < T ), I est ouvert. On a alors : i= 0 et le courant id circule à travers la diode D (diode de « roue libre »). Donc : ud (t) = 0 tant que la diode D conduit, soit tant que le courant i t d ( ) est non nul.  Lorsque id(t) s’annule, la diode D se bloque et : ud (t) = Ec.

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------II/ Le hacheur parallèle (élévateur de tension) Le hacheur parallèle est aussi appelé hacheur survolteur. Ce montage permet de fournir une tension moyenne Ud0 à partir d’une source de tension continue U< Ud0 . Les applications principales du hacheur parallèle sont les alimentations de puissance régulées et le freinage par récupération des moteurs à courant continu. On distingue 2 phases de fonctionnement:  Lorsque l’interrupteur I est fermé, la diode est polarisée en inverse (VD = - ud), la charge est donc isolée de la source. La source fournit de l’énergie à l’inductance l.  Lorsque l’interrupteur I est ouvert, l’étage de sortie (capacité + charge) reçoit de l’énergie de la source et de l’inductance l. Pour l’analyse en régime permanent présentée ici, le condensateur de filtrage C a une valeur de capacité suffisamment élevée pour que l’on puisse considérer la tension disponible en sortie constante :

Technologie des interrupteurs : I / Diodes : (Temps de recouvrement d'une diode à jonction : Quand une diode est passante, des charges électriques s'accumulent au niveau de la jonction. La quantité de charges ainsi stockée est fonction de la taille du composant et du courant qui le traverse Pour passer de l'état passant à l'état bloqué il faut évacuer les charges stockées pendant la conduction. Le temps nécessaire pour éliminer les charges stockées s'appelle le temps de recouvrement de la diode. Exemple d'évolution du courant et de la tension aux bornes d'une diode pendant une commutation : Le courant inverse pendant la phase de recouvrement tr dépend du circuit extérieur. II / Transistors bipolaires : (Temps de commutation) Les transistors bipolaires utilisent deux jonctions PN. La jonction base émetteur est en direct quand le transistor conduit. Les particularités du recouvrement des diodes est aussi présent avec le transistor. Exemple de formes d'onde dans le cas d'un hacheur série si la diode de roue libre commute instantanément : Par le courant de base, il faut apporter des charges électriques à la jonction base émetteur pendant le temps de stockage ts pour que le courant de collecteur apparaisse.

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------La croissance de ic n'est pas immédiate, il faut un courant de base négatif pour que les charges accumulées dans la jonction base émetteur disparaissent (durée td) et que le courant de collecteur commence à décroître. Observations : Dans un hacheur série en conduction continue, à la fermeture du transistor, c'est le courant maximum en régime linéaire du transistor qui correspond au courant de recouvrement inverse de la diode. Ce courant peut être dix fois plus grand que le courant dans la charge Ce phénomène produit des pertes en commutation dans le transistor qui est en court-circuit sur la source et crée des perturbations électromagnétiques III / Transistor MOSFET : Le transistor MOSFET a l'avantage d'une commande relativement simple qui nécessite peu de puissance.

A la fabrication une diode entre drain et source est aussi intégrée. Cette diode est généralement une diode rapide. Cette diode peut servir dans une structure en pont par exemple Exemple de formes d'ondes dans un hacheur série (avec diode de roue libre parfaite). Entre grille et source le transistor se comporte comme un condensateur (Cgs ~ 1nF) qu'il faut charger et décharger à chaque commutation. Les pointes du courant ig doivent être de l'ordre de l'ampère. Les faibles temps de commutation tr et tf permettent de réduire les pertes en commutation ou d'augmenter la fréquence du découpage.

IV / Thyristors : La mise en oeuvre du thyristor dans les hacheurs est très délicate car l'annulation du courant dans les interrupteurs lors du blocage n'est pas naturelle. Cependant aux très fortes puissances, le thyristor est irremplaçable. Par composant on peut commuter 2000A sous 2500V ! Il faut associer au thyristor un circuit auxiliaire comprenant plusieurs thyristors additionnels, inductances et condensateurs pour parvenir au blocage du composant principal.

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Résumé …

1 - Conversion alternatif / continu (AC / DC) [redresseurs]: Montage redresseur : - Non commandé (à diodes). - Commandé (à thyristors). Applications : - Alimentation continue (pour circuits électroniques). - Alimentation pour moteur à courant continu. - Chargeur de batteries ...

2 - Conversion continu / continu (DC / DC) [hacheur] : Montage hacheur : - Série (abaisseur de tension). - Parallèle (élévateur de tension). Applications : - Alimentation à découpage (ordinateur, mobile …). - Alimentation pour moteur à courant continu.

3- Conversion continu / alternatif (DC / AC) [onduleur]: Applications : - Alimentation de secours (+ groupe électrogène). - Variateur de vitesse pour moteur asynchrone ...

4- Conversion alternatif / alternatif (AC / AC) [gradateur]: Applications : - Variateur de lampe halogène. - Variateur de vitesse pour moteur universel ...

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE I / Alimentations linéaires : Présentation : Le synoptique de la partie puissance des alimentations linéaires est indiqué sur la figure suivante :

La dénomination « linéaire » pour ce type d’alimentation vient du fait que le transistor de l’étage de régulation fonctionne dans sa zone linéaire. Le principe de base du montage régulateur avec transistor série est décrit comme :

Les éléments fondamentaux utilisés dans une alimentation linéaire sont : - Un transformateur fonctionnant à 50Hz assure une isolation galvanique et la modification de la valeur efficace de la tension (en général abaisseur). - Un redresseur à diodes suivi d’un condensateur de filtrage permettant de transformer la tension sinusoïdale issue du transformateur en une tension de valeur moyenne non nulle et ondulant peu. - Une diode Zener accompagnée d’un montage régulateur à transistor permettant de fournir une tension régulée en sortie de l’alimentation.

Points forts :   

Faciles à mettre en œuvre. Permettent d’obtenir des tensions très stables. Très peu perturbatrices pour l’environnement électrique ou électronique.

Points faibles :  

Le transformateur est lourd et volumineux car il fonctionne à 50Hz. Le transistor de l’étage de régulation dissipe une puissance importante, il impose alors l’utilisation d’un radiateur encombrant et nuit au rendement de l’alimentation.

II / Alimentations à découpage Les éléments fondamentaux utilisés dans une alimentation à découpage sont :  (Redresseur + Filtre) directement connectés au réseau (secteur).  Transformateur d’impulsion (isolation galvanique entre le réseau et l’utilisateur), piloté au primaire par interrupteur commandé (transistor ou thyristor).  (Redresseur + Filtre) en sortie.

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------Points forts :   

Le transformateur travaille à une fréquence fd ≥ 20 khz très supérieure à celle du réseau 50Hz, il est donc de dimensions réduites. Le transistor de puissance fonctionne en régime de commutation et présente des pertes réduites Donc : Le dissipateur associé est de faibles dimensions, d’où un gain en volume et en masse. Le rendement de l’alimentation est supérieur à 80 % (contre 60 % maximum pour les alimentations linéaires). En effet elles mettent en jeu un commutateur supposé « idéal » et des composants passifs presque sans pertes (C, L).

Points faibles :   

Elles sont moins simples à mettre en œuvre que les alimentations linéaires. Une ondulation résiduelle due au découpage subsiste en sortie. Elles sont perturbatrices pour l’environnement électrique et électronique ; les parasites rayonnés sont importants du fait du découpage.

III / Famille des alimentations à découpage A / Alimentation Flyback : transfert indirect C’est une alimentation indirecte. Dans un premier temps, le primaire du transformateur emmagasine de l’énergie, puis dans un second temps cette énergie est transmise à la charge par l’enroulement secondaire (phase de démagnétisation). Le schéma de principe de l’alimentation Flyback est décrit sur la figure suivante :

Les hypothèses pour l’étude du fonctionnement sont les suivantes :  Les tensions VE et VS sont constantes, du fait de la présence des condensateurs CE et C ;  La diode D et le transformateur Tr sont considérés comme parfaits ainsi que l’interrupteur I. Les deux cycles de fonctionnement sont les suivants :  Lorsque l’interrupteur est fermé : 𝑢1 = 𝑉𝐸 , 𝑢2 < 0 , 𝑑𝑜𝑛𝑐 𝑉𝐷 = 𝑢2 − 𝑉𝑠 < 0 la diode D est bloquée. Le transformateur se comporte au primaire comme une inductance seule, i1 augmente et le primaire du transformateur emmagasine de l’énergie sous forme magnétique.  Lorsque l’on ouvre l’interrupteur, i1 décroît de façon quasi-instantanée et les tensions u1 et u2 s’inversent de façon quasi-instantanée. u2 > 0 donc D conduit et u2=VS. L’énergie magnétique emmagasinée au cycle précédent est restituée vers le circuit d’utilisation (la charge) grâce à l’enroulement secondaire.

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------------------------------------------------------------------------------------------------------------Utilisation d’un hacheur :

Cette alimentation génère moins de parasites car le courant d'entrée correspond à i L. Ce montage est utilisé pour relever le facteur de puissance des alimentations "flyback".

Remarques: -

Le "hacheur" est un convertisseur direct : l'énergie de la source passe vers la sortie lorsque K est fermé ; L et C ne sont pas indispensables si la charge tolère une commande en tout ou rien (moteur dont l'inertie est grande devant T par exemple).

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Les montages "flyback" et élévateur sont des convertisseurs à accumulation : lorsque K est fermé, une inductance stocke l'énergie, la charge étant déconnectée de la source. Lorsque K est ouvert, l'énergie emmagasinée dans L est transférée dans la charge. L est indispensable comme réservoir d'énergie.

B / Alimentation Forward : (transfert direct) Les hypothèses sont les mêmes que pour l’étude du principe de fonctionnement de l’alimentation Flyback. On fait de plus l'hypothèse d'une démagnétisation complète du circuit magnétique en fin de cycle. C / Alimentation Push-Pull Ce type d’alimentation permet de transférer des puissances importantes avec un excellent rendement du fait de son cycle magnétique symétrique. Comment choisir ? En pratique, le choix du principe sera fixé par la puissance de sortie de l’alimentation :  Flyback : P < 100 w  Forward : 100 w < P < qq100 w  Push-Pull : P > qq 100 w

Conclusion : -

Les alimentations linéaires sont simples et stables mais lourdes, volumineuses (puissances massique (W/kg) et volumique (W/litre) faibles) et à faible rendement.

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Les alimentations à découpage sont légères et peu encombrantes. Elles ont un excellent rendement. Par contre leur stabilité est moyenne ou médiocre. Elles sont donc très utilisées en électronique embarquée (légèreté, rendement) ou simplement pour leur excellent rendement lorsque la stabilité n’est pas une caractéristique essentielle.

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