Conversion électronique statique : hacheur, redresseur, onduleur

Cours · conversion de puissance (PSI), chapitre 4 · CPGE PSI (2e année) · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Un hacheur : la tension découpée a une valeur moyenne proportionnelle au rapport cyclique α.

L'électronique de puissance a pour objet la conversion contrôlée de l'énergie électrique entre une source et une charge : transformer une tension continue en une autre tension continue réglable (hacheur), une tension alternative du réseau en tension continue (redresseur), ou au contraire une tension continue en tension alternative de fréquence et d'amplitude choisies (onduleur). Ces fonctions équipent aujourd'hui les variateurs de vitesse des machines, les alimentations à découpage, les chaînes de traction des véhicules électriques et les onduleurs photovoltaïques. Le fil directeur du chapitre est simple : on cherche à régler la puissance transférée sans la dissiper. Cela impose de renoncer aux composants dissipatifs (rhéostats) au profit d'interrupteurs fonctionnant en tout-ou-rien, dont on module le temps de conduction. La lecture des chronogrammes et le calcul des valeurs moyennes constituent le cœur du savoir-faire attendu.

4.1 L'interrupteur électronique idéal

4.1.1 Pourquoi commuter plutôt que dissiper

Pour régler la puissance reçue par une charge alimentée sous une tension continue $E$ , on pourrait insérer une résistance variable en série. La puissance dissipée dans cette résistance est alors perdue en chaleur : le rendement s'effondre dès que l'on veut réduire fortement la tension utile. L'idée de l'électronique de puissance est de remplacer cet élément dissipatif par un interrupteur que l'on ouvre et ferme périodiquement à haute fréquence.

Définition 4.1Interrupteur idéal

Un interrupteur électronique idéal possède deux états :

état fermé (passant, « ON ») : la tension à ses bornes est nulle, $u_{K} = 0$ , quel que soit le courant $i_{K}$ qui le traverse ;
état ouvert (bloqué, « OFF ») : le courant qui le traverse est nul, $i_{K} = 0$ , quelle que soit la tension $u_{K}$ à ses bornes.

Dans les deux cas le produit $u_{K} i_{K} = 0$ : la puissance dissipée dans un interrupteur idéal est nulle. La conversion se fait donc, en principe, sans perte.

Important

Dans un interrupteur idéal, à tout instant la tension ou le courant est nul. La commutation est de plus supposée instantanée. Ces hypothèses justifient l'absence de pertes et permettent de tracer des chronogrammes en créneaux parfaits. Dans un composant réel (diode, transistor MOSFET ou IGBT) subsistent une chute de tension à l'état passant et des pertes de commutation, mais le modèle idéal suffit à l'étude énergétique de première approche.

4.1.2 Interrupteurs commandés et spontanés

Définition 4.2Commandé / spontané

Un interrupteur est dit :

commandé lorsque son ouverture et/ou sa fermeture sont déclenchées par un signal extérieur (la commande de gâchette d'un transistor). L'instant de commutation est imposé par l'électronique de commande.
spontané lorsque son changement d'état est imposé par le circuit lui-même, sans intervention extérieure. C'est le cas de la diode : elle devient passante dès que la tension à ses bornes tend à devenir positive ( $u_{D} \to 0^{+}$ ) et se bloque dès que le courant qui la traverse tend à s'annuler ( $i_{D} \to 0^{-}$ ).

iRemarque

La diode idéale est un interrupteur unidirectionnel en courant ( $i_{D} \geq 0$ ) et spontané. Le transistor (MOSFET, IGBT), associé le cas échéant à une diode, réalise l'interrupteur commandé. Dans tout ce chapitre on note $T$ un interrupteur commandé et $D$ une diode.

4.2 Sources et règles d'interconnexion

4.2.1 Sources de tension, sources de courant

Définition 4.3Sources

Une source de tension impose la tension à ses bornes ; cette tension ne peut pas subir de discontinuité (un condensateur en parallèle réalise une telle source, $u$ continue). Une source de courant impose le courant qui la traverse ; ce courant ne peut pas subir de discontinuité (une bobine en série, ou l'inductance d'induit d'une machine, réalise une telle source, $i$ continu).

ImportantRègles d'interconnexion

Les commutations doivent respecter deux interdits :

on ne court-circuite jamais deux sources de tension de valeurs différentes (courant théoriquement infini) ;
on n'ouvre jamais une source de courant (surtension théoriquement infinie aux bornes de l'inductance, $u = L d i / d t$ ).

Ces règles dictent la structure des convertisseurs : un convertisseur relie toujours une source de tension à une source de courant, et à chaque instant il existe un chemin pour le courant de la source de courant.

Exemple 4.4La diode de roue libre est une nécessité

Une machine à courant continu se comporte, vue de ses bornes, comme une source de courant (son induit est inductif). Si on l'alimente par un simple interrupteur commandé $T$ en série avec la source $E$ , l'ouverture de $T$ ouvrirait la source de courant : surtension destructrice. Il faut donc offrir au courant d'induit un chemin de continuité pendant que $T$ est ouvert : c'est le rôle de la diode de roue libre.

4.3 Le hacheur série (dévolteur, buck)

4.3.1 Structure

Le hacheur série abaisse une tension continue $E$ vers une tension moyenne réglable, plus faible, appliquée à une charge inductive (ici l'induit d'une machine à courant continu, modélisé par une f.é.m. $E^{'}$ en série avec une résistance $R$ et une inductance $L$ ). Il comprend un interrupteur commandé $T$ en série et une diode de roue libre $D$ en parallèle sur la charge.

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