Convertisseurs de lElectronique de Puiss

Convertisseurs de l’électronique de puissance Page 1
Convertisseurs de l'Electronique
de Puissance
Manuscrit de cours
- 2013/2014 -

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Sommaire
0. Généralités sur les convertisseurs statiques de puissance
0.1. L’électronique de puissance et le rôle des convertisseurs statiques
0.2. Fonctions de base et terminologie des convertisseurs statiques de puissance
0.3. Quelques exemples industriels
I. Description des phénomènes de commutation
1.1. Généralités
1.1.1. Nécessité de la commutation
1.2. Fonction élémentaire du travail en commutation
1.2.1. Définition
1.2.2. Interrupteur idéal sous charge résistive
1.2.3. Interrupteur avec résistance interne et résistance de fuite sous charge résistive
1.2.4. Interrupteur avec capacité parasite sous charge résistive
1.2.4.1. Caractéristiques dynamiques (OFF→ON)
1.2.4.2. Caractéristiques dynamiques (ON→OFF)
1.2.5. Interrupteur avec résistance interne et résistance de fuite sous charge inductive
1.2.5.1. Caractéristiques dynamiques (OFF→ON)
1.2.5.2. Caractéristiques dynamiques (ON→OFF)
1.2.6. Interrupteur avec résistance interne et résistance de fuite sous charge capacitive
1.2.6.1. Caractéristiques dynamiques (OFF→ON)
1.2.6.2. Caractéristiques dynamiques (ON→OFF)
1.2.7. Diagramme de fonctionnement, cas réel
II. Hacheurs
2.1. Généralités
2.2. Applications
2.3. Hacheurs élémentaires
2.3.1. Introduction
2.3.2. Montage abaisseur (step down)
2.3.3. Fonctionnement en conduction continue
2.3.4. Conduction intermittente
2.3.5. Montage élévateur (step up)
III. Alimentations à découpage
3.1. Introduction
3.2. Intérêt des alimentations à découpage
3.2.1. Alimentations linéaires
3.2.2. Alimentations à découpage
3.3. Inductances et transformateurs en régime impulsionnel ou régime de commutation
3.3.1. Inductances en régime impulsionnel
3.3.2. Transformateur en régime impulsionnel
3.4. Famille des alimentations à découpage
3.4.1. Alimentation Flyback : transfert indirect
3.4.2. Alimentation Forward : transfert direct
3.4.3. Alimentation Push-Pull
3.4.4. Choix du principe
3.5. Principe et fonctionnement détaillé de l’alimentation Flyback
3.5.1. Étude de la partie puissance
3.5.2. Calcul des éléments. Ondulations
IV. Onduleurs autonomes
4.1. Principe de base en monophasé

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4.2. Principe d’un onduleur de tension en pont
4.2.1. Commande symétrique ou pleine onde – Charge inductive
4.2.2. Commande décalée – Charge inductive
4.2.3. Tension en escalier
4.2.4. Commande M.L.I.
4.2.4.1. M.L.I. pré-calculée ou M.L.I. à neutralisation d’harmoniques
4.2.4.2. M.L.I. par découpage à fréquence élevée ou M.L.I. sinus-triangle
4.3. Principe d’un onduleur triphasé
V. Redresseurs et onduleurs assistés
5.1. Commutateurs de courant et redresseurs monophasés
5.1.1. Commutateur de courant à Thyristors
5.1.2. Pont redresseur monophasé à diodes (PD2 à diodes)
5.1.3. Pont redresseur monophasé mixte symétrique
5.1.4. Pont redresseur monophasé mixte dissymétrique
5.1.5. Pont redresseur monophasé mixte avec diode de roue libre
5.2. Commutateurs de courant et redresseurs triphasés
5.2.1. Commutateur de courant à Thyristors
5.2.2. Pont redresseur triphasé à diodes
5.2.3. Pont redresseur triphasé mixte
5.2.4. Pont redresseur triphasé mixte avec diode de roue libre
5.3. Commutateurs polyphasés de courant à thyristors
5.3.1. Étude de la tension redressée
5.3.2. Étude du courant alternatif
5.3.3. Cas d’un montage polygonal des sources de tension

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0. Généralités sur les convertisseurs statiques de puissance
Introduction
Dans l'architecture fonctionnelle générique d'un système pluri-technique, les convertisseurs
statiques de puissance assurent la fonction technique "DISTRIBUER" de la chaîne d'énergie. Ils
convertissent l'énergie électrique en énergie électrique de forme différente, et ne doivent donc pas
être confondus avec les convertisseurs électromécaniques (machines, vérins) de la fonction
"CONVERTIR".
0.1. L’électronique de puissance et le rôle des convertisseurs statiques
L'Electronique de Puissance est la branche de l'Electrotechnique qui a pour objet l'étude de la
conversion statique d'énergie électrique (notamment les structures, les composants, les
commandes et les interactions avec l'environnement …), c'est-à-dire l'échange d'énergie entre 2
systèmes électriques (réseaux ou actionneurs).
Cette énergie est disponible soit sous une forme alternative (réseau de distribution électrique,
alternateur …) soit sous une forme continue (batterie d'accumulateurs, génératrice à courant
continu, alimentation par caténaire …). Il est donc nécessaire d'assurer, d'une part, une fonction
de conversion de l'énergie électrique en rendant compatible les différentes caractéristiques
(tension, courant, fréquence) des 2 systèmes et d'autre part, une fonction de contrôle de cet
échange d'énergie. C'est le rôle des convertisseurs statiques.
Ceux-ci utilisent des semi-conducteurs (transistors, thyristors, diodes …) travaillant en
commutation, c'est-à-dire en interrupteur (ouvert-fermé) et des éléments réactifs (inductances,
condensateurs) pour assurer un rendement de conversion proche de 100 %.
L'Electronique de Puissance permet :
 une utilisation plus souple et plus adaptée de l'énergie électrique ;
 une amélioration de la gestion du transport et de la distribution de l'énergie électrique ;
 une discrétion par une réduction des masses et des volumes.
Elle est présente dans tous les grands secteurs technologiques (transport, production, santé …).
0.2. Fonctions de base et terminologie des convertisseurs statiques de
puissance

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Un convertisseur statique est un dispositif qui transforme de l'énergie électrique disponible en une
forme appropriée à l'alimentation d'un récepteur (= une charge). Les différentes possibilités ou
types de convertisseurs apparaissent sur le diagramme ci-après:
Chaque convertisseur est un montage des interrupteurs électroniques. Les pertes en conduction et
en commutation de ces interrupteurs ne doivent représenter qu’une fraction minime de l’énergie
convertie pour avoir un rendement élevé et réduire le poids et le coût des dispositifs de
refroidissement.
Remarque : la notion de REVERSIBILITE est très importante. Un convertisseur statique est dit
réversible lorsqu’il permet un transit de l’énergie dans les 2 sens.
0.3. Quelques exemples industriels
En plus des applications traditionnelles de l'électronique de puissance comme la traction électrique
et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application :
• La gestion du réseau de distribution :
o FACTS : Systèmes de Transmission Flexible en Courant Alternatif,
o Filtrage actif et amélioration du facteur de puissance,
o HVDC : Transmission en courant continu HTA.
• L'électroménager :
o variateurs divers,
o alimentations à découpage,
o plaques de cuisson à induction.
• Les appareils portables (caméscopes, ordinateurs, etc.) :
o chargeurs d'accumulateurs intelligents,
o conversion CC / CC TBT.
• L'automobile : très forte augmentation de l'utilisation de l'énergie électrique dans les
automobiles actuelles et en perspective : il y aura un très gros marché au moment du
passage prévu, (mais retardé ?) en 42 V par exemple avec les véhicules hybrides.