Convertisseurs d'énergie : Hacheurs DC/DC

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Les convertisseurs d’énergie
I. Introduction :
Actuellement le transport de l'énergie électrique est effectué par des réseaux triphasés
(trois tensions sinusoïdales déphasées entre elles de 2 /3) à la fréquence de 50Hz. Cette
énergie est souvent utilisée soit en continu ou bien à des fréquences différentes de celle du
réseau. Afin de transformer le spectre du signal (amplitudes, fréquences, phases) fournit par le
réseau électrique, les convertisseurs statiques est une solutions largement utilisée actuellement
dans les applications domestique et industriel. Les convertisseurs statiques sont des systèmes
réalisés à partir de composants électroniques de puissance utilisés comme interrupteurs.
II. Les différents types des convertisseurs :
Dans les applications de conversion d’énergie, il existe quatre types de
convertisseurs (Figure 1):
1. Convertisseur continu-continu (DC/DC) : Les hacheurs pour la commande des
moteurs à courant continu (vitesse variable) ou pour les alimentations à découpage.
2. Convertisseur continu-alternatif (DC/AC): Les onduleurs pour la production de
tensions alternatives, protection contre les surtensions et coupures de réseau
(informatique), commande des machines à courant alternatif.
3. Convertisseur alternatif-continu (AC/DC): Les redresseurs pour l’alimentation des
moteurs à courant continu, charge des batteries ;
4. Convertisseur alternatif-alternatif (AC/AC): Les gradateurs lorsque uniquement la
valeur de la tension efficace alternative est modifiée. Ce type de convertisseur est
nommé aussi cycloconvertisseur quand la valeur de la fréquence est transformée. Le
cycloconvertisseur permet la production des vitesses variables en alternatif (levage,
machine-outil, ascensseur, …).

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Source
continue
Charge
continue
Source
alternative
Charge
alternative
Hacheur
(Variation d’amplitude)
Gradateur
(Variation d’amplitude)
Cycloconvertisseur
(Variation de fréquence)
Onduleur
Redresseur
Figure 1 : Les différents types de convertisseurs
Les sources de la figure 1 vont véhiculer l'énergie électrique et les charges sont les dispositifs
qui utilisent cette énergie notamment la consommer ou bien la transformer. Les principales
sources continues sont:
- les génératrices à courant continu,
- Les dispositifs de stockage d’énergie (batteries, piles),
- les sorties des redresseurs et des hacheurs (ou des alimentations à découpage)….
Les différentes sources alternatives sont:
- Les alternateurs (les centrales thermiques, éoliennes, …).
- Le réseau électrique (monophasé ou triphasé).
- Les onduleurs (variation de fréquence pour les applications de tractions par exemple).
Pour les charges il s'agira de :
- moteurs électriques (alternatifs ou continus)
- Les divers appareils électriques.
III. Les hacheurs :
Les hacheurs réalisent une conversion continu-continu (DC-DC) (Figure 2). Placés entre
un générateur et un récepteur (non isolé), tous les deux à courant continu, ils permettent de
codifier la tension appliquée au récepteur ou le courant y circule. En revanche la conversion
continu-continu qui comporte un transformateur assurant l'isolation galvanique s’appelle

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alimentations à découpage (cas des alimentations de PC…). Les hacheurs peuvent être divisé
en deux grande famille : hacheurs directs et hacheurs indirects.
- Les hacheurs directs assemblent un générateur et un récepteur qui se comporte l’un
comme une source de tension et l’autre comme une source de courant. Les hacheurs
intègrent aussi des interrupteurs de puissance entre le générateur et le récepteur.
- Les hacheurs indirects assemblent un générateur et un récepteur de même type. Ce
type d’hacheur intègre des interrupteurs de puissance et un dispositif de stockage
d’énergie.
Entrée
Sortie
DC
DC
Figure 2: Schéma de principe du hacheur.
III.1. Intérêt des hacheurs :
Le montage la plus simple pour codifier une tension continue fixe à une tension
continue variable est le montage potentiomètre pont diviseur comme illustré dans la figure 3.
R1
R2RC
US
UE
IE
IS
Figure 3 : Montage potentiométrique.
On pose R = R1 + R2 / R1= .R et R2= (1- ).R
Appliquons la relation du diviseur de tension : US=(R2/R2+R1)UE = (1- ).UE
Pour =0, la tension de sortie sera égal à l’entrée US= UE

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Pour =1, la tension de sortie sera égal à zéro US= 0.
Bien que le pond diviseur permet de modifier la valeur de la tension de sortie, son rendement
reste, critique, est loin d’être acceptable.
Le rendement du circuit pont diviseur s’écrit : = PS/PE / PS = US. IS et PE = UE. IE
Après calculs le rendement peut être écrit sous la forme :
)))((( .
2122
2
2RRRRRRR RR
CCC
C
En remplaçant R2 et R1 par leurs valeurs le rendement s’écrit alors :
232222
2
2)2(
.RRRRRRRR RR
CCC
C
Le rendement est maximal quand RC = R2 = (1- )R
A titre d’exemple soit R1 = R2 = RC (soit =1/2), on obtient : = 1/6 = 16%. Soit 84% de la
puissance est dissipée dans le pont diviseur.
En effet le montage pont diviseur est rentable uniquement pour les faibles puissances
(quelques watts). En électronique de puissance cette solution est a évitée et le montage
hacheur est solution alternative.
III.1. Les hacheurs séries :
L’optimisation du rendement nécessite la substitution du pont R= R1 + R2 par des
interrupteurs de puissance. L’interrupteur qui contrairement au pont de résistance ne dissipe
pas (ou peu en pratique) de puissance. Les interrupteurs K1 et K2 hachent la tension
d’alimentation U et permettent de modifier la tension de sortie.
R1
R2RC
US
UE
IE
IS
Uu'
i I'
K1
K2
vK2
vK1
iK1
iK2
(a) (b)
Figure 4 : Principe du hacheur série. (a) pont diviseur et (b) hacheur série.

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Dans la pratique les interrupteurs K1et K2 sont des interrupteurs de puissance complémentaires
(jamais les deux fermés et ouverts) afin d’éviter le court-circuit du générateur et notamment la
mise en l’air du récepteur (source de courant).
III.1.1 Principe du fonctionnement du hacheur série :
Afin de sélectionner les interrupteurs semi-conducteurs K1 et K2 (commandé ou non
commandé), il faut étudier leurs caractéristiques statiques (ik1 = f(vk1) et ik2 = f(vk2)) :
1. Si K1 est fermé et K2 est ouvert alors : ik1 = I’, ik2 = 0, vk1 = 0 et vk2 = -U.
2. Si K2 est fermé et K1 est ouvert alors : ik1 = 0, ik2 = I’, vk1 = +U et vk2 = 0.
La figure 5 a et b présente les caractéristiques statiques idéales de K1 et K2.
ik1
vk1
I’
U
0
ik2
vk2
I’
-U
0
(a)
(b)
Figure 5. (a) Les branches des caractéristiques des interrupteurs K1 et (b) de l’interrupteur K2.
D’après ces caractéristiques, il est clair que K1est un interrupteur commandé (un transistor par
exemple) et K2 est un interrupteur non commandé (une diode). Puisque l’interrupteur
commandé est branché en série avec la source et la charge le hacheur est dit série. La figure 6
présente le montage hacheur avec des composants de puissance ou K1 a été remplacé par un
transistor et K2 par une diode. Dans la pratique le choix de ces composants dépend de la
puissance et de la fréquence du fonctionnement du système à étudier (Figure 7).