Convertisseur alternatif/continu à diodes

École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers
Centre d’Enseignement et de Recherche - LILLE
Texte de Travaux Pratiques
en
ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE
CONVERTISSEURS ALTERNATIF/CONTINU
A DIODES
Professeur : Jean-Pierre CARON
Janvier 1998
A-. Introduction théorique
Présentation d’un système élémentaire de conversion statique d’énergie électrique
Le système à conversion statique d’énergie de la figure A.1 est qualifié d’hybride puisque formé d’une
partie continue (la source Sv de tension sinusoïdale vs et les éléments passifs de modélisation Lr, de la
bobine) et d’une partie discontinue (les diodes fonctionnant en tout-ou-rien : interrupteur ouvert ou
fermé).
Le transfert énergétique entre Sv et la bobine est conditionné par l’état des diodes DD
12
, ; il dépend
également des mécanismes de changement d’état.
v
S
i
i
u
L
r
D
D
s
v
m
m
1
2
convertisseur bobine
Figure A.1 Structure du système de conversion
A.1 Caractérisation de l’interrupteur idéal diode
La diode de puissance est un composant semi-conducteur à deux bornes (Anode, Cathode) dont la
caractéristique statique courant(tension) s’apparente à celle d’un dipôle interrupteur qui permet sous
certaines conditions d’établir une connexion binaire (état ouvert ou bloqué - état fermé ou passant) dans
un circuit électrique. Pour l’étude fonctionnelle de la conversion d’énergie, les raisonnements sont
construits à partir du concept d’interrupteur idéal. Dans la pratique, les limites et contraintes de
fonctionnement modifient quelque peu les propriétés, démontrées théoriquement dans le cas idéal, et les
performances du convertisseur. Les notices des fabricants permettent de connaître ces limitations et de

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choisir les composants en fonction de leur environnement électrique et des objectifs fixés ; l’observation
expérimentale rend compte de l’influence des imperfections des semi-conducteurs de puissance.
L’interrupteur idéal diode D est un élément énergétiquement neutre, siège d’aucune perte d’énergie et
muni des propriétés suivantes :
• chute de tension nulle à l’état passant,
• courant nul à l’état bloqué,
• passage instantané d’un état à l’autre.
Sa caractéristique statique (voir fig. A.2) est confondue avec deux demi axes non bornés du référentiel
(,)vi
DD
:
− interrupteur ouvert : iv
DD
=<00, ;
− interrupteur fermé : iv
DD
>=
00, .
v
i
D
f
Anode cathode
symbole
diode
interrupteur
connexion f
D
D
iD
vD
0fermé
ouvert
Figure A.2 Symboles et caractéristique statique
Sa caractéristique dynamique est représentée par un réseau de Petri d’état interprété à deux places et à
deux transitions (voir fig. A.3), proche du Grafcet pour les machines séquentielles.
A chaque place numérotée est associée une action définissant la configuration de la connexion f :
• place 0, interrupteur ouvert, connexion rompue, fonction de connexion f = 0 ;
• place 1, interrupteur fermé, connexion établie, fonction de connexion f = 1.
Les places sont reliées entre elles par des arcs orientés.
La transition, marquée d’un trait, définit la possibilité d’évolution d’une place à une autre dans le sens
des flèches ; la condition logique de franchissement est appelée réceptivité, elle est écrite à côté de la
transition correspondante ou dans un tableau annexe.
La présence du marqueur ou jeton (point noir) signale que la place est active, sinon elle est inactive.
Une place active valide toutes ses transitions de sortie qui ne peuvent être franchies que de manière
exclusive. Une transition validée est instantanément franchie lorsque sa réceptivité est vraie. Le
franchissement entraîne la désactivation de l’étape (ou place) précédente et l’activation de l’étape
suivante.
liaison place
transition
numéro
marqueur
réceptivité
action
CO CF
f = 1
f = 0
1
0
1
2
Constituants d'un RdP RdP d'un interrupteur idéal
Figure A.3 Caractéristique dynamique d’un interrupteur

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3
Les conditions du changement d’état, ou de fermeture et d’ouverture (respectivement CF et CO),
constituent la commande codant les réceptivités des transitions. Pour la diode, la commande est dite
interne car elle ne concerne que le signe de sa tension vD et de son courant iD :
CF vD →↑=0(1)
(fermeture lors du passage à 0 de vD par valeur croissante)
CO iD →↓=0(2)
(ouverture lors du passage à 0 de iD par valeur décroissante)
Le changement d’état produit par la commande interne est dit spontané : sur la caractéristique
statique, le point de fonctionnement évolue continûment d’un segment de tension (resp. de courant) à un
segment de courant (resp. de tension) de signe opposé en passant par l’origine du référentiel.
En synthèse, on associe à l’interrupteur idéal diode son équivalence fonctionnelle (voir fig. A.4)
décomposée en partie opérative (PO) : la connexion f et en partie commande (PC) : le réseau de Petri
(RdP) interprété. Cette représentation sera étendue à tout groupe d’interrupteurs déterminant ainsi le
modèle de connaissance de la structure considérée.
f = 1
f = 0
1
0
i
v
D
PC PO
f
Commande
interne
D
D
= 0
= 0
iD
iD
vD
vD
vD
iD
D
f
Figure A.4 Équivalence fonctionnelle de l’interrupteur idéal diode
A.2 Cellule de commutation
A.2.1 Définitions
La structure, constituée d’interrupteurs dipôles ayant une borne commune reliée à une source de
courant et les deux autres bornes connectées à des sources de tension, porte le nom de cellule de
commutation ; c’est en fait l’élément de base de tout convertisseur statique d’énergie électrique.
On rappelle les définitions (duales) des sources idéales respectivement de tension et de courant :
• Une source idéale de tension ( Sv) est un dipôle dont la tension aux bornes est indépendante du courant
qui le traverse.
Propriétés
• l’impédance interne est nulle,
• les bornes peuvent rester déconnectées de tout circuit électrique,
• la mise en court-circuit provoque une surintensité (danger) si la tension n’est pas nulle.
• Une source idéale de courant ( Si) est un dipôle dont le courant est indépendant de la tension aux
bornes.
Propriétés

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4
• l’impédance interne est infinie,
• les bornes doivent rester raccordées à un circuit électrique fermé assurant ainsi la circulation du
courant (non nul),
• l’ouverture du circuit provoque une surtension (danger) si le courant n’est pas nul.
Les condensateurs (capacité C) et les bobines (inductance L) sont des sources réactives car ils peuvent
emmagasiner et restituer de l’énergie. Ils se comportent en dynamique (sur un temps très bref) comme des
sources quasi idéales respectivement de tension et de courant. En effet une variation rapide de courant
(discontinuité) dans un condensateur ne modifie pas sa tension (mais seulement sa dérivée) et une
variation rapide de tension (discontinuité) aux bornes d’une inductance ne modifie pas son courant (mais
seulement sa dérivée). Par contre, imposer une discontinuité de tension aux bornes d’un condensateur, de
courant dans une bobine conduit toujours à un dommage (danger pour les humains et pour le matériel)
aux conséquences parfois très graves.
Le convertisseur à deux diodes est une cellule de commutation, le point commun aux cathodes est relié
à une source réactive de courant (bobine) et les deux anodes à une source idéale de tension ; le courant i
sortant des cathodes ne peut être que positif (voire nul) et il en est de même pour la tension um. Le signe
(−) pour i et um est obtenu en retournant borne pour borne les diodes ; une anode prenant la place d’une
cathode et inversement.
A.2.2 Description fonctionnelle de la cellule de commutation à diodes.
La cellule constituée de deux diodes présente en pratique trois configurations (voir fig. A.5) selon les
combinaisons d’états (ouvert (0), fermé (1)) des diodes ; la quatrième, logiquement possible et
correspondant aux deux diodes passantes simultanément, est de durée nulle (commutation instantanée) de
sorte qu’il est inutile de la représenter par une place dans le réseau de Petri.
Quelle que soit la configuration, les grandeurs courant, tension des diodes vérifient d’une part la loi des
noeuds :
ii i
DD12
+= (3)
et, d’autre part, la loi des mailles :
vv v
DD s12
−= (4)
i
D
D
vD
vi
D
f , f = 1
> 0
1
2
s
iD
vD
1
1
2
2
i
vs
D
vi
D
f , f
1
2
s
D
vi
D
f , f
1
2
s
111
222
= 0
= 0 = 0 = 0 = 0
= 1
> 0
Figure A.5 Notation et configurations
Comment s’effectue alors la commutation spontanée entre les deux diodes ?
Il s’agit des transitions () ( )12→ et () ()21→
A la place 1
D1 conduit : viif
DD111
01===,, tant que i > 0 ;

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5
D2 est bloquée : vvi f
DsD222
000
=− < = =
,,
tant que vs<0.
L’évolution de i est donnée par l’équation d’état :
Ldi
dt ri V t
s
+= 2
0
sin( ) ω
(5)
Le circuit inductif retarde l’évolution de i par rapport à celle de vs, autrement dit i est encore positif à
l’instant où vs change de signe pour devenir négatif. Par conséquent, la transition vers la place (2) ne peut
se produire qu’à partir de la mise en conduction de D2, ( vs↓=0 ), et à condition qu’elle entraîne
simultanément le blocage de D1.
Au passage de vs par zéro en décroissant, D2 entre en conduction et donc iD2 croît ; en raison de la
continuité de i et de la relation (3) iD1 décroît. Les diodes conduisent simultanément, imposant ainsi un
court-circuit à la source de tension ; vs devenant négative, iD2 tendrait vers l’infini + entraînant la
variation en sens inverse (infini −) de iD1. Au passage à zéro de iD1 (iD10↓= ), la diode D1 se bloque.
C’est toujours ce mécanisme de commutation (voir fig. A.6) qui se produit dans le cas des cellules à
diodes.
(i)
i
v
v
i
D1D2
s
vs
v
D1D2
(i)
−
−−
−
< 0
(1) (2)
départ
départ de
commutation
fin
fin de
commutation
00
Figure A.6 Mécanisme de la commutation spontanée
A la place 2
D1 est bloquée : vv i f
Ds D111
000=< = =,, tant que vs<0 ;
D2 conduit : viif
DD222
01
===
,,
tant que i > 0.
L’évolution de i, donnée par l’équation d’état :
Ldi
dt ri+= 0 (6)
est celle d’une exponentielle décroissante, de constante de temps
τ
=Lr/, théoriquement nulle au bout
d’une durée infinie. Une nouvelle commutation, cette fois-ci de D2 vers D1, intervient lorsque vs passe
par 0 en croissant ( vs↑=0 ). L’analyse précédente débouche sur la description fonctionnelle du système
de conversion (voir fig. A.7).
PC PO
f = , f =
v = 0
i = 0
f
f
i
vs
m
1
2
2
s
1
u
f
fL
r
12
0
f = , f =
2
1
f = , f =
2
1
00
011
0
v = 0
s
1
2
v = 0
s
i
vs
im