Conversion électronique de puissance

PSI Moissan 2012 Conversion ´electronique Mars 2013
Conversion ´electronique de puissance
Le but des montages de conversion ´electronique de puissance que nous allons ´etudier est de transf´erer de
la puissance d’une source continue `a une charge aliment´ee en continu. Les transformateurs ne peuvent ˆetre
utilis´es car ils n´ecessitent des grandeurs alternatives pour faire fonctionner les ph´enom`enes d’induction.
I Introduction
I.1 Puissances mises en jeu
L’´electronique de puissance est le domaine des courants de forte intensit´e et des fr´equences g´en´eralement
basses de l’ordre de 50 Hz (fr´equence du secteur).
Exemples :
– Variateur, convertisseur qui permet le r´eglage d’une lampe halog`ene : 0.5 kW,
– Moteur ´electrique continu des trains `a grande vitesse : 5 MW
– Alternateurs de centrales ´electriques : 5 GW.
Outre les caract´eristiques du signal d’entr´ee et de sortie du convertisseur, la valeur du rendement est un
objectif primordial, compte tenu des puissances mises en jeu.
I.2 N´ecessit´e de la commutation
I.2.1 Montage diviseur de tension
Le montage de base qui permet de r´ealiser une transformation de tension continue est le montage du
diviseur de tension, `a r´esistance ´eventuellement variable
e
R
i
RU
La puissance utile est alors PuUi et la puissance consomm´ee Pcei, d’o`u un rendement
ηPu
Pc
Ui
ei
U
e
qui est donc tr`es mauvais d´es que la charge n’est pas adapt´ee `a l’alimentation (en raison de l’effet Joule
dans la r´esistance variable qui absorbe de l’´energie).
I.2.2 Commutation
Si la charge est aliment´ee de mani`ere p´eriodique, mais avec une tension non nulle sur une partie de
la p´eriode seulement, alors aucune ´energie n’est consomm´ee pendant la partie de la p´eriode o`u la tension
est non nulle. Cette situation implique la pr´esence de commutations dans le montage, donc d’interrup-
teurs command´es. Par ailleurs, le fonctionnement du convertisseur impose alors l’utilisation d’´el´ements
de stockage d’´energie pour alimenter la charge lorsque la source d’entr´ee ne l’alimente plus.
1

PSI Moissan 2012 Conversion ´electronique Mars 2013
e
K
RU
t
K
T
αT
passant
bloqu´e
αest le rapport cyclique et donne la fraction de p´eriode pendant laquelle l’interrupteur est ferm´e.
L’interrupteur est consid´er´e comme id´eal : il se comporte comme un fil de r´esistance nulle en mode passant
et comme une r´esistance infinie lorsqu’il est bloqu´e.
On a r´ealis´e une alimentation `a d´ecoupage ou hacheur. La tension Uaux bornes de la charge vaut
UE qd t 0, αT
0 ailleurs
La tension moyenne est donc
U1
T
T
0
Udt 1
T
αT
0
Edt αE
En moyenne, la tension est donc abaiss´ee d’un facteur α.
La puissance instantan´ee fournie par le g´en´erateur Pcest
PcUi E2
Rqd t 0, αT
0 ailleurs
La puissance moyenne consomm´ee est donc
Pc
1
T
T
0
Psdt 1
T
αT
0
E2
Rdt αE2 R
Avec le mˆeme raisonnement, la puissance consomm´ee par la charge est aussi
Pu
E2
R
Le rendement du montage est donc de 100 %.
Remarque importante La fonction de commutation ne doit pas perturber le circuit. Par exemple, un
circuit de commutation pour ampoule `a basse tension ne doit pas faire clignoter l’ampoule. De mani`ere
´equivalente, il faut pour que la mod´elisation pr´ec´edente soit valide, que la charge aliment´ee soit effective-
ment sensible `a la valeur moyenne de la tension. Il faut donc que le temps caract´eristique d’´evolution du
circuit soit tr`es grand devant la p´eriode de commutation, ce qui implique des fr´equences de commutations
´elev´ees.
II Commutation
II.1 Interrupteur id´eal
´
Etats de l’interrupteur L’interrupteur id´eal poss`ede deux ´etats :
2

PSI Moissan 2012 Conversion ´electronique Mars 2013
– l’´etat passant (ou ferm´e) o`u l’interrupteur Kest ´equivalent `a un court circuit. La tension `a ses
bornes est nulle et l’intensit´e d´epend du circuit
– l’´etat bloqu´e (ou ouvert) o`u l’interrupteur est ´equivalent `a un circuit ouvert. La tension `a ses bornes
est impos´ee par le circuit ext´erieur et l’intensit´e qui le traverse est nulle.
i
u0u
ipassant
i0
uu
ibloqu´e
Changement d’´etat de l’interrupteur Le passage du mode bloqu´e au mode passant est l’amor¸cage,
le changement inverse est le blocage. Ce changement peut ˆetre spontan´e ou command´e. On consid´erera
dans le mod`ele de l’interrupteur parfait que ces changements d’´etat sont instantan´es.
Puissance On remarquera que l’id´ealit´e de l’interrupteur entraine le fait qu’il ne consomme pas d’´energie
puisqu’en permanence ui 0.
Il existe deux composants ´electroniques susceptibles d’assurer la fonction de commutation : la diode et le
transistor, les interrupteurs m´ecaniques ´etant trop lents pour assurer une commutation efficace.
II.2 Fonction diode
Une diode est un interrupteur non command´e (ou spontan´e). C’est un dipˆole dans lequel le courant
ne peut passer que dans un seul sens, de A(anode) vers K(cathode).
iA K
u
u
i
Une diode parfaite est passante si i0, et dans ce cas u0, ou bloqu´ee si u0, et dans ce cas i0.
On en d´eduit les conditions de blocage et d’amor¸cage :
– la diode se bloque lorsque le courant qui la traverse s’annule (puisque la tension est de toute mani`ere
constante et ´egale `a 0),
– la diode devient passante lorsque la tension `a ses bornes tend `a devenir positive.
II.3 Fonction transistor
Le transistor est un interrupteur command´e. C’est un composant `a 3 bornes dans lequel le courant ne
peut passer que dans le sens A(anode) vers K(cathode).
3

PSI Moissan 2012 Conversion ´electronique Mars 2013
iA K
u
u
i
Dans l’´etat passant, i0 et u0 et le courant doit rester positif. Dans l’´etat bloqu´e, i0 et u0, la
tension devant rester positive. Les conditions de blocage et d’amor¸cage sont alors
– le transistor se bloque lorsque le signal de commande est envoy´e et que i0 et u0,
– le transistor devient passant lorsque le signal de commande est envoy´e et que i0.
Remarque La diode et le transistor sont deux interrupteurs unidirectionnels en tension et en courant.
La tension et le courant `a leur bornes ne peuvent pas avoir des valeurs qui changent de signe. Pour obtenir
des interrupteurs bidirectionnels (et donc utiliser des machines r´eversibles) il faut combiner des diodes et
des transistors pour obtenir la caract´eristique voulue.
III Sources de courant et sources de tension
Dans la suite, le terme de ”source”, de mani`ere trompeuse, est utilis´e aussi bien pour qualifier le
g´en´erateur que le r´ecepteur, cette convention permettant de traiter les machines r´eversibles.
III.1 Source parfaite de tension
Une source parfaite de tension est une source pour laquelle la tension `a ses bornes est constante,
quelles que soient les variations de l’intensit´e qui la traverse.
t
u
t
i
e
ferm´e
ouvert
caract´eristique
u
i
e
e
i
convention g´en´erateur
III.2 Source parfaite de courant
Une source parfaite de courant est une source pour laquelle l’intensit´e `a ses bornes est constante,
quelles que soient les variations de tension qui la traverse.
4

PSI Moissan 2012 Conversion ´electronique Mars 2013
t
i
t
u
η
ferm´e
ouvert
caract´eristique
u
i
η
i
u
η
convention g´en´erateur
III.3 Sources r´eelles
Dans la pratique, les sources ne sont jamais parfaites, on peut alors leur associer une repr´esentation
de Th´evenin (source de tension) ou de Norton (source de courant).
III.3.1 Source r´eelle de tension
La repr´esentation d’une source r´eelle de tension est la suivante :
e
i
R
u
Une modification brutale de l’intensit´e `a ses bornes provoque alors une chute de tension car u e Ri
t
u
t
i
∆ue
ferm´e
ouvert
caract´eristique
u
i
e
5