Première partie: Introduction aux convertisseurs et aux

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Première partie:
Introduction aux convertisseurs
et aux transformateurs de puissance

I - Introduction aux convertisseurs et aux transformateurs de puissance I - 7
I. Introduction aux convertisseurs
et aux transformateurs de puissance
Cette première partie comporte un seul chapitre, divisé en quatre points comme indiqué dans le
plan ci-dessous. Elle vise à détailler le contexte de la recherche.
Le premier point expose un bref historique de l'évolution des convertisseurs, en mettant l'accent
sur l'augmentation des performances obtenue par l'élévation des fréquences de découpage.
Le deuxième point présente les caractéristiques essentielles des pièces magnétiques qu'il est
nécessaire de connaître pour la bonne compréhension du texte, dans une approche essentiellement
descriptive.
Le troisième point illustre les idées précédentes par un exemple pratique de dimensionnement d'un
transformateur. Le lecteur peut ainsi percevoir, dans un cas simple, les variables principales dont le
concepteur doit tenir compte ainsi que les limitations des outils de calcul dont il dispose et sur
lesquelles nous nous pencherons ensuite.
Ces éléments ayant été clairement mis en place, le dernier point expose de manière détaillée les
objectifs de notre recherche.
Plan du chapitre
I.1 De l'alimentation série au découpage haute fréquence.......................................... 8
I.2 Transformateurs et inductances de puissance ........................................................ 15
I.3 Exemple de dimensionnement ................................................................................. 25
I.4 Objectifs de la thèse ................................................................................................... 33

I.1 – Introduction aux convertisseurs...: De l'alimentation série au découpage haute fréquence I - 8
I.1 De l'alimentation série au découpage haute fréquence
Pour répondre aux besoins multiples des utilisateurs, le domaine des convertisseurs de puissance a
subi comme d'autres d'importantes évolutions technologiques ces trente dernières années. Le bref
historique retracé ici rappelle comment l'introduction du principe du découpage et l'augmentation
des fréquences qui a suivi ont permis d'augmenter sensiblement les densités de puissance, suivant
une des demandes les plus insistantes du marché.
I.1.1 Exigences de l'utilisateur
Comme on l'a expliqué en introduction, la fonction essentielle d'un convertisseur de puissance est
double: d'une part adapter la "forme" de l'énergie aux besoins d'une charge (typiquement en
transformant une tension alternative en tension continue et/ou en modifiant le niveau de la
tension) et d'autre part stabiliser ce flux d'énergie en filtrant autant que possible les fluctuations de
la source.
Dans le principe, assurer ces deux fonctions n'est pas excessivement complexe: fabriquer une
alimentation élémentaire demande un nombre de composants relativement réduit. Mais l'utilisateur
privé ou professionnel a beaucoup d'autres exigences. Idéalement, un convertisseur doit en effet:
- délivrer une ou souvent plusieurs tensions parfaitement continues, éventuellement
ajustables et stables quel que soit le courant demandé;
- posséder un rendement élevé;
- présenter un niveau de sécurité élevé, notamment en répondant aux normes d'isolation
galvanique entre l'utilisateur et le réseau;
- posséder une fiabilité élevée relativement à la durée de vie de l'application, en ce
compris la résistance aux contraintes de l'environnement (vibrations, température,
humidité, etc);
- ne pas être une source de perturbations pour le réseau électrique amont ou les
équipements environnants ni être trop sensible aux perturbations émanant de ceux-ci
(compatibilité électromagnétique);
- être la plus petite et la plus légère possible;
- et bien entendu être de préférence peu coûteuse…
A ces exigences de base, il faut parfois ajouter des demandes supplémentaires liées à une
application particulière: une sécurité accrue pour les équipements médicaux, un coût
particulièrement bas pour les applications grand public, une fiabilité particulièrement élevée pour
les applications professionnelles, des contraintes précises de taille en tant que sous-ensemble d'un
autre équipement, des fonctions supplémentaires permettant par exemple le dialogue entre
alimentations ou la maintenance de l'équipement à distance, etc.
Satisfaire cet ensemble de contraintes est la gageure quotidienne des concepteurs d'alimentations.
On comprend donc que d'importantes recherches soient menées dans ce domaine, d'abord pour

I.1 – Introduction aux convertisseurs...: De l'alimentation série au découpage haute fréquence I - 9
apporter des solutions aux défis techniques ainsi posés, ensuite pour améliorer sans cesse la qualité
des convertisseurs dans un contexte commercial très concurrentiel.
L'histoire technologique récente des alimentations illustre très bien cette idée d'une évolution
dictée d'abord par les exigences de l'utilisateur. Nous l'évoquons brièvement ci-dessous, en partant
du principe de la conversion série, aujourd'hui dépassé, jusqu'aux alimentations à découpage haute
fréquence actuelles.
Ce chapitre étant essentiellement destiné au lecteur peu familier du domaine, nous n'entrerons pas
dans le détail des technologies les plus avancées. Signalons simplement que l'électronique de
puissance subit actuellement une évolution très rapide, moins connue mais comparable en ampleur
à celle qui a lieu dans le monde de l'électronique numérique et des télécommunications, et à
laquelle elle participe d'ailleurs activement.
I.1.2 Alimentation série
Jusqu'il y a une vingtaine d'années, la conversion de puissance AC/DC était réalisée au moyen
d'alimentations série.
+
-
source tfo 50Hz redressement filtrage régulation série charge
Vref Vout
Vballast
VC
Figure I-1: Schéma de principe d'une alimentation série (partie supérieure de la figure:
allure de la tension en fonction du temps en différents points du convertisseur)
Dans une telle alimentation, la tension alternative du réseau est d'abord abaissée au moyen d’un
transformateur. Un redressement suivi d'un filtrage permettent ensuite d'obtenir une tension
continue mais lentement variable à cause des fluctuations du réseau (VC). Enfin un transistor série
(appelé transistor "ballast") reprend à tout instant la différence entre cette tension variable et la
tension continue souhaitée à la charge (Vout). La partie supérieure de la Figure I-1 montre de
manière schématique l'allure de la tension en fonction du temps en différents points du
convertisseur.

I.1 – Introduction aux convertisseurs...: De l'alimentation série au découpage haute fréquence I - 10
Le principe de la régulation dans une telle alimentation consiste à demander plus de puissance que
nécessaire à la source pour faire face à ses éventuelles variations, et à dissiper à tout instant la
puissance excédentaire (Figure I-2). De ce fait, le transistor est constamment en zone linéaire et le
rendement vaut typiquement 40% à 50%, ce qui est très faible.
Vout
Vballast
V
t
VC
Figure I-2: Régulation de la tension
par le transistor ballast dans une alimentation série
Le transformateur voit une onde de tension sinusoïdale à la fréquence du réseau (50Hz). En
conséquence, son noyau est constitué d’un empilement de tôles laminées en acier, ce qui le rend
lourd et volumineux.
I.1.3 Alimentation à découpage
La technique du découpage, apparue environ dans les années soixante, a apporté une solution au
problème du mauvais rendement et de l'encombrement des alimentations série.
Dans une alimentation à découpage (Figure I-3), la tension du réseau est redressée et filtrée
comme précédemment, puis "découpée" à une fréquence nettement supérieure à celle du réseau
par un transistor alternativement passant et bloqué. Il en résulte une onde carrée de tension qu'il
suffit de lisser pour obtenir finalement une tension continue1. Comme dans l'alimentation série, un
transformateur assure à la fois l'isolation galvanique et l'adaptation grossière du niveau de tension à
celui demandé par la charge.
1 En toute rigueur, cette tension n'est pas parfaitement continue mais comporte toujours une petite composante
périodique appelée "ripple".