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CS Conversion statique d’énergie cours CS-2 Hacheur
Lycée Jules Ferry Page 1 sur 5 TSI1
1- Introduction : Analyser
Dans l’architecture fonctionnelle générique d’un système pluri technologique, les convertisseurs (ici le hacheur série)
assurent la fonction technique « DISTRIBUER » de la chaîne d’énergie.
Les hacheurs opèrent une conversion continu - continu. Leur principal domaine d'application est
l'alimentation des machines à courant continu (MCC), en vue d'obtenir une vitesse variable. Ils peuvent
ou non transférer dans les deux sens de l’énergie entre une source de tension constante V et une
charge de type courant (MCC  charge R, L, E).
Analyser
Modéliser
Résoudre
Expérimenter
Concevoir
Réaliser
Communiquer
Choisir une démarche de résolution
%
Savoirs faires associés
§
bilan
Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions et des
puissances échangées
2 et 3
Procéder à la mise en œuvre d'une démarche de résolution analytique
%
Savoirs faires associés
§
bilan
Déterminer les courants et tension dans les composants
Déterminer les puissances échangées
Déterminer les énergies transmises ou stockées
2 et 3
Cours
Cours CS 2
TSI1
TSI2
La Conversion Statique d’Energie
X
Période
Conversion statique DC – DC : Hacheur série
1
2
3
4
5
Cycle 5 :
Conversion statique d’énergie
Durée :
4 semaines
X

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2- Hacheur série ou abaisseur de tension :
Le hacheur série permet de transférer l’énergie d’une source de tension continue (batterie d’accumulateur,
alimentation stabilisée, etc.) vers une charge de type source de courant (moteur à courant continu).
Lors des phases de freinage, on peut récupérer une partie de l’énergie cinétique en faisant transiter la
puissance de la MCC vers la source (fonctionnement génératrice).
Le convertisseur devra alors être réversible en courant et / ou tension.
On rencontre ces convertisseurs dans la chaîne d'énergie des produits industriels suivants :
2-1 Structure du hacheur série :
Le hacheur série, dit aussi hacheur abaisseur permet d'associer une source de tension dont la tension est toujours
positive (V > 0) avec une source de courant dont le courant ne peut devenir négatif (I > 0).
La source de courant est souvent une machine à courant continu éventuellement en série avec une bobine de lissage.
Le hacheur série est constitué de deux interrupteurs K1 et K2 fonctionnant de manière périodique (soit T la période de
hachage) et complémentaire :
K2 = K1
iK2
vK1
Ve
is
vs
Ve
K1
K2
is
ie
vs
ie
vK2
iK1

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2-2 Formes d’ondes et contraintes sur les interrupteurs : Résoudre
On note αT (0 < α < 1) la durée de fermeture de l'interrupteur
K1 (= 1).
α est le rapport cyclique :
Composants :
Quadrant de fonctionnement
Le hacheur série peut donc se représenter de la manière suivante :
2-3 Etude du hacheur sur une charge RLE (moteur à courant continu) :
Un moteur à courant continu soumis à une tension présentant des variations instantanées importantes
présente une ondulation de courant qu’il faudra réduire pour améliorer le fonctionnement de la machine.
La source de courant n’est désormais plus considérée comme parfaite.
Cependant, pour faciliter les calculs d’ondulation du courant on pourra faire l’hypothèse simplificatrice
suivante :
Transistor
Diode
Le hacheur série n’est ni
réversible en tension
(Vsmoy > 0),
ni réversible en courant
(I > 0).
ik2
vk1
vk2
ik1
Vs
Is
-Ie
vs
t
αT
T
T+αT
0
t
αT
T
T+αT
0
t
αT
T
T+αT
0
t
αT
T
T+αT
0
Ve
Ve
vk1
Ie
ik1
Ve
vk2
ik2
0
αT
T+αT
T
t
Usmoy = αVe
Ve
T1
is
ie
vs
D2
iD2

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Hypothèse :
La constante de temps électrique du moteur est très supérieure à la période de découpage du hacheur :
L / R >> TH
2-4 Limitation de l’ondulation de courant : Résoudre
Les pertes par effet joules dans le moteur ainsi que dans les composants sont proportionnelles au carré de
la valeur efficace de is(t). (Is)
Le couple du moteur lui dépend de la valeur moyenne de is(t). (<Is>)
On a tout intérêt à réduire au maximum la valeur efficace du courant de sortie du hacheur pour limiter les
pertes sans diminuer valeur moyenne de celui-ci.
Calcul de la valeur moyenne de vs :
<Vs> = α.Ve
<Vs> = E + R.<is>
Etude du courant dans la charge en régime établi :
Entre 0 et αT :
Ldis/dt = Ve - <vs> = (1 – α).Ve
Entre αT et T :
Ldis/dt = - <vs> = - α.Ve
Relations entre I0 et I1 :
Ondulation du courant is(t) :
t
αT
T
T+αT
0
vs
t
αT
T
T+αT
0
t
αT
T
T+αT
0
t
αT
T
T+αT
0
I1
Ve
is
I1
ie
I1
iD2
I0
I0
I0
Δis
iD2
Ve
T1
is
ie
vs
D2
R
E
l
L
Inductance de lissage
<vs>

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Sachant que :      
Il faut donc réduire la composante ondulatoire du signal is(t) qui est proportionnelle à Δis.
D’après la relation établie précédemment, on constate que l’ondulation de courant est maximale pour
α = 0,5.
On en déduit la relation suivante :   
On peut donc réduire l’ondulation du courant Δis de deux manières :
3- Hacheurs entrelacés : Résoudre
Pour réduire la taille des composants du filtre, on multiplie par n la fréquence de hachage en faisant
fonctionner en parallèle n hacheurs de même période T et de même rapport cyclique α, mais dont les
commandes des interrupteurs sont décalées de T/n les unes par rapport aux autres.
On parle alors de hacheurs entrelacés.
Exemple : chronogrammes de trois hacheurs entrelacés pour 0 < α < 1/n
Tout se passe comme si on avait un seul hacheur qui fonctionnerait à la fréquence nf.
Dans ces conditions, il est possible de réduire l’importance de l’inductance de lissage, celle-ci étant
désormais calculée pour la fréquence fondamentale F = nf au lieu de f.
- En augmentant la fréquence, mais on sera limité par la fréquence maximale de commutation de
l’interrupteur qui compose le hacheur.
- En augmentant l’inductance L par ajout d’une bobine de lissage entre la sortie du hacheur et la
charge, mais on sera limité par l’encombrement et la masse.
αT
t
0
t
0
t
0
t
0
t
0
I1
I2
I3
Ie
Is
2T/3
T/3
T
T3
Ve
T2
I2
ie
R
E
l
L
<vs>
T1
I1
L
I3
L
Is