Conversion dc/dc - Conception électronique, technologie et énergie

ÉCOLE PO LY TEC H N IQ U E
FÉD ÉR A LE D E LA U SA N N E
Cours d’´electronique de puissance
Conversion DC/DC
Professeur A. Rufer
P. Barrade

Table des mati`eres
1 Conversion DC/DC 2
1.1 Introduction .................................. 3
1.2 G´en´eralit´es .................................. 4
1.2.1 Repr´esentation du convertisseur DC/DC .............. 4
1.2.2 Repr´esentation des sources ...................... 5
1.2.3 Fluence d’´energie ........................... 6
1.3 Convertisseurs un quadrant ......................... 7
1.3.1 Convertisseur buck .......................... 7
1.3.2 Convertisseur boost .......................... 25
1.3.3 Convertisseur buck–boost ...................... 39
1.3.4 Synth`ese ................................ 54
1.4 Convertisseurs deux quadrants ........................ 55
1.4.1 Introduction .............................. 55
1.4.2 Repr´esentation des sources ...................... 56
1.4.3 Structure ............................... 56
1.4.4 Relations fondamentales ....................... 64
1.4.5 Synth`ese ................................ 69
1.5 Convertisseurs quatre quadrants ....................... 69
1.5.1 Introduction .............................. 69
1.5.2 Repr´esentation des sources ...................... 70
1.5.3 structure ................................ 71
1.5.4 Relations fondamentales ....................... 80
1.5.5 Synth`ese ................................ 86
1.6 Synth`ese g´en´erale ............................... 87
1

Chapitre 1
Conversion DC/DC
2

CHAPITRE 1. CONVERSION DC/DC 3
1.1 Introduction
Le pr´esent chapitre traite de la conversion DC/DC, qui a pour but d’assurer la fluence
d’´energie entre une source de tension continue et une source de courant continu.
La mise en œuvre de tels convertisseurs se justifie dans les cas suivants :
– on doit alimenter une source continue, et l’on dispose d’embl´ee d’une alimentation
continue, de type batterie par exemple. Il est important dans ce cas de disposer
d’un convertisseur direct qui permette d’assurer la fluence d’´energie entre de telles
sources,
– on doit alimenter une source continue, mais l’on dispose d’une source d’alimentation
alternative. La conversion d’´energie peut se r´ealiser alors en deux ´etapes :
•conversion alternative–continue par un convertisseur de courant,
•conversion continue–continue, pour ajuster les valeurs des grandeurs de sortie
continues
Nous avons vu qu’un convertisseur de courant peut permettre `a lui seul d’assurer
la fluence d’´energie entre une source alternative et une source continue. Cependant,
par la mise ((en s´erie)) d’un convertisseur DC/DC (appel´e ´egalement convertisseur
de courant continu `a pulsation), on tire parti de la carat´eristique de ces derniers
de fonctionner `a fr´equence de commutation ´elev´ee. Ceci repr´esente un avantage
ind´eniable dans le dimensionnement de tout filtre de lissage, ainsi que dans le
comportement dynamique d’un tel syst`eme [1].
Pour ce type de convertisseur statique, la gamme de puissance que l’on peut ((traiter))
s’´etend de quelques watts, `a une trentaine de kilowatts environ. Cependant, l’apparition
de composants de puissance sans cesse plus performants, tout comme la d´efinition de
nouvelles structures (multiniveau en particulier), permettent d’envisager le traitement
de puissances plus ´elev´ees.
Nous distinguons deux types de convertisseurs continus–continus :
– les convertisseurs appel´es ((hacheurs)), qu’ils soient abaisseurs, ´el´evateurs ou bien
d´evolteurs–survolteurs, qui correspondent aux applications moyenne et forte puis-
sance,
– les alimentations `a d´ecoupage, qui correspondent aux applications petite puis-
sance de la conversion DC/DC. Elles constituent l’alimentation de tout mat´eriel
´electronique en g´en´eral.
Bien que de structure et de principe de fonctionnement extrˆemement proches, ces
deux familles de convertisseur DC/DC se distinguent par les deux points suivants :
– les alimentations `a d´ecoupage comportent, au sein des cellules de commutation, des
transformateurs qui permettent :
•d’assurer un isolement galvanique,
•d’´elever ou d’abaisser des niveaux de tension et de courant.
– alors que l’ordre de grandeur de la fr´equence de d´ecoupage d’un hacheur est de
l’ordre de plusieurs dizaines de kilohertz (et en tout cas sup´erieur `a 20kHzpour

CHAPITRE 1. CONVERSION DC/DC 4
obtenir un syst`eme silencieux), la fr´equence de pulsation d’une alimentation `a
d´ecoupage peut ˆetre de plusieurs centaine de kilohertz.
Cela ´etant, ind´ependamment de la pr´esence d’un transformateur, le fonctionnement
des alimentations `a d´ecoupage repose sur les mˆeme principes que le fonctionnement d’un
hacheur, dont elles sont issues. Dans cet expos´e, nous centrerons nos propos sur les
applications de moyenne et forte puissance que repr´esentent les hacheurs 1.
Nous aborderons les points suivants :
– les structure de base des convertisseurs DC/DC ((un quadrant)), avec la d´efinition
de la cellule de commutation, ainsi que l’´etude des m´ecanismes de commutation,
– g´en´eralisation aux convertisseurs DC/DC ((deux quadrants)), avec la d´efinition du
convertisseur r´eversible en courant,
– convertisseur DC/DC ((quatre quadrants)), ou encore convertisseur r´eversible en
courant et en tension,
– alimentations `a d´ecoupage de type fly–back et forward.
1.2 G´en´eralit´es
1.2.1 Repr´esentation du convertisseur DC/DC
Un convertisseur DC/DC a pour vocation d’assurer la fluence d’´energie entre une
source de tension continue et une source de courant continu.
La repr´esentation symbolique la plus couramment utilis´ee est donn´ee Fig. 1.1(a).
U
e
I
e
U
s
I
s
convertisseur
DC/DC
==
U
s
I
s
U
e
I
e
convertisseur
DC/DC
==
Fig. 1.1(a) Fig. 1.1(b)
Repr´esentation courante Seconde repr´esentation
Fig. 1.1 – Convertisseur DC/DC
Une telle repr´esentation peut laisser penser que dans tous les cas de figure, la source
de courant Issera la charge qui, suivant les modes de fonctionnement, absorbera ou
restituera de la puissance, alors que la source de tension Ueest l’alimentation, susceptible
de fournir ou de stocker de la puissance.
Pour certains convertisseurs, on est amen´e `a changer une telle repr´esentation, surtout
si la fluence d’´energie ne peut se faire que de la source de courant vers la source de tension
1. Nous ne ferons qu’exposer succinctement le principe de fonctionnement des alimentations `a
d´ecoupage. Pour un expos´e d´etaill´e, le lecteur pourra consulter [2], qui constitue le manuel de r´ef´erence
en la mati`ere.