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Électronique de puissance

N. MesnierLycée Jules Ferry, Versailles

2018–2019

Définition (Électronique de puissance)

L’électronique de puissance concerne le traitement de l’énergie électrique. Ellepermet de convertir une énergie électrique disponible sous une forme donnée(continue, alternative, basse ou haute tension, etc.) en une autre.

(a) Micro-transformateur pour alimentationintégrée sur silicium (100 µW)

(b) Lampes fluorescentes alimentées par unonduleur résonnant (15 W)

(c) Véhicule hybride Porche 911 (120 kW) (d) Motrice de TGV Duplex (9,3 MW)

SII – PTSI | Électronique de puissance 2

Contexte & objectifs

ContextePour faire fonctionner les systèmes électriques il faut pouvoir les commander.

Objectifs du coursAcquérir les bases fondamentales d’électronique de puissance pour :

analyser la commande des machines électriques (moteurs) ;

choisir et dimensionner les composants permettant de piloter les moteurs (àcourant continu).

Plan du cours

1 Introduction2 Interrupteurs de l’électronique de puissance3 Convertisseurs continu-continu4 Onduleur

1 2 3 41

Introduction

Convertisseurs statiques

Les convertisseurs statiques convertissent une énergie électrique depuis unesource vers une charge. Dans le cas où la conversion est commandée, un signald’entrée contrôle les échanges d’énergie.

Sourceélectrique

Chargeélectrique

Convertisseurstatique

Signal de commande

puissances mises en jeu : de 100 W à 100 kW ;

courants : de quelques mA aux MA

Exemples : 103 A pour une locomotive ou 106 A pour lesalternateurs de centrale nucléaire.

Définition (Convertisseur statique)

Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

convertisseur de fréquence (⋆)

Onduleur

⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

Onduleur

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

Onduleur

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

Onduleur

Source

Continue

Source

Alternative

Charge

Continue

Charge

Alternative

Hacheur

Redresseur (⋆)

Gradateur

Onduleur

i Convertisseurs dynamiques

1 2 3 42

Interrupteurs de

l’électronique de puissance

Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

Interrupteur idéal

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Interrupteur ouvert

Interrupteur fermé

Commutation

les 4 quadrants

Interrupteur non commandé : la fonction diode

Commutation

Caractéristiquestatique

amorçage

blocage

Caractéristiquedynamique

2 états :

Passante : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloquée : i(t) = 0 si u(t) < 0

Commutation

amorçage

blocage

2 états :

Commutation

amorçage

blocage

2 états :

Exemple : redressement simple alternance

Exemple : redressement double alternance

Interrupteur commandé : la fonction transistor

MOSFET

Commutation

Caractéristique

statique

<amorçage

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0

MOSFET

Commutation

Caractéristique

statique

<amorçage

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

MOSFET

Commutation

Caractéristique

statique

<amorçage

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

MOSFET

Commutation

Caractéristique

statique

<amorçage

>blocage

Caractéristique

dynamique

2 états :

Interrupteurs synthétisés

<amorçage

>blocage

Association série

Association anti-parallèle

<amorçage

>blocage

Interrupteurs synthétisés

<amorçage

>blocage

Association série

Association anti-parallèle

<amorçage

>blocage

Autres interrupteurs

Thyristor

Thyristor GTO

Choix des interrupteurs

f (Hz)Fréquence

Pn (W)P

100 101 102 103 104 10510-1

TriacMOSFET

ThyristorGTO

Thyristor

Choix des interrupteurs

f (Hz)Fréquence

Pn (W)P

100 101 102 103 104 10510-1

TriacMOSFET

ThyristorGTO

Thyristor

1 2 3 43

Convertisseurs

continu-continu

Hacheurs

Le hacheur est un système électronique de puissance qui permet de moduler letransfert d’énergie d’une source continue vers une charge (récepteur) elle-même àcourant continu avec un rendement élevé (∼ 90 %).

Tensioncontinue fixe

Tensioncontinue réglable

Types de hacheurs :

Transfert d’énergie MontageSource → charge sérieCharge → source parallèle

Hacheur série

Alimentation Hacheur série

ChargeuS

0 T 2T 3T 4T

〈uS〉

K ouvert

Hacheur série

ChargeuS

0 T 2T 3T 4T

〈uS〉

K ouvert

Hacheur série

Intérêt de la commutation

Alimentation

ChargeuS

Convertisseur en mode continu

Rendement

Hacheur série

Intérêt de la commutation

Alimentation

ChargeuS

Convertisseur en mode continu

Rendement

Hacheur série sur charge R

uS ≡K

Hacheur série sur charge R, L

τ = 5T , α = 0, 2

τ = 5T , α = 0, 6

τ = 5T , α = 0, 9

τ = 2T , α = 0, 6

τ = T/2, α = 0, 6

Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent

En régime permanent, Im et IM sont constants :à l’instant t ≡ αT [T ] de la commutation ON–OFF :

IM = Im exp

−αT

1 − exp

−αT

à l’instant t ≡ 0 [T ] de commutation OFF-ON :

Im = IM exp

(α − 1) T

⇒ système de 2 équations qui conduit à :

Im =UE

1 − exp(

−αT

1 − exp(

(α − 1)T

IM =UE

1 − exp(

−αT

1 − exp(

En régime permanent, Im et IM sont constants :à l’instant t ≡ αT [T ] de la commutation ON–OFF :

IM = Im exp

−αT

1 − exp

−αT

à l’instant t ≡ 0 [T ] de commutation OFF-ON :

Im = IM exp

(α − 1) T

⇒ système de 2 équations qui conduit à :

Im =UE

1 − exp(

−αT

1 − exp(

(α − 1)T

IM =UE

1 − exp(

−αT

1 − exp(

Ondulation du courant

∆IS = IM − Im =UE

1 − exp

−αT

1 − exp

(α − 1)T

Ondulation du courant si T ≪ τ

∆IS =α(1 − α)UE T

α(1 − α)

Si α =1

2⇒ ondulation maximale :

(∆IS)max =UE

∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26

1 − exp

−αT

1 − exp

(α − 1)T

α(1 − α)

Si α =1

(∆IS)max =UE

1 − exp

−αT

1 − exp

(α − 1)T

α(1 − α)

Si α =1

(∆IS)max =UE

1 − exp

−αT

1 − exp

(α − 1)T

α(1 − α)

Si α =1

(∆IS)max =UE

Solution pour lisser le courant

ChargeuS

Lissage

Sur une période T :

tension moyenne d’alimentation de la charge :

〈uS〉 =1

uS(t) dt =1

∫ αT

UE dt = α UE

courant moyen consommé :

〈iE〉 =1

∫ αT

iS(t) dt ≈ αIm + IM

2= α〈iS〉 = α

puissance moyenne consommée :

〈PE〉 = UE 〈iE〉 = αUE 〈iS〉 ≈ αU2

Hacheur série sur charge R, L, EAlimentation d’un moteur CC

Hacheur série sur charge R, L, E

2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :

UE − E = R iS(t) + LdiS

iS(t) = Im exp

+UE − E

1 − exp

avec τ =L

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

−E = R iS(t) + LdiS

i Attention : iS > 0

iS(t) = max

0 ; IM exp

αT − t

1 − exp

αT − t

UE − E = R iS(t) + LdiS

iS(t) = Im exp

+UE − E

1 − exp

avec τ =L

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

−E = R iS(t) + LdiS

i Attention : iS > 0

iS(t) = max

0 ; IM exp

αT − t

1 − exp

αT − t

Problème de conductionAnnulation du courant à l’instant γT avec γ ∈ [α; 1]

iS(γT ) = 0 ⇐⇒ γ =τ

UE − E

−αT

deux cas :1 le cas de la conduction ininterrompue du courant

si iS > 0 (γ /∈ [α; 1]) ;2 le cas de la conduction interrompue du courant

si iS > 0 (γ ∈ [α; 1]).

Hacheur série sur charge R, L, EConduction ininterrompue

0 T 2T 3T

0 αT T 2T 3T

Hacheur série sur charge R, L, EFonctionnement en régime permanent

ondulation du courant (idem charge R, L) ;

〈uS〉 =1

uS(t) dt =1

∫ αT

UE dt = α UE

courant moyen consommé :

〈iE〉 =1

∫ αT

iS(t) dt ≈ αIm + IM

2= α〈iS〉 = α

UE − E

〈PE〉 = UE 〈iE〉 = αUE 〈iS〉 ≈ αUE

UE − E

Hacheur série sur charge R, L, EConduction interrompue

0 T 2T 3T

αT γT

0 αT γT T 2T 3T

Hacheur série sur charge R, L, EConduction interrompue

0 T 2T 3T

αT γT

0 αT γT T 2T 3T

Àévite

Hacheur parallèle

Alimentation Hacheur parallèle

ChargeuS

Hacheur parallèle sur charge R, L, E

uS(t) = 0 = E − R iS(t) − LdiS

iS(t) = Im exp

1 − exp

avec τ =L

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

uS(t) = UE = E − R iS(t) − LdiS

iS(t) = IM exp

αT − t

+E − UE

1 − exp

αT − t

avec τ =L

Hacheur parallèle sur charge R, L, E

uS(t) = 0 = E − R iS(t) − LdiS

iS(t) = Im exp

1 − exp

avec τ =L

2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :

uS(t) = UE = E − R iS(t) − LdiS

iS(t) = IM exp

αT − t

+E − UE

1 − exp

αT − t

avec τ =L

Hacheur parallèle sur charge R, L, EFonctionnement en régime permanent

ondulation du courant :

∆IS ≈α (1 − α)

〈uS〉 =1

uS(t) dt =1

UE dt = (1 − α) UE

courant moyen fournit :

〈iE〉 =1

iS(t) dt ≈ (1 − α)Im + IM

2= (1 − α) 〈iS〉

〈PE〉 = UE 〈iE〉 < 0

Hacheur série–parallèleréversible en courant

Alimentation

Hacheur série–parallèle

T1 T2UE

ChargeuS

Hacheur 4 quadrantsréversible en courant et en tension

Hacheur 4 quadrants

ChargeUE

Hacheur 4 quadrants

Principe de fonctionnement

ChargeUE

Hacheur 4 quadrants

2 types de commandes :1 Commande simple (unipolaire)

〈uS〉 < 0

〈uS〉 = 0

〈uS〉 > 0

2 commande complémentaire (bipolaire)

0 < α < 0, 5

〈uS〉 < 0

α = 0, 5

〈uS〉 = 0

0, 5 < α < 1

〈uS〉 > 0

Hacheur 4 quadrants

2 types de commandes :1 Commande simple (unipolaire)

〈uS〉 < 0

〈uS〉 = 0

〈uS〉 > 0

2 commande complémentaire (bipolaire)

0 < α < 0, 5

〈uS〉 < 0

α = 0, 5

〈uS〉 = 0

0, 5 < α < 1

〈uS〉 > 0

Hacheur 4 quadrantsCommande simple

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0

Le transistor T3 est toujours fermé.Si T1 est fermé, la charge est alimentée.

ChargeUE

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0

Le transistor T3 est toujours fermé.Si T1 est ouvert, la charge est « en roue libre ».

ChargeUE

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0

La diode D4 est toujours passante.Si T1 est fermé, la charge est « en roue libre ».

ChargeUE

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0

La diode D4 est toujours passante.Si T1 est ouvert, la charge est alimentée.

ChargeUE

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0

Le transistor T4 est toujours fermé.Si T2 est fermé, la charge est alimentée.

ChargeUE

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0

Le transistor T4 est toujours fermé.Si T2 est ouvert, la charge est « en roue libre ».

ChargeUE

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0

La diode D3 est toujours passante.Si T2 est fermé, la charge est « en roue libre ».

ChargeUE

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0

La diode D3 est toujours passante.Si T2 est ouvert, la charge est alimentée.

ChargeUE

Synthèse du fonctionnement dans les 4 quadrants

Hacheur série T1 ou D2

(avec T3 passant)

Hacheur parallèle D2 ou T1

(avec D4 passante)

Hacheur série T2 ou D1

(avec T4 passant)

Hacheur parallèle D1 ou T2

(avec D3 passante)

Hacheur 4 quadrantsExemple de cycle moteur exploitant les 4 quadrants

Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0 (0, 5 < α 6 1)Si T1 et T3 sont fermés, la charge est alimentée avec +UE .

ChargeUE

1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0 (0, 5 < α 6 1)Si T1 et T3 sont ouverts, la charge est alimentée avec −UE .

ChargeUE

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0 (0 6 α < 0, 5)Si T1 et T3 sont fermés, la charge est alimentée avec +UE .

ChargeUE

2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0 (0 6 α < 0, 5)Si T1 et T3 sont ouverts, la charge est alimentée avec −UE .

ChargeUE

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0 (0, 5 < α 6 1)Si T2 et T4 sont fermés, la charge est alimentée avec −UE .

ChargeUE

3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0 (0, 5 < α 6 1)Si T2 et T4 sont ouverts, la charge est alimentée avec +UE .

ChargeUE

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0 (0 6 α < 0, 5)Si T2 et T4 sont fermés, la charge est alimentée avec −UE .

ChargeUE

4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0 (0 6 α < 0, 5)Si T2 et T4 sont ouverts, la charge est alimentée avec +UE .

ChargeUE

Synthèse et choix des hacheurs

uS IS 〈uS〉〈iE〉〈P〉

Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0

Hacheur

parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0

Hacheur

série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS

Hacheur

4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS

Hacheur

1 2 3 44

Onduleur

Un onduleur est un convertisseur statique qui permet d’alimenter une charge encourant alternatif à partir d’une source de tension continue. C’est un convertisseurcontinu–alternatif.

Tensioncontinue fixe

Tensionalternative réglable

Utilisations :

alimentations sans interruption (ASI)(fréquence et amplitude de la tension de sortie fixes)

variateurs de vitesse des machines synchrones ou asynchrones (cf. 2eA)(fréquence et amplitude de la tension de sortie variables) ;

alimentations de dispositifs de chauffage par induction.

Onduleur monophasé en demi-pont

Hacheur série-parallèle

Charge

Onduleur monophasé en demi-pontCommande complémentaire

T/2 T 2T 3T

0 T/2 3T/2 5T/2

T 2T 3T

Onduleur monophasé pleine onde

Hacheur 4 quadrants

ChargeUE

Trois types de commandes :1 commande simple2 commande décalée3 commande MLI

Onduleur monophasé pleine ondeCommande simple

T/2 T 2T 3T

0 T/2 3T/2 5T/2

T 2T 3T

D1, D3

T1, T3

D2, D4

T2, T4

D1, D3

T1, T3

D2, D4

T2, T4

D1, D3

T1, T3

D2, D4

T2, T4

Onduleur monophasé pleine ondeCommande simple

1 3 5 7 9 11 13 15

33 %20 %

14 % 11 % 9 % 8 % 7 %

Spectre de la tension produite

Onduleur monophasé pleine ondeCommande décalée

T 2T 3Tβ

iS(t)IM

0 T/2 3T/2 5T/2

T 2T 3T

D1, T4

D1, D3

T1, T3

D2, T3

D2, D4

T2, T4

D1, T4

D1, D3

T1, T3

D2, T3

D2, D4

T2, T4

D1, T4

D1, D3

T1, T3

D2, T3

D2, D4

T2, T4

Onduleur monophasé pleine ondeCommande MLI

M.L.I. = modulation de largeur d’impulsions

K1 = K2

α5π − α1

π − α2

π − α3

π − α4

π − α5

π 2ππ/2 3π/2

K4 = K3

π 2π

π + α1

π + α2

π/2 3π/2

uS(θ)

π 2ππ/2 3π/2

N. Mesnier, lycée Jules Ferry, Versailles

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