hacheurs

Electronique de puissance ESA2/ISTA Béni Mellal

________________________________________________________________________Ch4 : Les hacheurs page : 1/15

CHAPITRE 4 :

LES HACHEURS

Introduction :

Les hacheurs sont des convertisseurs continu /continu permettant de construire une source de tension continue variable à partir d’une source de tension continu fixe.

La source de tension d’entrée peut être un réseau alternatif redressé et filtré, une batterie d’accumulateurs, une alimentation stabilisée…etc.

On distingue deux types de convertisseurs continu/continu : ceux qui sont non isolés, que l’on appellera Hacheurs, et ceux qui comportent un transformateur assurant l’isolation galvanique, que l’on appellera alimentation à découpage (cas des alimentation des PC).Il existe deux types de hacheurs :

Les hacheurs dévolteurs, qui fournissent avec un excellent rendement une tension de sortie inférieure à la tension d’entrée.

Les hacheurs survolteurs, qui permettent d’obtenir une tension de sortie supérieure à celle d’entrée.



A/ Hacheurs dévolteurs :

1/ Principe :Il existe un grand nombre de montages de hacheurs dévolteurs qui

fonctionnent selon diverses méthodes de commutation. Le principe de base repose sur le circuit suivant :

iT iL is

iDVD

VLVT

VsRDE Commande

L

C

I

Le circuit est construit autour d’un interrupteur I à amorçage et blocage commandés (Thyristor avec circuit d’extinction, transistor bipolaire, transistors MOS ou IGBT…) et un interrupteur à blocage et amorçage spontanés (diode D).La charge est constituée par la résistance R. Les éléments L et C forment un filtre dont le but est de limiter l'ondulation résultant du découpage sur la tension et le courant de sortie. Si ces éléments sont correctement calculés, on peut supposer que is et vs sont continus (on néglige l'ondulation résiduelle).

Le cycle de fonctionnement, de période de hachage T (T=1/f), comporte deux étapes : Lors de la première, on rend le transistor passant et la diode, polarisée en inverse, est bloquée. Cette phase dure de 0 à αT, avec α compris entre 0 et 1. Le coefficient α est appelé rapport cyclique. Lors de la seconde, on bloque le transistor. La diode devient passante. Cette phase dure de αT à T.

2/ Formes d’ondes en conduction continue :

En cas de conduction continue, le courant de sortie est suffisamment fort de telle sorte que le courant dans l’inductance ne s’annule jamais même avec l’ondulation due au découpage.

La valeur moyenne de la tension de sortie est Vs=α E (la tension moyenne aux bornes d’une bobine est nulle).

Le courant IL ondule autour de sa valeur moyenne Is (la valeur moyenne du courant dans le condensateur est nulle). Son ondulation crête à crête est donnée par : ΔIL=E.α.T(1-α)/L. On constate que l’ondulation de courant sera d’autant plus faible que l’inductance sera importante (appelée inductance de lissage). De plus, en augmentant la fréquence de découpage, on diminuera encore cette ondulation. Il faut cependant garder à l’esprit que les pertes par commutation dans l’interrupteur augmentent avec la fréquence (penser à adapter le radiateur à la fréquence de découpage).



VT

VD

VL

IL

IT

ID

Ic

Is

-Vs

E-Vs

-E

E

t

t

t

t

t

t

t

T

L’ondulation de tension ΔVc est calculée en intégrant la composante variable du courant iL entre les instant d’annulation du courant ic. ΔVc=1/C ∫iL dt.

On constate que l’ondulation de tension décroît plus rapidement avec la fréquence que l’ondulation de courant. De plus, cette ondulation sera d’autant plus faible qu’inductance et capacité seront élevées. Il faut noter que les évolutions de l’ondulation de la tension de sortie sont des portions de paraboles si le courant ic est supposé triangulaire.



t

Ic

Ondulation ensortie

3/ Formes d’ondes en conduction discontinue :

En cas de conduction discontinue, le courant de sortie moyen est positif mais en raison de sa faible valeur moyenne, l’ondulation du courant dans l’inductance IL peut amener ce dernier à s’annuler.

VT

VD

VL

IL

IT

ID

Is

-Vs

E-Vs

-E

E

t

t

t

t

t

t

T

E-Vs

-Vs

T

La valeur moyenne de la tension de sortie est donnée par : Vs=E.α/αE . L’angle αE qui détermine la durée d’extinction du courant iL dépend de la valeur du courant Is (plus Is est grand plus αE l’est aussi).

Pour un convertisseur parfait, on peut écrire que Vs.Is=E.IT ou IT est la valeur moyenne du courant iT. Or IT=(tON/T)ILmax/2=α.ILmax/2 et ILmax=αT(E-Vs)/L. On en déduit que : Vs.Is=E.α.(E-Vs).αT/2L Il vient alors Is=α2 (E-Vs)E/(2LfVs). (1)

La courbe Is(Vs) correspond à des portions d’hyperboles. En conduction continue, la tension de sortie Vs=αE est indépendante de Is, la courbe Vs(Is) correspond à des droites horizontales selon la valeur de α. La



courbe séparant la zone de conduction continue de la zone de conduction discontinue est obtenue en associant les équations (1) et (2) :

Is=α2(E-Vs) E/(2LfVs) =α(E-Vs)/2Lf donc Is=(E-Vs)Vs/2LfE. Cette courbe de forme parabolique est appelée courbe de conduction

critique :

4/ Emploi d’un filtre LC en amont :Le courant iT débité par le générateur est discontinu (iT=iL pour 0<t<tON

et iT=0 pour tON<t<T). Ceci peut causer de graves perturbations pour le hacheur et la source de tension. Ainsi on est amené à rendre ce courant sensiblement constant. Pour ce, on place un filtre LC en amont du hacheur.

Lo

CoE

i

Ce filtre est conditionné par 1

woLC

<< w ce qui permet de réduire

l’ondulation du courant iT tiré à la source.Pour réduire la taille des éléments réactifs utilisés, on doit augmenter la fréquence d’emploi du hacheur. Or cette fréquence ne peut dépasser une limite correspondant à la fréquence maximale de commutation des interrupteurs (transistors, Thyristors…). Ainsi on utilise la structure de hacheurs entrelacés qui sont utilisés dans le domaine de grandes puissances (locomotives…)

Co

Lo

E

i

CR

L1

L2

L3

K1

K2

K3

i1

i2

i3

D1 D2 D3



Les trois hacheurs fonctionnent sur la même fréquence de découpage et sont régulièrement décalés les uns par rapport aux autres. L’ensemble (Générateur E + Filtre LoCo) fonctionne alors comme un hacheur unique mais dont la fréquence est trois fois plus grande que celle d’un hacheur élémentaire.

5/ Circuits de désamorçage :

L’amorçage des thyristors alimentés en courant continu ne présente pas de difficulté particulière. Par contre, leur désamorçage nécessite des circuits supplémentaires de blocage.

Il existe de nombreux dispositifs hacheurs qui se différencient les uns des autres par leur circuit de blocage. Le rôle de ce circuit est de forcer l’extinction du thyristor principal à la fin du temps de conduction. La figure représente un hacheur dévolteur dont le thyristor principal Th1 est bloqué à l’aide d’un thyristor auxiliaire et d’un circuit LC.

R

C

L

Th2

L

D

-

+

E entrée Echarge

Th1M

N

Pour permettre au condensateur de se charger M(+) et N(-), le thyristor Th2 doit être amorcé le premier, alors Th1 est à l’état bloqué. Lorsque le condensateur est chargé, le thyristor Th2 se bloque spontanément par annulation de courant. Quand Th1 est amorcé, le courant circule dans la charge, et le condensateur se charge dans l’autre polarité à travers L et D. Lorsque le thyristor Th2 est amorcé, une tension négative est appliquée sur Th1 par le condensateur ; il se bloque alors. Le cycle recommence.

B/ Hacheurs survolteurs :1/Principe :Un hacheur survolteur ou hacheur parallèle fournit une tension de sortie

dont la valeur moyenne est supérieure à celle de la tension d’entrée.

Circuit decommande

VL Vd

VT VsRC

DL

E

IL

IT

Id

Is

I



Durant l’intervalle [0,αT] l’interrupteur commandé I est fermé. Seule l’inductance L se trouve connectée à la source ; elle emmagasine alors une certaine énergie sous forme de courant. La diode D est bloquée.Pendant l’intervalle [αT,T], l’interrupteur est bloqué. L’énergie emmagasinée sera restituée à la charge via la diode D. La tension visible en sortie sera Vs=E-VL dépassant de loin la valeur E.

2/Formes d’ondes :

Pour ces tracés, les grandeurs E, Vs et Is sont supposées constantes. En conduction continue, le courant dans la bobine ne s’annule jamais.

Cas de conduction discontinue :

VT

VL

IL

IT

ID

Is

E

E-Vs

Vs

t

t

t

t

t

T

E

T

Lorsque le courant dans l’inductance s’annule, la tension à ses bornes s’annule aussi. La diode est forcée à se bloquer et seul le condensateur C alimente la charge. Cette situation ne doit pas durer longtemps puisque le condensateur C ne sera pas capable d’assurer le courant demandé par la charge.

Puisque VTmoy=E on pourra écrire : E=Vs(αE- α) + E(1- αE). Il vient alors que :

1 /

EVs



Cas de conduction continue :

VT

VL

IL

IT

ID

Is

E

E-Vs

Vs

t

t

t

t

t

T

t

Ic

-Is

3/ Tension moyenne et ondulation :

En conduction continue, et puisque la tension moyenne aux bornes de l’inductance est nulle on peut écrire : E.αT+(E-Vs).(1-α)T =0. Il vient alors que Vs=E/(1-α). On voit bien que la tension de sortie dépasse celle d’entrée.Pendant que l’interrupteur I est fermé le condensateur C se décharge dans la charge. Si le courant Is est supposé constant (Charge assez inductive), la tension de sortie prise aux bornes du condensateur varie linéairement selon une pente de Is/C. On en déduit la valeur de l’ondulation de tension de sortie ΔVs= αT Is/C = αIs/fC.

C/ RÉGULATION DE LA TENSION DE SORTIE :

Dans les hacheurs, la tension de sortie doit en règle générale être régulée pour être constamment égale à une tension fixée, compte tenu du fait que la tension d’alimentation E et les caractéristiques de la charge peuvent varier. On considère le hacheur série qui voit la valeur moyenne de tension en sortie Vs donnée par Vs=αE.Une méthode pour réguler la tension de sortie consiste à ajuster en permanence le rapport cyclique de commande de l’interrupteur α=TON/T sans modifier T.



Cette méthode qui consiste à faire varier la largeur des impulsions de commande de l’interrupteur est appelée méthode de Modulation de Largeurd’Impulsion (MLI) ou encore PWM pour « Pulse Width Modulation ». Le signal de contrôle de l’interrupteur VCTRL devra être élaboré par comparaison entre la tension effectivement disponible Vs et la tension moyenne désirée Vsc .

+

-Vs

Vsc Vsc-VsA

Comparateur

VDS

VCTRL

La tension d’écart Vdiff=Vsc-Vs sera ensuite comparée à une tension en dent de scie VDS de période T afin de générer la tension de commande de l’interrupteur VCTRL comme le montre la figure :

Lorsque Vdiff >VDS : VCTRL = +Vcc , l’interrupteur I est commandé à la fermeture (état ON). Lorsque Vdiff < VDS : VCTRL = 0 , l’interrupteur I est commandé à l’ouverture (état OFF).

On voit clairement que si la tension différentielle Vdiff augmente (Vs diminue), le rapport cyclique augmente également. Ceci a pour effet d’augmenter Vs (Vs=αE) ; ainsi la tension de sortie Vs sera maintenue le plus proche possible de la consigne Vsc.

D/ HACHEUR A STOCKAGE INDUCTIF OU BACK BOOST :

VT

VL VsE

ID Is

Ic

CL

I

CHARGE

Circuitde

commandeIL

Le montage comporte les mêmes éléments de base.L’interrupteur commandée I est fermé pendant l’intervalle [0,αT] et ouvert pendant [αT,T].



Pendant l’intervalle [0,αT], I est fermé et VL=E. Le courant IL croît linéairement. La diode D est bloquée et la charge se trouve donc isolée de la source. Pendant l’intervalle [αT,T], I est ouvert. La diode D se met à conduire et VL=-Vs. Le courant IL décroît linéairement. La bobine restitue à la charge l’énergie qu’elle a emmagasinée.

VL

VT

IL

ID

Ic

t

t

t

t

tT

E

-Vs

E+Vs

ILmoy

IDmoy=Is

-Is

Valeur moyenne de la tension de sortie : La tension moyenne aux bornes de la bobine étant nulle, on écrit :

VLmoy=αE-(1-α)Vs=0. On aura donc : 1

Vs E

Ce montage peut élever ou abaisser la tension d’entrée en agissant sur le rapport cyclique α.La tension de sortie est négative.

E/ HACHEUR ISOLÉ TYPE FLYBACK :

Circuitde

commande

E

VCE

D

CVs

Is

Ic

I1

I2

T

L1(n1)

L2(n2)



1/Principe :La source est isolée de la charge par l’intermédiaire du transformateur. C’est un transformateur d’impulsions capable de fonctionner en hautes fréquences. Les points noirs montrent le sens de phase entre les tensions primaire et secondaire. Le rapport de transformation est k=n2/n1.Le transistor T est commandé pour hacher la tension délivrée au primaire.

Première séquence de fonctionnement :Le transistor T est saturé (interrupteur fermé). Le secondaire du transformateur est ouvert. La diode D est bloquée.La bobine primaire stocke de l’énergie w=1/2 Li2.Le condensateur C se décharge dans le récepteur.

Deuxième séquence de fonctionnement :On bloque le transistor T(interrupteur ouvert). La diode D se met à conduire pour assurer la continuité de flux. L’énergie emmagasinée est envoyée à la sortie à travers la diode.


Cas de démagnétisation complète :Dans ce cas, le flux s’annule dans le circuit magnétique.Pendant que le transistor est saturé, le courant primaire atteint son maximum à l’instant t=tON=αT. Ceci correspond à une énergie emmagasinée :

2 2 22 2

2 2

1 1 11. 1max 1.

2 2 1 2 1

E Ew L I L tON

L f L

Lors du blocage du transistor, l’énergie w est restituée à la charge :

212. 2max

2w L I et

12 max 1max.

2

nI I

n

VCE

I1

Flux

I2

Ic

T

E

I1max

-Is

E+Vs/k

E/L1

IsI1max/k

I1max/k



Cas de démagnétisation incomplète :Si l’on amorce T avant l’annulation du courant secondaire, on travaille en mode de démagnétisation incomplète. Le flux dans le circuit magnétique ne s’annule jamais.Dans ce régime de fonctionnement, le facteur de forme du courant primaire est meilleur. Pour une valeur de crête imposée par le transistor, on peut avoir une valeur moyenne plus élevée que dans la situation précédente.Ce fonctionnement permet de délivrer une puissance plus élevée.

VCE

I1

Flux

I2

Ic

t

t

t

t

tT

I1max

-Is

E+Vs/k

E/L1

IsI1max/k

I1max/k

Valeur moyenne en sortie :Dans le cas d’une démagnétisation incomplète, sachant que VCEmoy=E, on écrit :

2( ).(1 . .

1 1

Vs nVCEmoy E Vs E

k n

F/ HACHEUR ISOLÉ TYPE FORWARD :

Circuitde

comande

L1(n1)

L3(n3)

L2(n2)

D2

D1

D3L

CE

IL Is

Ic

Vs

I1

ID3

T

VCE



1/Principe :C’est la version avec isolation galvanique du hacheur abaisseur. Ce montage utilise un transformateur à bobine de démagnétisation (L3) ; pour cette bobine on adopte généralement n3=n1. Le secondaire de ce transformateur attaque un hacheur abaisseur (BUCK) avec la seule différence par rapport à la structure de base que l’interrupteur commandé est remplacé par une diode (D2).

2/Fonctionnement :Pendant la phase [0,αT], le transistor T et la diode D2 sont conducteurs. Les diode D1 et D3 sont bloquées.Le primaire du transformateur est soumis à une tension E, le secondaire à kE et le troisième enroulement à E (n3=n1).Pendant la phase [αT,T] le transistor T est bloqué. La diode D2 se bloque aussi. Les diodes D1 et D3 conduisent. Le courant magnétisant est assuré par le troisième enroulement soumis à –E. Le courant dans la diode D3 décroît alors linéairement selon une pente –E/L3=-E/L1.


VCE

I1

Flux

ID3

IL

t

t

t

t

tT

I1max

2E

E/L1

I1max/k

E

Is

(kE-Vs)/L

-Vs/L

Valeur moyenne en sortie :La tension aux bornes de la bobine L vaut kE-Vs pendant la première phase et vaut –Vs pendant la deuxième. Or VLmoy=0 ; ceci permet d’écrire :

( ) 0 Vs=0

2Vs=

1

kE Vs Vs kE

n

n



G/ APPLICATIONS :

1/Alimentation et freinage d’un moteur à courant continu :

M

I1

I2D2

D1

E Vs

Le hacheur série est constitué de la diode D2 et de l’interrupteur I1. Le hacheur parallèle est constitué de la diode D1 et de l’interrupteur I2.

La machine fonctionne en moteur lorsqu’elle est alimentée par le hacheur série (D1 reste toujours bloquée car Vs < E et I2 est maintenu ouvert).

La machine fonctionne en génératrice (phase de freinage) et alimente la source E (batterie par exemple) lorsque le hacheur parallèle est utilisé (D2 est toujours bloquée car lorsque I2 est fermé VD2=0 et lorsque I2 est ouvert D1 est passante et VD2 = -E ; I1 est maintenu ouvert).

2/ Commande du transistor:Pour alimenter la base du transistor, il faut réaliser un montage électronique délivrant un signal en créneaux avec un rapport cyclique réglable. Il s’agit d’un oscillateur à relaxation.Il existe plusieurs circuits intégrés réalisant cette fonction.

Exemple :

+

-0.1uF

100K

10K

100K1K

1K

TL081R3

R2

Vers la basedu transistor

R1

R4

P

Le courant de sortie de l’AOP étant très faible (10 à 20 mA), il conviendra d’utiliser un transistor Darlington.

La période de créneaux est donnée par : 1

( 3 4) ln(1 2 )2

RT R R

R .



Le rapport cyclique : 3

3 4

R

R R

R2 : Contrôle de fréquence.P : Variation de rapport cyclique.

Remarque : Pour assurer la commutation du transistor dans les meilleures conditions (sans destruction), on prévoit un circuit d’aide à la commutation CALC qui possède un rôle double :

Aide à la fermeture : Son principe est basé sur l’insertion en série avec le collecteur d’une inductance qui freine la montée du courant à la mise en conduction. Un circuit de roue libre permet d’assurer la continuité de courant.

RD

L

Transistor depuissance

Aide à l’ouverture : Son principe est basé sur l’insertion en parallèle avec le transistor d’une capacité qui freine la montée de la tension. La résistance protège le transistor contre la surintensité de décharge.

RD

Transistor depuissance

C

hacheurs

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