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Introduction a l’electronique de puissance

Synthese des convertisseurs statiques

Lycee RichelieuTSI 1

Annee scolaire 2006 - 2007Sebastien GERGADIER

28 janvier 2007

Table des matieres

1 Synthese des convertisseurs statiques 51.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Sources de tension et courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.1 Source de tension parfaite . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2 Source de courant parfaite . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.3 Remarques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.4 Influence d’une inductance sur une source de tension . 91.2.5 Remarques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2.6 Reversibilite des sources d’entree et de sortie . . . . . 101.2.7 Regles d’interconnexion des sources . . . . . . . . . . . 111.2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3 Les interrupteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.1 Les interrupteurs parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.2 Interrupteurs a semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . 141.3.3 Les differents types de composant semi-conducteur pos-

sible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.4 Regime dynamique / Mode de commutation . . . . . . 161.3.5 Classification des interrupteurs . . . . . . . . . . . . . 20

1.4 Structures des convertisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.4.1 Convertisseur direct tension/courant . . . . . . . . . . 221.4.2 Convertisseur direct courant/tension . . . . . . . . . . 241.4.3 Structure des convertisseurs indirects . . . . . . . . . . 241.4.4 Convertisseur indirect tension/tension . . . . . . . . . 261.4.5 Convertisseur indirect courant/courant . . . . . . . . . 26

1.5 Synthese des convertisseurs statiques . . . . . . . . . . . . . . 281.6 Etude de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.6.1 Hacheur non reversible en courant . . . . . . . . . . . 291.6.2 Hacheur reversible en courant . . . . . . . . . . . . . . 30

1

Table des figures

1.1 Caracteristique d’une source de tension parfaite. . . . . . . . 61.2 Representation d’une source de tension parfaite. . . . . . . . 61.3 Realisation d’une source de tension. . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Caracteristique d’une source de courant parfaite. . . . . . . . 71.5 Representation d’une source de courant parfaite. . . . . . . . 81.6 Realisation d’une source de courant. . . . . . . . . . . . . . . 81.7 Influence d’une inductance sur une source de tension. . . . . . 101.8 Regle 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.9 Regle 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.10 Regle 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.11 Regle 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.12 Cellule de commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.13 Convention rcepteur pour les interrupteurs statiques. . . . . . 141.14 Caracteristiques statiques a 2 segments. . . . . . . . . . . . . 151.15 Caracteristiques statiques a 3 segments bidirectionnels en cou-

rant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.16 Caracteristiques statiques a 3 segments bidirectionnels en ten-

sion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.17 Caracteristiques statiques a 4 segments. . . . . . . . . . . . . 171.18 Commutation commandee d’un interrupteur. . . . . . . . . . 181.19 Blocage spontane d’un interrupteur. . . . . . . . . . . . . . . 191.20 Amorcage spontane d’un interrupteur. . . . . . . . . . . . . . 191.21 Le cycle d’un interrupteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.22 Caracteristique dynamique d’interrupteurs 2 segments. . . . . 211.23 Caracteristique dynamique d’interrupteurs a 3 segments bi-

directionnels en courant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.24 Caracteristique dynamique d’interrupteurs a 3 segments bi-

directionnels en tension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.25 Possibilites d’interconnexions d’une source de tension et d’une

source de courant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.26 Configuration de base d’un convertisseur tension/courant. . . 231.27 Configuration de base d’un convertisseur courant/tension. . . 24

2

TABLE DES FIGURES 3

1.28 Modification de la nature de la source d’entree ou de sortiepour un convertisseur tension/tension. . . . . . . . . . . . . . 25

1.29 Modification de la nature de la source d’entree ou de sortiepour un convertisseur courant/courant. . . . . . . . . . . . . . 25

1.30 Utilisation d’un etage tampon. . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.31 Possibilites d’interconnexions de deux sources de tension. . . 271.32 Structure d’un convertisseur indirect tension/tension. . . . . . 271.33 Possibilites d’interconnexions de deux sources de courant. . . 281.34 Structure d’un convertisseur indirect courant/courant. . . . . 281.35 Structure de base d’un hacheur. . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.36 Sequences de fonctionnement et caracteristiques des interrup-

teurs pour un hacheur non reversible en courant. . . . . . . . 321.37 Structure d’un hacheur non reversible en courant. . . . . . . . 331.38 Sequences de fonctionnement et caracteristiques des interrup-

teurs pour un hacheur en phase de freinage. . . . . . . . . . . 341.39 Structure d’un hacheur fonctionnant en phase de freinage. . . 351.40 Structure d’un hacheur reversible en courant. . . . . . . . . . 35

Preambule

Dans ce cours, nous adopterons les notations suivantes :– Grandeurs dependant du temps : lettres minuscules x(t)– Grandeurs constantes (moyenne, mini, maxi, efficace,...) : lettres ma-

juscules X– Grandeurs complexes : lettres majuscules soulignees X

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Chapitre 1

Synthese des convertisseursstatiques

1.1 Introduction

L’objectif est de realiser, a partir d’un cahier des charges, la synthese dela structure d’un convertisseur statique. Il s’agit donc de retrouver, d’unefacon purement logique et sans faire appel aux habitudes, les structures desconvertisseurs connus et de decouvrir de nouvelles structures a partir de cememe raisonnement logique.Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs a semi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers deregler un transfert d’energie entre un generateur et un recepteur. Ce trans-fert pourra, dans certains cas, etre reversible. Pour tenir compte de cettereversibilite, on preferera utilise les termes de sources d’entree et de sourcede sortie. En effet, lors d’un fonctionnement reversible, la source d’entreejoue le role de recepteur et la source de sortie joue le role de generateur.Le probleme de la synthese d’un convertisseur statique se pose donc en lestermes de :Effectuer un certain type de conversion d’energie entre une sourced’entree et une source de sortie definies par le cahier des charges.Pour reussir ce travail, il faut bien entendu posseder un minimum de connais-sance sur les interrupteurs statiques et savoir caracteriser parfaitement lessources d’entree et de sortie.

1.2 Sources de tension et courant

Les sources d’entree et de sortie sont les seuls elements connus au debutde la synthese. Deux grandes familles doivent etre distinguees : les sourcesde tension et les sources de courant.

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CHAPITRE 1. SYNTHESE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 6

1.2.1 Source de tension parfaite

Definition 1 : Une source de tension est dite parfaite lorsqu’elle est ca-pable d’imposer une tension quelque soit le courant de charge.

Cela implique que l’impedance serie de la source soit nulle ou negligeabledevant l’impedance de la charge.On peut donc representer la caracteristique tension/courant d’une source detension parfaite par la figure 1.1.

Fig. 1.1 – Caracteristique d’une source de tension parfaite.

Dans la suite du cours, nous utiliserons le symbole de la figure 1.2 pourrepresenter une source de tension parfaite.

Fig. 1.2 – Representation d’une source de tension parfaite.

Dans le cas ou la source est du type continu, on peut imposer la ca-racterisation de la source en source de tension. Pour cela, il suffit de rajouterun condensateur en parallele (figure 1.3).Si la source est du type alternatif, la solution qui consiste a placer un

condensateur en parallele pour obtenir une source de tension est difficilement


Fig. 1.3 – Realisation d’une source de tension.

applicable. En effet, si la valeur de la capacite du condensateur est elevee, cedernier constitue un court-circuit pour la source alternative (1/Cω = 0). Sila valeur de la capacite est trop faible, on risque de produire le phenomenede resonance.

1.2.2 Source de courant parfaite

Definition 1 : Une source de courant est dite parfaite lorsqu’elle estcapable d’imposer un courant quelque soit la tension a ses bornes.Cela implique que l’impedance serie de la source soit infinie ou tres grandedevant l’impedance de la charge.On peut donc representer la caracteristique tension/courant d’une source decourant parfaite par la figure 1.4.

Fig. 1.4 – Caracteristique d’une source de courant parfaite.


Dans la suite du cours, nous utiliserons le symbole de la figure 1.5 pourrepresenter une source de courant parfaite.

Fig. 1.5 – Representation d’une source de courant parfaite.

Dans le cas ou la source est du type continu ou alternatif, on peut impo-ser la caracterisation de la source en source de courant. Pour cela, il suffitde rajouter une inductance en serie (figure 1.6).

Fig. 1.6 – Realisation d’une source de courant.

1.2.3 Remarques

Dans certains ouvrages, les auteurs donnent d’autres definitions pourcaracteriser les sources parfaites de courant et de tension.

Source parfaite de tension

Definition 2 : Une source de tension est dite parfaite quand la tensiona ses bornes ne peut pas subir de discontinuite du fait de la variation de lacharge.


Definition 3 : Une source de tension est dite parfaite lorsqu’elle est a uneimpedance instantanee nulle.

Source parfaite de courant

Definition 2 : Une source de courant est dite parfaite quand le courantqui la traverse ne peut subir de discontinuite du fait de la variation de lacharge.Definition 3 : Une source de courant est dite parfaite lorsqu’elle est a uneimpedance instantanee infinie.

Exemples

Condensateur :C’est une source de tension puisqu’une variation instantanee de la tensiona ses bornes (dV/dt infini) conduirait a un courant infini, pour la definition2.L’impedance du condensateur Z(p) = 1/Cp tend vers 0 pour p tendant versl’infini. Un condensateur a une impedance instantanee nulle. C’est donc bienune source de tension au regard de la definition 3.

Inductance :C’est une source de courant puisqu’une variation instantanee du courantdans cette inductance (dI/dt infini) conduirait a une tension infinie a sesbornes, pour la definition 2.L’impedance de l’inductance Z(p) = Lp tend vers l’infini pour p tendant versl’infini. Une inductance a une impedance instantanee infinie. C’est donc bienune source de courant au regard de la definition 3.

1.2.4 Influence d’une inductance sur une source de tension

Considerons une batterie d’accumulateurs (supposee bien chargee) relieea une charge consommant 10A par un cable et un interrupteur tel que lafigure 1.7.

L’inductance moyenne d’un cable est de 1µH.m−1 et le temps d’ouver-ture ton est de 100 nano-secondes.Dispose t’on d’une source de tension ou de courant pour une longueur de1m ou de 0.01m ?

Si la longueur est de 1 m, la surtension provoquee a l’ouverture de l’in-terrupteur est :


Fig. 1.7 – Influence d’une inductance sur une source de tension.

Ldi

dt= 1.10−6.

10100.10−9

= 100 Volts (1.1)

A cause des cables de liaison, la charge ne peut pas etre alimentee par unesource de tension.

Si la longueur est de 0.01 m, la surtension provoquee a l’ouverture del’interrupteur est :

Ldi

dt= 0, 01.10−6 .

10100.10−9

= 1 Volts (1.2)

Si la fem est de quelques dizaines de volts, on pourra considere la batteriecomme une source de tension.

1.2.5 Remarques

On a vu precedemment que meme si la source d’entree peut etre considereecomme une source de tension, l’ensemble des cables reliant la source d’entreea la charge peut changer la nature de cette source. Par consequent, enelectronique de puissance, il faudra etre vigilant au cablage qui introduitdes inductances parasites. Cette presence d’inductances parasites necessiterad’ajouter un condensateur en parallele avec la source de tension.

1.2.6 Reversibilite des sources d’entree et de sortie

La determination des reversibilites des sources d’entree et de sortie estfondamentale car elle va nous permettre d’en deduire les caracteristiquesstatiques des interrupteurs utilises.La tension ou le courant sont dits continus si ils sont unidirectionnels.La tension ou le courant sont dits alternatifs si ils sont periodiques etpossedent une valeur moyenne nulle.


Une source est dite reversible en tension si la tension a ses bornes peutchanger de signe.De meme, une source est dite reversible en courant si le courant qui latraverse peut s’inverser.

Exemples :

Le circuit d’induit d’une machine a courant continu est equivalent a unesource de courant a cause de l’inductance dus aux bobinages. Si on disposed’une inversion du sens de rotation et d’un freinage electrique (inversion ducourant d’induit), la source sera reversible en tension et en courant.Une batterie d’accumulateurs est une source de tension non reversible entension et reversible en courant (charge et decharge).

1.2.7 Regles d’interconnexion des sources

Au cours de son fonctionnement, le convertisseur statique connecte parl’intermediaire de ses interrupteurs, les sources entre lesquelles il assure etcontrole l’echange de l’energie.Pour que ces liaisons puissent se faire, un certain nombre de regles sont arespecter imperativement.

Regle 1

Une source de tension ne doit jamais etre court-circuitee mais elle peutetre ouverte (figure 1.8). Sinon le courant serait destructeur.

Fig. 1.8 – Regle 1.


Regle 2

Le circuit d’une source de courant ne doit jamais etre ouvert mais il peutetre court-circuite (figure 1.9). Sinon l’ouverture provoque une surtension.


Regle 3

Il ne faut jamais connecter entre elles deux sources de meme nature(figure 1.10).



Regle 4

On ne peut connecter entre elles qu’ne source de courant et une source detension. Les deux interrupteurs doivent etre rigoureusement complementaires(figure 1.11).


1.2.8 Conclusion

Si le convertisseur statique ne dispose que d’interrupteurs, on ne saitconnecter que des sources de natures differentes.Le plus petit convertisseur possede au moins deux interrupteurs.Le fonctionnement de ces deux interrupteurs doit etre rigoureusement complementaires.On peut alors parler de cellule elementaire de commutation (figure 1.12).

1.3 Les interrupteurs

1.3.1 Les interrupteurs parfaits

Les interrupteurs a semi-conducteur ont un fonctionnement base sur lapropriete d’unidirectionnalite en courant et en tension de la jonction PN.L’association de plusieurs jonctions permet de multiplier leurs possibilites.Dans tous les cas, un interrupteur est susceptible de presenter deux etatsstables en regime statique :

– L’etat passant (ON) : l’interrupteur est dit conducteur, ou ferme, ouamorce ;

– L’etat bloque (OFF) : l’interrupteur est dit non conducteur, ou ouvert,ou bloque.

En regime statique, l’interrupteur se comporte comme une resistance nonlineaire, tres faible a l’etat passant, et tres elevee a l’etat bloque. Considere


Fig. 1.12 – Cellule de commutation.

comme un dipole avec des conventions recepteur (figure 1.13), sa caracteristiquestatique Ik(Vk) qui represente l’ensemble des points de fonctionnement del’interrupteur, comporte deux branches situees entierement dans les deuxquadrants tels que Vk ∗ Ik positifs. L’une sur l’axe de Ik (etat passant),l’autre sur l’axe des Vk (etat bloque). Chacune de ces branches pouvant etreunidirectionnelle.

Fig. 1.13 – Convention rcepteur pour les interrupteurs statiques.

1.3.2 Interrupteurs a semi-conducteurs

La caracteristique statique, qui est une propriete intrinseque de l’inter-rupteur, peut dans le cas des interrupteurs a semi-conducteurs, se reduire aun certain nombre de segments du plan Ik(Vk).


1.3.3 Les differents types de composant semi-conducteur pos-sible

Interrupteurs a 2 segments

L’interrupteur est unidirectionnel en tension et en courant. On distinguedonc quatres caracteristiques statiques a 2 segments comme le montre la fi-gure 1.14. Pour deux d’entre eux, la tension Vk et le courant Ik sont toujoursde memes signes.Pour les deux autres, la tension Vk et le courant Ik sont toujours de signescontraires.

Fig. 1.14 – Caracteristiques statiques a 2 segments.


L’interrupteur est bidirectionnel en tension ou en courant. On distinguequatre caracteristiques statiques a 3 segments.Deux caracteristiques statiques pour les interrupteurs bidirectionnels en cou-rant comme l’indique la figure 1.15.

Deux autres caracteristiques statiques pour les interrupteurs bidirection-nels en tension comme l’indique la figure 1.16.

Il faut noter que les interrupteurs possedant des caracteristiques sta-tiques a trois segments peuvent etre synthetises avec les interrupteurs ayantdes caracteristiques statiques a deux segments, en les associants en serie ouen parallele.


Fig. 1.15 – Caracteristiques statiques a 3 segments bidirectionnels en cou-rant.

Fig. 1.16 – Caracteristiques statiques a 3 segments bidirectionnels en ten-sion.


L’interrupteur est bidirectionnel en courant et en tension. Cette ca-racteristique statique est unique et est representee sur la figure 1.17.

De la meme facon, un interrupteur possedant une caracteristique statiquea 4 segments peut etre realise par association en serie ou en parallele de deuxinterrupteurs possedant des caracteristiques statiques a 3 segments.

1.3.4 Regime dynamique / Mode de commutation

La caracteristique statique courant/tension d’un interrupteur est insuf-fisante pour decrire ses proprietes dynamiques. C’est le passage de l’etatpassant a l’etat bloque ou inversement, ce qui correspond donc dans le planIk(Vk) au passage du point de fonctionnement de l’interrupteur d’un demi-


Fig. 1.17 – Caracteristiques statiques a 4 segments.

axe a un demi-axe perpendiculaire.La trajectoire suivie par le point constitue la caracteristique dynamiquede commutation de l’interrupteur. Il est important de noter que cette ca-racteristique n’est pas une propriete intrinseque de l’element, contrairementa sa caracteristique statique, mais elle depend des contraintes imposees parle circuit exterieur.

Si l’on neglige les phenomenes secondaires (accumulation de charges),l’interrupteur etant un element dissipatif, le trajet du point de fonctionne-ment ne peut se faire que dans les quadrants tels que Vk ∗ Ik positifs.Aussi bien pour l’amorcage que pour le blocage, deux modes de changementd’etat (ou modes de commutation) des interrupteurs sont a distinguer : lacommutation commandee et la commutation spontanee.


Commutation commandee

L’interrupteur possede, en plus de ses deux electrodes principales, uneelectrode de commande sur laquelle il est possible d’agir pour provoquerson changement d’etat de maniere quasi-instantanee. Physiquement, cetteelectrode permet de modifier brusquement la structure interne de l’elementet par suite faire passer sa resistance d’une valeur tres faible (etat passant)a une valeur tres elevee (etat bloque) ou inversement.La caracteristique dynamique devant correspondre a une variation continuede resistance, donc a un rapport Vk/Ik en permanence positif. On passedonc d’un point de fonctionnement statique situe sur un demi-axe a unautre demi-axe a un autre point de fonctionnement situe sur le demi-axeperpendiculaire de meme signe que le precedent tel que le montre la figure1.18.

Fig. 1.18 – Commutation commandee d’un interrupteur.

Si les points de fonctionnement statique imposes par la sequence precedentla commutation et la sequence suivante se trouvent sur les deux demi-axesde memes signes, cette commutation ne peut etre que commandee.

On notera que la commutation commandee peut faire apparaıtre descontraintes severes pour l’element. Elles dependent de la caracteristique sta-tique suivie. Si le temps de commutation est eleve, ainsi que la frequence derepetition, les pertes Joule peuvent etre importantes.

Commutation spontanee

Elle est identifiable dans son principe a celle d’une simple jonction PN(Diode). Elle ne depend que du circuit electrique exterieur : l’element com-mute naturellement lorsque le point de fonctionnement, se deplacant sur la


caracteristique statique, passe par zero. En simplifiant les phenomenes reelsau voisinage du zero, nous pouvons admettre qu’il y a alors une brusquevariation de la resistance de l’element et que le point de fonctionnement vacontinuer a se deplacer sur le demi-axe perpendiculaire et de signe contraire.Le blocage spontane s’effectue au passage par zero du courant Ik (figure1.19).

Fig. 1.19 – Blocage spontane d’un interrupteur.

L’amorcage spontane s’effectue au passage par zero de la tension Vk (fi-gure 1.20).

Fig. 1.20 – Amorcage spontane d’un interrupteur.


Si les points de fonctionnement statique imposes par la sequence precedantla commutation et la sequence suivante se trouvent sur les deux demi-axescontraires, cette commutation ne peut etre que spontanee.

Ce mode de commutation s’effectue avec un minimum de pertes Joule puisquele point de fonctionnement ne quitte pas les axes.

Le cycle de fonctionnement

Pour caracteriser completement un interrupteur, il faut donc connaıtred’une part sa caracteristique statique et d’autre part ses modes de commu-tation a l’amorcage et au blocage.Au cours d’une periode, le point de fonctionnement Ik(Vk) de l’interrupteurdecrit un cycle. La figure 1.21 montre le cycle idealise d’un interrupteur.

Fig. 1.21 – Le cycle d’un interrupteur.

1.3.5 Classification des interrupteurs

Les interrupteurs utilises dans les convertisseurs statiques peuvent etreclasses en fonction de leurs caracteristiques statiques a deux, trois ou quatresegments et la nature de leurs commutations a l’amorcage ou au blocage,commandee ou spontanee.On rappelle qu’une commutation commadee ne peut se produire que dans lesquadrants 1 et 3, alors qu’une commutation spontanee ne peut se produireque dans les quadrants 2 et 4.


On distingue deux interrupteurs dont les caracteristiques statiques possedentdeux segments orthogonaux.Le premier de ces interrupteurs a la caracteristique statique de la figure1.14c, et ses commutations d’amorcage et de blocage sont spontanes (figure


1.22a). Le second de ces interrupteurs a la caracteristique statique de la fi-gure 1.14a, et ses commutations d’amorcage et de blocage sont commandes(figure 1.22b). Les deux autres cas sont aussi possibles.

Fig. 1.22 – Caracteristique dynamique d’interrupteurs 2 segments.


Ces interrupteurs se repartissent en deux groupes suivant qu’ils sontbidirectionnels en courant et unidirectionnels en tension (figure 1.23), oubidirectionnels en tension et unidirectionnels en courant (figure 1.24). Lesdeux autres cas sont aussi possibles. Dans chacun de ces groupes, les inter-rupteurs ont la meme caracteristique statique et ils ne different donc quepar leurs modes de commutation.

Il est important de noter qu’un interrupteur a trois segments qui possederaitses deux commutations commandees ou ses deux commutations spontanees,n’exploiterait jamais les trois segments de sa caracteristique statique. Dansces conditions, un interrupteur a trois segments possede obligatoirement unecommutation commandee et une commutation spontanee.


Tous les interrupteurs a 4 segments possedent la meme caracteristiquestatique, ils ne different que par les modes de commutation.Ces interrupteurs sont essentiellement utilises dans les changeurs directsde frequence, et sont pratiquement constitues de deux interrupteurs troissegments en serie ou en parallele.


Fig. 1.23 – Caracteristique dynamique d’interrupteurs a 3 segments bidi-rectionnels en courant.

Fig. 1.24 – Caracteristique dynamique d’interrupteurs a 3 segments bidi-rectionnels en tension.

1.4 Structures des convertisseurs

1.4.1 Convertisseur direct tension/courant

La source d’entree est une source de tension, la source de sortie est unesource de courant.Les differentes possibilites d’interconnexion directes de ces deux sourcesdoivent verifier les 4 regles enoncees au chapitre 1.2.7.Par consequent, nous savons que l’on peut (figure 1.25) :


– Relier dans un certain sens l’entree et la sortie (etat a) ;– Relier dans l’autre sens l’entree et la sortie (etat b) ;– Les separer en ouvrant la source de tension et en court-circuitant la

source de courant (etat c).

Fig. 1.25 – Possibilites d’interconnexions d’une source de tension et d’unesource de courant.

On notera que ces trois interconnexions sont necessaires pour permettretous les echanges et les reglages d’energie entre la source de tension et lasource de courant. Si l’on veut realiser ces trois etats sans faire appel a unesource a point milieu, la solution la plus simple consiste a faire appel a unmontage en pont a quatre interrupteurs (figure 1.26).

Fig. 1.26 – Configuration de base d’un convertisseur tension/courant.

Si les interrupteurs K1 et K4 sont fermes, cela donne l’etat a.Si les interrupteurs K2 et K3 sont fermes, cela donne l’etat b.Si les interrupteurs K1 et K3 ou K2 et K4 sont fermes, cela donne l’etat c.Ce schema sera donc la configuration de base de tous les convertisseurs di-rects tension/courant monophases. En tenant compte des reversibilites dessources, on pourra le simplifier dans certains cas.De cette etude, on retiendra donc qu’un convertisseur direct est un circuitelectrique constitue uniquements d’interrupteurs. Il est donc tout a fait in-


capable de stocker de l’energie, le transfert d’energie s’effectue directemententre l’entree et la sortie.Si les pertes dans le convertisseur sont negligees, la puissance a l’entree estegale a chaque instant a la puissance a la sortie.

1.4.2 Convertisseur direct courant/tension

C’est fondamentalement le meme probleme que celui du convertisseurdirect tension/courant puisque l’on a fait aucune hypothese sur le sens detransfert de l’energie.La configuration de base d’un convertisseur statique direct courant/tensionest celle donnee en figure 1.26.

Fig. 1.27 – Configuration de base d’un convertisseur courant/tension.

1.4.3 Structure des convertisseurs indirects

Les sources d’entree et de sortie sont de la meme nature. Pour intercon-necter deux sources de nature identique, il faudra faire appel a des elementsd’interconnexion supplementaires ne consommant pas d’energie active. Onpourra donc utiliser soit des condensateurs ou alors des inductances.Deux types de solution sont envisageables.

Solutions permettant de se ramener a des convertisseurs directs

1. On modifie la nature de la source d’entree ou de la source de sortie.Pour realiser la conversion directe tension/tension, on place une in-ductance en serie soit avec la source d’entree, soit avec la source desortie (figure 1.28). On se ramene alors a un convertisseur direct cou-rant/tension ou tension/courant, l’inductance L etant exterieure auconvertisseur.

Pour realiser la conversion courant/courant, on place un condensateuren parallele, soit sur la source d’entree, soit sur la source de sortie (figure


Fig. 1.28 – Modification de la nature de la source d’entree ou de sortie pourun convertisseur tension/tension.

1.29). Ici aussi, on se ramene alors a un convertisseur direct tension/courantou courant/tension, la capacite C etant exterieure au convertisseur.

Fig. 1.29 – Modification de la nature de la source d’entree ou de sortie pourun convertisseur courant/courant.

– On fait une conversion indirecte en deux etapes utilisant deux conver-tisseurs directs.Il n’est pas toujours possible de modifier la nature d’une source. Dansce cas :

– pour realiser une conversion tension/tension, on pourra utiliser deuxconvertisseurs directs avec une inductance comme etage tampon entreles deux (figure 1.30a)

– pour realiser une conversion courant/courant, on pourra utiliser deuxconvertisseurs directs avec un condensateur comme etage tampon entre


les deux (figure 1.30b)

Fig. 1.30 – Utilisation d’un etage tampon.

1.4.4 Convertisseur indirect tension/tension

Dans ce convertisseur indirect, les deux sources de tension ne sont jamaisconnectees simultanement a l’element de stockage mais successivement :

– l’inductance L stocke l’energie fournie par une source de tension (figure1.31a) ;

– l’inductance L restitue son energie a l’autre source, soit dans un sens(figure 1.31b), soit dans l’autre sens (figure 1.31c).

Pour realiser ces differentes connexions, la solution la plus simple consistea faire appel au montage en pont de la figure 1.32. Ce schema sera la confi-guration de base des convertisseurs indirects tension/tension. Cette configu-ration pourra se simplifier en fonction des reversibilites des sources.

1.4.5 Convertisseur indirect courant/courant

Dans ce convertisseur indirect, les deux sources de courant ne sont jamaisconnectees simultanement a l’element de stockage mais successivement :

– le condensateur C stocke l’energie fournie par une source de courant(figure 1.33a) ;


Fig. 1.31 – Possibilites d’interconnexions de deux sources de tension.

Fig. 1.32 – Structure d’un convertisseur indirect tension/tension.

– le condensateur C restitue son energie a l’autre source, soit dans unsens (figure 1.33b), soit dans l’autre sens (figure 1.33c).

Pour realiser ces differentes connexions, la solution la plus simple consistea faire appel au montage en pont de la figure 1.34. Ce schema sera la confi-guration de base des convertisseurs indirects courant/courant.


Fig. 1.33 – Possibilites d’interconnexions de deux sources de courant.

Fig. 1.34 – Structure d’un convertisseur indirect courant/courant.

1.5 Synthese des convertisseurs statiques

Pour faire la synthese d’un convertisseur statique, il faudra procedercomme suit :

1. Determiner la nature des sources d’entree et des sources de sortie afind’en deduire la configuration de base correspondante.

2. Deduire du cahier des charges les reversibilites en tension et en courantdes sources d’entree et de sortie.


3. Identifier sur la configuration de base correspondante, les sequences defonctionnement necessaires, compte tenu des reversibilites en tensionet en courant et des controles d’energie souhaites. Effectuer les simpli-fications de la structure de base si cela est necessaire et en deduire leschema du convertisseur.

4. Pour les differentes sequences, observer le sens du courant dans lesinterrupteurs passant et le signe de la tension aux bornes de ceux quisont bloques. En deduire la caracteristique Ik(Vk) de chaque interrup-teur.

5. Deduire d’une etude approfondie du cahier des charges et en particulierdes formes d’onde souhaites, l’enchaınement des differentes sequencesde fonctionnement. Pour chaque commutation, representer le point defonctionnement de chaque interrupteur avant et apres la commutation.Les bases rappelees au 1.3.4 sur la commutation des interrupteursvont nous permettre d’en deduire le type de commutation de chaqueinterrupteur.

6. Connaissant les caracteristiques statiques et les types de commutationde chaque interrupteur, nous pouvons en deduire les interrupteurs autiliser.

1.6 Etude de cas

1.6.1 Hacheur non reversible en courant

Cahier des charges : On veut alimenter a partir d’une batterie d’accumu-lateurs, une machine a courant continu fonctionnant en moteur sans aucunereversibilite. Ce moteur devra etre alimente sous tension continue variable,pour cela, on utilisera un convertisseur statique.Probleme : Trouver la structure du convertisseur.Caracterisation des sources d’entree et sortie : l’entree est une source detension reversible en courant, mais cette reversibilite n’a pas besoin d’etreutilisee puisque la batterie ne fonctionnera qu’en generateur. La sortie estune source de courant sans reversibilite. On en deduit que le convertisseura utiliser est un convertisseur direct tension/courant dont la figure 1.36 in-dique la configuration de base.

Le probleme est maintenant de determiner la nature des interrupteursK1,K2,K3 et K4.Lorsque la batterie alimente le moteur a courant continu, la sequence defonctionnement (sequence 1) est representee sur la figure 1.36 ainsi que lespoints de fonctionnement des differents interrupteurs.Si l’on veut un controle de l’energie fournie au moteur, il faut introduire unesequence de roue libre, soit par K1 −K3, soit par K2 −K4. Choisissons par


Fig. 1.35 – Structure de base d’un hacheur.

exemple K2 − K4, c’est la sequence 2 de la figure 1.36.On deduit de ces deux sequences les caracteristiques statiques des interrup-teurs :

– K1 a la caracteristique statique de la figure 1.14a ;– K2 a la caracteristique statique de la figure 1.14d ;– K3 est un circuit ouvert ;– K4 est un court-circuit.Examinons l’enchaınement des sequences (1)(2)(1) . . .pour en deduire le

type de commutation des interrupteurs selon l’etude presentee au milieu dece chapitre. Pour passer de la sequence (1) a la sequence (2), K1 devra avoirune commutation commandee au blocage, tandis que K2 aura une commu-tation spontanee a l’amorcage.Pour passer de la sequence (2) a la sequence (1), K1 devra etre un interrup-teur commande a l’amorcage et K2 un interrupteur a blocage spontane.Le convertisseur a utiliser est donc represente sur la figure 1.37.

1.6.2 Hacheur reversible en courant

Cahier des charges : Avec une batterie d’accumulateurs, on veut alimen-ter une machine a courant continu sous tension variable. Cette machine est aexcitation independante, elle devra fonctionner en moteur et en generatricepour le meme sens de la vitesse de rotation. On notera que pour assurer lefreinage, on choisit de ne pas toucher a l’inducteur mais d’inverser le courantdans l’induit.Probleme : Trouver la structure du convertisseur.Caracterisation des sources d’entree et des sources de sortie : la sourced’entree est une source de tension reversible en courant ; la sortie est une


source de courant reversible en courant mais pas en tension. On en deduitque le convertisseur a utiliser est un convertisseur direct tension/courantdont la figure 1.36 indique la configuration de base.Les differentes sequences de fonctionnement sont donc : Une sequence activede traction et une sequence neutre de traction et, pour la phase de freinage,une sequence active de freinage et une sequence neutre.La figure 1.36 represente les differentes sequences de la phase de traction etleur enchaınement.La figure 1.38 represente les differentes sequences de la phase de freinage etleur enchaınement.

Pour chaque regime, on a represente le point de fonctionnement dechaque interrupteur pour les differentes sequences. On peut en deduire lesresultats suivants :

– Phase de traction : L’etude a ete faite au paragraphe precedent et celaconduit au schema du convertisseur represente sur la figure 1.37 ;

– Phase de freinage :Pour passer de la sequence active (1’) a la sequence neutre (2’), K1

devra etre un interrupteur a blocage spontane, conduisant un courantnegatif avant son blocage et K2 un interrupteur a amorcage commandeconduisant un courant positif.Pour passer de la sequence (2’) a la sequence (1’), il faudra pour K2

un blocage commande et pour K1 un amorcage spontane.Cela conduit au schema du convertisseur de la figure 1.39.

Si l’on veut un convertisseur qui fonctionne a la fois en traction et enfreinage, il doit comporter tous les interrupteurs dont on vient de preciserles types de commutation et cela donne la structure de la figure 1.40.


Fig. 1.36 – Sequences de fonctionnement et caracteristiques des interrup-teurs pour un hacheur non reversible en courant.


Fig. 1.37 – Structure d’un hacheur non reversible en courant.


Fig. 1.38 – Sequences de fonctionnement et caracteristiques des interrup-teurs pour un hacheur en phase de freinage.


Fig. 1.39 – Structure d’un hacheur fonctionnant en phase de freinage.

Fig. 1.40 – Structure d’un hacheur reversible en courant.

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