MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE AHMED DRAYA ADRAR
Faculté des sciences et de la technologie
3ème année Informatique Industrielle
Support de cours
Du module
Electronique de puissance
Préparé par :
Salim MAKHLOUFI
2014/2015
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
Sommaire
Chapitre 1 - Introduction générale…………………………………………………………….3
Chapitre 2 - Semi-conducteurs de puissance…………………………………………………..5
Chapitre 3 – Convertisseur alternatif – continu………………………………………………16
Chapitre 4 – Convertisseur continu – continu……………………………………….………..32
Chapitre 5 – Convertisseur continu – alternatif…………………………………….……….39
Chapitre 6 – Convertisseur alternatif – alternatif…………………………………..……….44
2
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
Chapitre 1 - Introduction générale
1.1 Introduction
Le réseau de distribution électrique fournit un courant à 50 Hz avec une tension fixe. Or on
peut avoir besoin ou de courant continu, ou de courant alternatif à une autre fréquence pour
alimenter par exemple des machines électrique.
Il est nécessaire de pouvoir disposer d’outils permettant de faire les transformations entre
réseaux continus et alternatifs, mais également d’alternatif à alternatif (changement de
fréquence) ou de continu à continu.
On peut dénombrer quatre possibilités de conversion:
Source continue
E1
1
Source continue
E2
4
Source alternative
V2, f2
2
3
Source alternative
V1, f1
Possibilités de conversion
1- Conversion continu/continu (hacheur):
Changement de valeur (E1 ≠ E2).
2- Conversion continu/alternatif : onduleur.
3- Convertisseur alternatif/continu : redresseur.
4- Convertisseur alternatif /alternatif : on distingue
- Changement de valeur efficace : gradateur
- Changement de fréquence : cycloconvertisseur.
On appel ces cinq dispositifs des convertisseurs statiques. Le mot statique est utilisé pour
distinguer ces convertisseurs des convertisseurs employés autrefois et qui utilisés le
mouvement pour réaliser la conversion. Par exemple pour réaliser la conversion
alternatif/continu on utilisait une dynamo.
1.2 Notion de rendement
Comme les puissances en jeux peuvent être importantes, la notion de rendement est
essentielle en électronique de puissance. Plus les pertes sont grandes, plus elles sont difficiles
à évacuer et plus elles sont onéreuses. Pour limiter les pertes il faut travailler en commutation.
1.3 Notion de commutation
Le semi-conducteur de puissance joue le rôle analogue à celui d’un interrupteur mécanique :
3
Cours Electronique de puissance
-
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Fermé ou passant, il laisse passer le courant en provoquant le moins de chute de
tension possible
Ouvert ou bloqué, il ne laisse passer qu’un courant de fuite négligeable malgré la
tension appliquée à ses bornes.
Dans un convertisseur statique, pour obtenir les grandeurs de sortie souhaitées, on agit à l’aide
des interrupteurs à semi-conducteurs sur les connexions entre la source d’énergie électrique et
le récepteur, on provoque ainsi un hachage des grandeurs, ce qui nécessite d’ordinaire un
filtrage.
1.4 Applications de l’électronique de puissance
Les applications de l’électronique de puissance sont très vastes, on peut citer à titre indicatif :
Applications domestiques :
-
Les gradateurs utilisés pour ajuster l’intensité lumineuse des lampes halogène.
Les alimentations à découpage contenues dans les téléviseurs, les ordinateurs... etc.
Les dispositifs permettant de faire varier les vitesses de rotation des machines à
laver, des aspirateurs, des perceuses… etc.
Dans le transport :
-
Démarrage des voitures
Voiture hybride et voiture tout électrique
Alimentation des moteurs des motrices des trains, métros et tramways.
Dans l’industrie :
-
Variateurs de vitesses pour moteurs de laminoir… etc.
Alimentation sans interruption pour application sensible telle que les
télécommunications, l’informatique… etc.
Alimentation pour four à arc… etc.
4
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Chapitre 2 - Semi-conducteurs de puissance
2.1 Introduction
L’interrupteur est l’élément essentiel constituant un convertisseur statique. Plusieurs types
d’interrupteurs à base de semi-conducteurs existent sur le marché. Dans ce chapitre, nous
verrons les composant les plus connus et les plus utilisés.
2.2 Interrupteur idéal
L’interrupteur idéal est un élément qui possède deux états stables :
-
Un état passant
Un état bloqué
La figure ci-dessous donne une représentation type d’un interrupteur parfait.
Ik
Uk
Interrupteur parfait
Pour faire apparaitre clairement les deux états de l’interrupteur, on a couramment recourt à
une représentation dans le plan (Uk , Ik). On représente ainsi la caractéristique de cet
interrupteur par (voir figure ci-dessous):
-
Etat passant : un segment de droite confondu avec l’axe Uk = 0
Etat bloqué : un segment de droite confondu avec l’axe Ik = 0
Ik
Etat passant
Etat bloqué
Uk
Caractéristique de l’interrupteur parfait
5
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2.3 Classification des interrupteurs
On peut classer les caractéristiques des interrupteurs idéaux en trois classes :
2.3.1 Caractéristique statique à deux segments
On peut définir dans cette famille d’interrupteurs deux types de caractéristiques, dont le point
commun est de représenter des interrupteurs unidirectionnels en tension et unidirectionnels en
courant. Les deux caractéristiques possibles sont représentées dans la figure ci-dessous.
Ik
Ik
Uk
Uk
Uk > 0 et Ik > 0
Uk < 0 et Ik > 0
Caractéristiques statique à deux segments
2.3.2 Caractéristique statique à trois segments
On peut définir dans cette famille d’interrupteurs deux types de caractéristiques :
 Caractéristique unidirectionnelle en courant et bidirectionnelle en tension
 Caractéristique bidirectionnelle en courant et unidirectionnelle en tension
Les deux caractéristiques possibles sont représentées dans la figure ci-dessous.
Ik
Ik
Uk
Uk
Caractéristiques statique à trois segments
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2.3.4 Caractéristique statique à quatre segments
Il n’existe, évidemment, dans cette famille qu’un seul type de caractéristique. Cette
caractéristique est donnée sur la figure ci-dessous. Pour ce type de caractéristique, la tension
et le courant sont bidirectionnel.
Uk
Uk
Caractéristiques statique à quatre segments
2.4 Commutation
Le passage d’un état à un autre, c’est-à-dire de l’état passant vers l’état bloqué ou l’inverse,
s’appel commutation.
Il existe deux types de commutation :
2.4.1 Commutation spontanée :
Le changement d’état de l’interrupteur est lié à l’évolution des grandeurs électriques dans le
circuit (annulation d’un courant ou d’une tension).
2.4.2 Commutation commandée :
Le changement d’état de l’interrupteur se fait par action sur sa commande, les conditions
initiales en courant ou en tension étant différents de zéro.
2.5 Eléments non commandables
Il n’existe qu’un seul composant dont toutes les commutations (amorçage et blocage) sont
spontanées. Il s’agit d’un interrupteur à deux segments : c’est la diode.
2.5.1 La diode
La diode est composant électronique à base de semi-conducteur, elle possède deux électrodes,
à savoir une anode est une cathode. Elle ne permet la circulation du courant que dans un seul
sens : de l’anode vers la cathode.
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2.5.2 Symbole
K
UD
ID
A
2.5.3 Caractéristique statique
Dans la caractéristique idéale de la diode, pour passer de l’état passant (U d = 0) à l’état bloqué
(Id = 0), on ne peut que longer les axes (Ud , Id) car le quadrant Ud . Id < 0 est interdit. Donc
les commutations de la diode idéale sont ainsi définit comme suit : amorçage sous Ud = 0


amorçage sous Ud = 0
blocage pour Id = 0
Pour le composant réel, les différences par rapport au composant idéal sont :



chute de tension directe : lorsque la diode est passante, on mesure une tension
comprise entre 0.7 et 1 volt.
Application d’une tension inverse : il existe la circulation d’un courant inverse qui,
bien que de valeur faible, est non nul.
Tension d’avalanche : lorsque la tension appliquée dépasse une certaine limite
(indiquée par le constructeur du composant), le courant inverse augmente fortement,
ce qui peut détruire le composant.
ID
UD
Caractéristiques statique Idéale et réelle d’une Diode
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2.5.4 Caractéristique dynamique
La caractéristique de blocage d’une diode est la suivante :
Caractéristiques dynamique Idéale d’une Diode
trr : temps de recouvrement : trr = tr + ti
IRM : pointe de courant inverse.
Ce sont deux paramètres très important dans le choix d’une diode.
2.6 Eléments entièrement commandables
2.6.1 Transistor bipolaire
C’est un semi-conducteur généralement de type NPN capable de tenir des tensions jusqu’à
1.2kV et pouvant être traversé par des courants de quelques dizaines d’ampères.
IC
IC
IC
UC
E
Symbole
Caractéristique idéale
9
UC
UC
E
E
Caractéristique Réelle
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Commande
La commande d’un transistor bipolaire doit permettre d’assurer l’état de blocage, l’état de
saturation ainsi que le passage d’un état à l’autre.
Un paramètre important pour tout transistor est son gain en courant β, il faut que le courant de
base IB et le courant du collecteur IC vérifient la relation β IB > IC Pour assurer la saturation.
Typiquement, la commande d’un transistor bipolaire doit être telle que :
1. A l’amorçage, on doit générer une pointe de courant afin de saturer les jonctions du
transistor au plus vite.
2. Une fois amorcer, le courant IB doit suivre le courant IC au rapport β près, afin de se
placer en quasi-saturation plutôt qu’en saturation.
3. Au blocage, on doit extraire un courant de la base afin d’accélérer la désaturation des
jonctions du transistor.
2.6.2 Le transistor MOSFET
Le transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field effect) désigné par MOS de façon
abrégé, est un élément semi-conducteur à effet de champs. Il est composé de trois électrodes :
le drain D, la source S et la grille G qui correspondent respectivement au collecteur, à
l’émetteur et à la base d’un transistor bipolaire.
ID
ID
ID
UDS
E
Symbole
Caractéristique idéale
UDS
UDS
E
E
Caractéristique Réelle
Remarque
Par sa structure physique, ce composant possède une diode en antiparallèle. Cette diode peut
supporter le même courant nominal que celui supporté par le transistor. En revanche, cette
diode possède un temps de recouvrement relativement élevé.
Les atouts du MOS sont les suivants :

Une grande rapidité de commutation, notamment en ce qui concerne le blocage par
rapport au transistor bipolaire.
10
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
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Une simplicité dans la mise en œuvre de la commande. L’amorçage du MOS se fait
par la charge ou la décharge de la capacité grille-source. C’est une commande en
tension.
Le défaut majeur du MOS est sa résistance élevée à l’état passant qui engendre des pertes
élevées. Ceci limite l’utilisation du MOS pour des applications de quelques centaines de volts
et quelques dizaines d’ampères.
Des MOS plus récents appelés « Cool MOS » possèdent une résistance à l’état passant de
l’ordre du Mili-ohm.
Commande
Considérons le schéma suivant sur lequel figure les capacités existantes entre les différentes
bornes du MOS.
CGD
CDS
CGS
CGS : capacité grille-source, les variations de la tension à ses bornes vont provoquer le blocage
ou l’amorçage du composant.
CDG : capacité grille-drain.
CDS : capacité drain-source.
Pour amorcer le MOS il suffit de charger CGS. Pour le bloquer il faut décharger cette capacité.
Remarque : pour que la charge et la décharge de CGS soit effectuée dans un temps limité il
faut que le courant entrant ou sortant de la grille soit suffisamment grand.
2.6.3 L’IGBT
L’IGBT « Insulated Gate Bipolar Transistor » est un composant à trois électrodes : la grille
sur laquelle sont appliquées les signaux de commande, ainsi que le collecteur et l’emetteur.
Commande
La commande de l’IGBT est la même que celle d’un MOS.
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IC
IC
IC
UC
E
Symbole
Caractéristique idéale
UC
UC
E
E
Caractéristique Réelle
Avantages


Simplicité de commande : l’amorçage et le blocage se fait par la charge et la décharge
de capacité de faible valeur.
Peut supporter des tensions inverses au blocage élevées (supérieures à 1000volts)
Inconvénients


Le problème de la « queue de courant » : même après que la commande de blocage est
appliquée, un courant continu de traverser le composant (pour évacuer les charges
stockées dans la jonction PN)
Tension de saturation élevée à cause du « seuil de décrochage » qu’on remarque sur la
caractéristique réelle on doit signaler que ces inconvénients sont sensiblement
améliorés ces dernières années.
2.6.4 Le GTO
Le GTO « Gate turn off » est un thyristor blocable, ce composant possède trois électrodes : la
gâchette sur laquelle sont appliquées les signaux de commandes, ainsi que l’anode et la
cathode.
Comme le montre la caractéristique statique, le GTO ne peut pas bloquer une tension inverse
(UAC < 0). L’application d’une telle tension peut amener à la destruction du composant.
Deux solutions sont envisageables :
1. La mise en série d’une diode pour supporter les tensions inverse.
2. La mise en anti parallèle d’une diode pour annuler les tension inverse (conduction
inverse)
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IA
IA
A
IA
UAC
E
G
K
Symbole
UAC
UAC
E
E
Caractéristique idéale
Tension inverse
Caractéristique Réelle
Conduction inverse
Application
Le GTO peut supporter des tensions de blocage directes très élevées (quelques kV), pour des
courants nominaux allants jusqu’à des centaines d’ampères. Ils est utilisé pour les moteurs à
courants alternatif de grandes puissance.
Commande
La figure ci-dessous illustre le forme type du courant de gâchette d’un GTO.
Commande du GTO
La mise en conduction nécessite une impulsion de courant de gâchette d’environ cinq fois
supérieure à IGT. Le blocage du GTO nécessite de soutirer un courant de 20 à 100% du
13
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courant d’anode pendant quelque centaines de nano secondes. Il faut pour cela appliquer une
tension négative entre la gâchette et la cathode.
Remarques



Si IG < IGT : la commande du GTO est proche de celle d’un transistor.
Si IG > IGT : la commande du GTO est proche de la commande d’un thyristor.
Une fois le GTO amorcé, on doit maintenir le courant de gâchette à IGT afin de réduire
les pertes par conduction.
2.7 Eléments semi commandables
2.7.1 Le thyristor
Le thyristor est un élément de puissance dont une seule commutation est commandée : c’est
l’amorçage. Lorsque la tension au borne du composant est positive est qu’il reçoit une
impulsion sur la gâchette le thyristor est amorcé. Le blocage se fait spontanément lorsque le
courant le traversant devient nul.
IA
IA
UAK
UAK
E
E
Caractéristique idéale
Caractéristique Réelle
A
IA
UAK
E
G
K
Symbole
Commande
La commande doit fournir l’impulsion d’amorçage. Cette impulsion doit remplir les exigences
suivantes :
14
Cours Electronique de puissance



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Amplitude bien supérieure à la valeur minimale exigée par le constructeur.
Le flanc montant de l’impulsion de courant doit être très court (<1μs)
La durée de l’impulsion doit être suffisamment longue pour que le courant d’anode ait
le temps de dépasser la valeur du courant de maintien.
2.7.2 Types de thyristors
Quatre grandes familles de thyristors existent :
Thyristor SCR (Silicon Controled Rectifier)
L’amorçage de ce composant est possible lorsque la tension UAK est positive. A ce moment-là,
le composant peut s’amorcer si une impulsion positive est appliquée sur la gâchette.
Le blocage du SCR est du type diode par annulation du courant qui le traverse.
Thyristor ASCR (Asymetrical Silicon Controled Rectifier)
C’est un thyristor asymétrique qui ne possède aucun pouvoir de blocage inverse, mais qui
possède les avantages suivants :


Chute de tension à l’état passant moins faible par rapport au SCR.
Temps d’amorçage plus court.
Pour éliminer le problème de blocage inverse on peut ajouter une diode an antiparallèle.
Thyristor RCT
Il s’agit d’un thyristor qui, grâce à une diode intégrée en antiparallèle, peut conduire en
inverse. Soumis à une tension positive, le RCT ne conduit que si la gâchette a été stimulée.
Le Triac
Ce composant est l’équivalent de la mise en antiparallèle de deux thyristor, mais avec une
gâchette commune. Ainsi il devient bidirectionnel en tension et en courant.
Pour amorcer le Triac, on doit appliquer une tension, positive ou négative, sur la gâchette
suivant le signe de la tension aux bornes du composant.
Le blocage est spontané au passage par zéro du courant qui le traverse.
A
IA
UAK
E
G
K
Symbole du Triac
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Chapitre 3 – Convertisseurs Alternatif-Continu
(Redresseurs)
3.1 Introduction
La tension fournit par le secteur est de type alternatif. Un grand nombre d’appareils
fonctionnent avec un courant continu, d’où la nécessité de la conversion AC/DC.
Il existe plusieurs types de convertisseurs AC/DC, à savoir :



Les redresseurs non commandés simple et double alternance à base de diodes.
Les redresseurs commandés à base de thyristors.
Les redresseurs mixtes.
3.2 Redresseurs non commandés
3.2.1 Redresseurs simple alternance
La figure ci-dessous illustre le schéma de principe d’un tel redresseur.
D
i
VD
Ve
Vs
Charge
Charge résistive
D
i
VD
Ve
R
Ve est un signal sinusoïdal de la forme
Si Ve > 0 la diode est passante d’où :
VD = 0 (ou 0.7) d’où
Si Ve < 0 la diode est bloquée donc le courant i est nul d’où :
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Vs
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Chronogrammes
Ve(t)
t
Vs(t)
t
VD(t)
D passante
D bloquée
t
Valeurs moyennes
La valeur moyenne de la tension de sortie se calcule comme suit :
⟨ ⟩
∫
( )
∫
[
]
La valeur moyenne du courant de sortie se calcule comme suit :
⟨ ⟩
⟨ ⟩
Valeurs efficaces
∫
( )
17
Cours Electronique de puissance
Changeons les variables,
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d’où :
donc
∫
∫ (
⁄
)
Ondulation
⟨ ⟩
⁄
⟨ ⟩
Avec une charge résistive, l’ondulation de courant et de tension sont importantes.
Charge inductive
Le schéma de principe du circuit est montré dans la figure ci-dessous.
D
i
VD
R
Vs
Ve
L
Tant que la diode conduit, on a
Si D est passante alors
;
peut devenir donc négative.
donc
(
⁄ )
D reste passante tant que le courant la traversant reste positif, donc tant que
La diode se bloc à l’instant t2 ou le courant veut devenir négatif, c-à-d à l’instant ou :
18
⁄ .
Cours Electronique de puissance
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⁄
Le courant est maximum à l’instant
tel que :
⁄
.
Le courant est la solution de l’équation différentielle suivante :
La solution de cette équation est de la forme :
(
(
(
√
) ;
)) avec :
;
Remarques
1. L’ondulation du courant diminue par rapport à la charge résistive, elle est d’autant
plus faible que L est grande.
2. Le temps de conduction de la diode augmente également avec l’augmentation de L.
3. La valeur moyenne de Vs augmente avec l’augmentation de L.
Chronogrammes
Ve(t)
t
Vs(t)
i(t)
t
t1
t2
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Charge RL avec diode de roue libre
Le schéma de principe du convertisseur est illustré dans la figure ci-dessous.
D1
i
VD
R
D2
Ve
Vs
L
Fonctionnement
Pour
cas précèdent.
A l’instant
le circuit est identique au cas précèdent, donc Vs et i sont les même que le
(
on a
: à l’instant
)
D2 devient passante est D1 devient bloquée. La tension Vs est
égale à zéro.
Le courant i répond à l’équation différentielle :
donc
(
⁄
)
A l’instant t = T, la valeur du courant i est la suivante :
Pour
les valeurs de la tension et du courant de la charge sont ceux de la
première étape en prenant ( )
.
A l’instant 3T/2 la valeur du courant de la charge vaut I3 qui est supérieur à I1.
Pour t > 3T/2 la valeur moyenne du courant de charge croît au fur et à mesure des alternances
pour tendre vers une limite au régime permanent.
Chronogrammes
Les chronogrammes des tensions d’entrée et de sortie et du courant de sortie sont illustrés
dans la figure ci-dessous.
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Ve(t)
t
Vs(t)
i(t)
I3
I1
I2
t
T
T/2
3T/2
Régime permanent
Pour
(
(
))
Pour
( )
A l’instant t = T/2
On pose
(
)
et on obtient un système de deux équations à deux inconnus :
(
{
)
d’où
et
Pour obtenir un courant le plus lisse possible il faut que
21
donc
d’où
.
Cours Electronique de puissance
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Chronogrammes
Ve(t)
t
Vs(t)
i(t)
I’
I
t
T/2
T
3T/2
3.2.2 Redresseur double alternance
Charge RL
Le schéma de principe du redresseur double alternance, à pont de diodes et avec une charge
RL, est illustré dans la figure ci-dessous.
i
D2
D1
R
Vs
Ve
D3
D4
√
Pour
D1 et D3 conduisent
22
L
Cours Electronique de puissance
Pour
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D2 et D4 conduisent.
Le courant i suit la même relation que le paragraphe précédent, c.-à-d. :
(
(
))
Pour avoir un courant le plus lissé possible, il faut que
.
Chronogrammes
Ve(t)
t
Vs(t)
i(t)
Imax
I0
Imin
t
T
T/2
3T/2
Valeurs moyennes
⟨ ⟩
∫
d’où ⟨ ⟩
⟨ ⟩
⟨⟩
⟨
⟩
⟨
⟩
⟨
⟩
d’où:
⟨ ⟩;⟨ ⟩
⟨ ⟩ d’où:
⟨ ⟩
Charge RLE
La force contre électromotrice E est continue est doit vérifier la condition :
Suivant la valeur de la constante de temps (
.
) la conduction est continue ou interrompu.
Le schéma de principe est illustré dans la figure ci-dessous.
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i
D1
D2
R
Vs
L
Ve
D4
D3
E
Fonctionnement
Conduction interrompu
Pour
;
tension de sortie vaut :
Pour
;
. Toutes les diodes sont bloquées et le courant est nul. La
. Les diodes D1 et D3 sont passantes et la tension de sortie vaut :
Le courant est solution de l’équation différentielle suivante :
Pour
;
tension de sortie vaut :
Pour
;
. Toutes les diodes sont bloquées et le courant est nul. La
. Les diodes D2 et D4 sont passantes et la tension de sortie vaut :
Le courant de sortie est le même que celui de l’étape précédente (
).
Conduction continue
La tension de sortie a une allure identique à celle d’une charge résistive. Le courant est la
solution de l’équation différentielle mentionnée dans le paragraphe précédent. Durant
l’alternance positive c’est les diodes D1 et D3 qui conduisent, et pendant l’alternance négative
c’est les diodes D2 et D4 qui conduisent.
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Chronogrammes
Conduction interrompu
Vs(t)
E
i(t)
t
T
T/2
3T/2
Ve(t)
Conduction continue
Vs(t)
i(t)
t
T/2
T
3T/2
Ve(t)
3.3 Redresseurs commandés
Les redresseurs non commandés permettent d’obtenir une tension continue à partir d’une
tension alternative. La valeur moyenne obtenue par ces convertisseurs est fixe, et ne peut pas
être réglées. Pour obtenir plus de degrés de liberté, les diodes sont substituées par des
interrupteurs commandés, notamment des thyristors, cela permet d’obtenir des convertisseur
commandables.
3.3.1 Redresseur commandable simple alternance sur charge résistive
Le schéma de principe d’un tel convertisseur figure est illustré dans la figure ci-dessous.
On définit α l’angle de retard à l’amorçage qui vérifie la relation suivante :
ou
est le temps de retard à l’amorçage par rapport au passage par zéro.
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TH
i
VAK
Ve
R
Vs
Fonctionnement
Pour
la tension d’entrée Ve est positive, le thyristor peut conduire mais il ne
reçoit pas d’impulsion d’amorçage, donc il reste bloquée. La tension de sortie Vs est nulle.
Pour
. Pour un angle
une impulsion de courant est envoyée sur la
gâchette du thyristor, ce qui le rend passant. La tension de sortie devient :
Pour
. La tension d’entrée est négative, donc le thyristor est polarisé en inverse
et il devient bloqué.
Chronogrammes
Pour obtenir l’allure de la tension VAK il faut constater que
des différentes tensions sont illustrés ci-dessous.
. Les chronogrammes
VGK(t)
α
2π+α
4π+α
ωt
Ve(t)
π
2π
ωt
3π/2
Vs(t)
ωt
VAK(t)
ωt
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Valeurs moyennes
⟨ ⟩
( )
∫
⟨ ⟩
( )
∫
[
∫
avec
.
]
⟨ ⟩
On remarque que la valeur moyenne de Vs dépond de α. Elle est maximale pour
est nulle pour
.
⟨⟩
, et elle
⟨ ⟩
3.3.2 Redresseur commandable simple alternance sur charge RL
Le schéma de principe de ce convertisseur est illustré dans la figure ci-dessous.
TH
i
VAK
R
Ve
Vs
Fonctionnement
Avant l’application de l’impulsion de commande, le thyristor est bloqué. Donc la tension de
sortie Vs est nulle.
Après l’amorçage du thyristor, la tension de sortie est égale à la tension d’entrée, c.-à-d. :
Elle restera ainsi tend que le thyristor conduit, donc tend que le courant i n’est pas nul. Ceci
implique que la tension de sortie peut devenir négative.
Le courant de sortie ce déduit de la même façon que les paragraphes précédents.
Chronogrammes
Les chronogrammes des différentes grandeurs sont illustrés dans la figure ci-dessous.
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VGK(t)
α
2π+α
4π+α
ωt
Ve(t)
π
ωt
2π
3π/2
Vs(t)
i(t)
ωt
ωt
VAK(t)
ωt
3.3.3 Redresseur commandé double alternance sur charge RLE
Le schéma de principe de ce convertisseur est illustré dans la figure ci-dessous.
i
Th2
Th1
R
Vs
L
Ve
Th3
Th4
E
Fonctionnement
On suppose que le courant ne s’annule pas dans la charge.
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A l’instant
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les thyristors Th1 et Th3 sont amorcés. les thyristors Th2 et Th4 sont amorcés à
l’instant
; où α est l’angle d’amorçage. A chaque amorçage, les deux thyristors amorcés
conduisent. Il dérive le courant i, ce qui bloque les deux autres thyristors.
La tension de sortie vaut donc :
[
si
si
]
[
]
Chronogrammes
Les chronogrammes des différentes grandeurs sont illustrés ci-dessous.
VGK2, VGK4
π+α
VGK1, VGK3
α
ωt
3π+α
2π+α
4π+α
ωt
Ve(t)
π
2π
3π/2
ωt
Vs(t)
ωt
ωt
VAK1
ωt
29
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
Valeurs moyennes
⟨ ⟩
[
∫
]
d’où :
⟨ ⟩
La tension moyenne en sortie peut être positive ou négative suivant la valeur de .
Ci-dessous le tracé de la fonction ⟨ ⟩
( ) avec
.
⟨𝑉𝑠 ⟩
𝑉𝑒
𝜋
𝜋
𝑉𝑒
𝜋
⟨⟩
⟨ ⟩
30
𝜋
𝛼
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
Chapitre 3 – Convertisseurs DC/DC
(Hacheurs)
4.1 Introduction
Les hacheurs sont les convertisseurs statiques qui permettent le transfert de l’énergie
électrique d’une source continue vers une autre source continue. Ils sont l’équivalent du
transformateurs en alternatif.
4.2 Hacheur série (Buck)
C’est le montage le plus simple et le plus ancien. Il permet de relier une source de tension
continue à une source de courant continue. L’énergie ne peut circuler que de l’entrée vers la
sortie.
4.2.1 Schéma de principe
La figure ci-dessous illustre le schéma de principe du convertisseur Buck.
ie
K
VT
iL
Ve
is
L
D
VD
C
Rch
Vs
Schéma de principe du convertisseur Buck
K : élément entièrement commandable (transistor bipolaire, MOS, GTO… etc)
D : Diode.
4.2.2 Fonctionnement
Les interrupteurs K et D sont ouverts et fermés de façon complémentaire.
On définit α le rapport cyclique qui vaut :
Où ton est le temps de conduction de l’élément commandable et T la période de commutation
et :
d’où
Deux modes de fonctionnement sont possibles :
31
Cours Electronique de puissance


Salim MAKHLOUFI
Conduction ininterrompu : le courant dans la charge ne s’annule jamais.
Conduction interrompu : le courant dans la charge s’annule après un certain temps.
Débit non interrompu dans la bobine
Deux phases de fonctionnement existent :
Phase active :
K fermé, alors :
, donc D est bloquée.
ie
VT
K
iL
VL
Ve
L
D
Phase de roue libre :
VD
K est ouvert.
Si K est ouvert mais
, alors D est passante donc VD = 0.
Calculons la valeur moyenne de VD
⟨
⟩
∫
Vs
( )
VD
Ve
∫
t
(
)
ton=αT
T
La loi des mailles donne :
d’où
ce qui conduit à :
⟨ ⟩
⟨
d’où ⟨ ⟩
⟩ car ⟨ ⟩
Puisque
donc
On constate que le convertisseur série (Buck) est un convertisseur abaisseur.
Déterminons l’allure de VL afin de calculer le courant dans la bobine.
Phase active
(
)
32
2T
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
Ceci indique que le courant croît.
Si L est suffisamment grand le courant croît linéairement avec une pente :
Si à
(
)
on aura :
(
)
d’où :
A la fin de cette phase
(
)
Phase de roue libre
Ceci indique que le courant décroît.
Si L est suffisamment grand le courant décroît linéairement avec une pente :
.
A la fin de cette phase
VL
(1-α)Ve
Iα
iL
I0
t
ton=αT
T
2T
-αVe
Le courant dans la bobine fluctue entre I0 et Iα , l’ondulation de courant vaut donc :
(
)
Elle est nulle lorsque α vaux 0 ou 1 et elle est maximal lorsque
⟨ ⟩
(
⟨ ⟩
et vaut ainsi :
) d’où :
⟨ ⟩
Le cas limite de la conduction continue est obtenu pour
33
.
Cours Electronique de puissance
Dans ce cas ⟨ ⟩
Salim MAKHLOUFI
(
donc
)
.
Débit interrompu dans la bobine
α
Phase active :
K fermé, alors :
, donc D est bloquée.
Phase de roue libre :
K est ouvert.
Si K est ouvert mais
, alors D est passante donc VD = 0.
Phase de repos :
K est ouvert.
Si K est ouvert mais
, alors D est bloquée.
donc VL = 0 VD = Vs.
VD
Ve
Vs
t
αT
Ve-Vs
βT
T
2T
VL
IL
βT
αT
t
2T
T
-Vs
Calculons les valeurs moyennes :
⟨
⟩
∫
( )
((
∫
( )
((
)
)
⟨ ⟩
(
)
D’où :
⟨ ⟩
)
)
(
)
4.3 Hacheur parallèle (Boost)
Le schéma ci-dessous illustre le principe de ce convertisseur. Le montage possède deux
régimes de fonctionnement suivant que le courant s’interrompt ou non dans la bobine.
34
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
VL
D
iL
is
iD
L
iC
Ve
K
C
V
Rch
Vs
iK
La période doit être décomposée en deux ou trois phases successives :
Phase d’accumulation :
K est fermé, la tension V est nulle et la diode D est bloquée. C assure le courant d’utilisation
et la bobine est soumise à
(
Phase active:
)
K est ouvert, le courant dans la bobine n’est pas nul, la diode D est donc passante d’où :
Si l’énergie stockée dans la bobine lors de la première phase n’est pas suffisante pour
maintenir le courant jusqu’à la fin de la période, il y a une troisième phase dite :
Phase de repos :
K est ouvert, la diode est bloquée. Tous les courants sont nuls à l’exception de is qui vaut
C’est la capacité C qui assure à nouveau le courant.
VL
Ve
Iα
iL
I0
t
αT
T
2T
Ve-Vs
Pour trouver la valeur de Vs il suffit d’exprimer que ⟨ ⟩ doit être nulle, ainsi :
(
)(
)
Ce qui donne :
35
.
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
La tension de sortie est supérieure à la tension d’entrée.
La figure ci-dessous montre les courants dans différent composants.
iL
Iα
I0
t
αT
T
2T
iK
Iα
I0
t
iD
Iα
I0
t
Pour un débit interrompu :
(
)
4.4 Hacheur Buck-Boost
La figure ci-dessous illustre le schéma de principe du hacheur buck-boost. Dans ce hacheur la
sortie Vs est inversée.
D
ie
K
Ve
iD
is
iL
L
iC
C
VL
Rch
Vs
Selon que le débit est continu ou non, la période se décomposera en deux ou trois phases :
Phase d’accumulation :
36
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
L’interrupteur K est fermé. La tension Ve est appliquée à la bobine c’est-à-dire :
Donc la diode est bloquée. Le condensateur assure le courant d’utilisation.
VD
ie
K
is
iL
Ve
VL
L
(
Phase de restitution :
iC
C
Rch
Vs
)
K est ouvert mais iL n’est pas nul, ce qui force la diode à conduire d’où
VK
ie
.
is
K
iL
Ve
L
iC
C
VL
Rch
Vs
Phase de repos :
Cette phase a lieu si le courant dans la bobine s’annule. Dans ce cas, la charge reçoit le
courant de la capacité C.
Nous savons que la valeur moyenne de VL est nulle. Cela conduit selon la figure ci-dessous à :
(
) d’où :
)(
VL
Ve
Iα
iL
I0
t
αT
T
-Vs
37
2T
Cours Electronique de puissance
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La tension de sortie est inférieure à la tension lorsque α < 0.5 ; la tension de sortie est
supérieure à la tension lorsque α > 0.5 .
Lorsque le débit est interrompu
(
)
4.5 Exemple d’application
La figure ci-dessous illustre un exemple d’application du hacheur Buck-boost. Il s’agit du
circuit de principe d’une alimentation symétrique.
+Vcc
Q
-Vcc
D
E
C
L
0V
38
Cours Electronique de puissance
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Chapitre 5 – Convertisseurs Continu-Alternatif
(Onduleurs)
5.1 Introduction
Un onduleur est un convertisseur statique continu – alternatif. Un onduleur est assisté si la
fréquence et la tension sont imposées par le réseau. Si la fréquence et la tension son réglable,
on dit que l’onduleur est autonome.
5.2 Onduleur à deux interrupteurs
5.2.1 Charge résistive
Le schéma de principe du convertisseur est illustré dans la figure ci-dessous.
𝐾
𝐸
𝑖𝐾
𝑅
𝑖
𝑉𝑠
𝐸
𝑖𝐾
𝐾
Les deux alimentations continues sont égales. Les interrupteurs peuvent être des transistors ou
des thyristors. L’amorçage des deux interrupteurs se fait de façon complémentaire, si l’un est
fermé l’autre est ouvert et inversement. Les interrupteurs sont unidirectionnels, le courant ne
peut passer que dans le sens indiqué sur le schéma.
Fonctionnement
Les interrupteurs sont amorcés de façon complémentaire pendant une demi période pour
chaque interrupteur d’où :
: K1 est fermé donc K2 est ouvert et
et
: K1 est ouvert donc K2 est fermé et
et
.
.
Chronogrammes
Les chronogrammes des différentes grandeurs du convertisseur sont illustrés dans la figure cidessous.
39
Cours Electronique de puissance
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𝑉𝑠 (𝑡)
E
𝑡
𝑇
𝑇
𝑇
-E
𝑖(𝑡)
E/R
𝑡
𝑇
𝑇
𝑇
-E/R
Les valeurs moyennes du courant et de la tension de sortie sont nulles.
La valeur efficace de la tension de sortie est :
.
La valeur efficace du courant de sortie est :
.
5.2.2 Charge inductive
La charge est constituée d’une résistance en série avec une inductance. Pour éviter les
interruptions de courant qui traverse l’inductance, on doit associer à chaque interrupteur une
diode montée en antiparallèle. Le schéma de principe devient ainsi comme montré ci-dessous.
𝐷
𝐾
𝑖𝐷
𝑖𝐾
𝐸
𝑅
𝐿
𝑖
𝑉𝑠
𝐸
𝑖𝐾
𝐾
𝑖𝐷
𝐷
40
Cours Electronique de puissance
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Fonctionnement
Les interrupteurs sont amorcés de façon complémentaire pendant une demi période pour
chaque interrupteur, ce qui veut dire que l’allure de la tension est le même que celui d’une
charge résistive ; d’où :
: K1 est fermé donc K2 est ouvert et
et
: K1 est ouvert donc K2 est fermé et
.
et
.
Pour le courant, il est régit par les équations différentielles suivantes :
{
d’où :
Pour
le courant est une exponentielle croissante.
Pour
le courant est une exponentielle décroissante.
Chronogrammes
Les chronogrammes des différentes grandeurs du convertisseur sont illustrés dans la figure cidessous.
𝑉𝑠 (𝑡)
E
𝑡
𝑇
𝑇
𝑇
-E
𝑖(𝑡)
𝑡
t1
𝑇
t2
𝑇
41
𝑇
Cours Electronique de puissance
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Séquence de conduction




Pour
l’interrupteur K1 est commandé en fermeture, mais le courant i est
négatif. Le seul chemin possible pour le courant est la diode D1 qui est le seul
composant passant dans cet intervalle.
Pour
l’interrupteur K1 est commandé en fermeture, le courant i est
positif. Le seul chemin possible pour le courant est l’interrupteur K1 qui est le seul
composant passant dans cet intervalle.
Pour
l’interrupteur K2 est commandé en fermeture, le courant i est
positif. Le seul chemin possible pour le courant est la diode D2 qui est le seul
composant passant dans cet intervalle.
Pour
l’interrupteur K2 est commandé en fermeture, le courant i est négatif.
Le seul chemin possible pour le courant est l’interrupteur K2 qui est le seul composant
passant dans cet intervalle.
La figure ci-dessous montre la séquence de conduction :
D1
0
K1
t1
D2
T/2 t2
K2
D1
𝑇 T+t1
K1
D2
3T/2 T+t1
K2
𝑡
Flux d’énergie
D’après les chronogrammes ci-dessous on observe que:




Pour
la tension de sortie Vs est positive et le courant de sortie i est négatif,
ceci veut dire que la puissance de sortie est négative. On déduit que la charge se
comporte comme un générateur, et que l’énergie s’écoule de la charge vers la source,
qui doit être bidirectionnelle.
Pour
la tension de sortie Vs est positive et le courant de sortie i est
positif, ceci veut dire que la puissance de sortie est positive. On déduit que l’énergie
s’écoule de la source vers la charge.
Pour
la tension de sortie Vs est négative et le courant de sortie i est
positif, ceci veut dire que la puissance de sortie est négative. On déduit que la charge
se comporte comme un générateur, et que l’énergie s’écoule de la charge vers la
source, qui récupère l’énergie emmagasiné dans l’inductance.
Pour
la tension de sortie Vs est négative et le courant de sortie i est négatif,
ceci veut dire que la puissance de sortie est positive. On déduit que l’énergie s’écoule
de la source vers la charge.
5.3 Onduleur à quatre interrupteurs
Le schéma de principe du convertisseur est illustré ci-dessous.
42
Cours Electronique de puissance
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𝐾
𝐷
𝑖
𝐸
𝐾
𝐷
𝐾
𝐷
Charge
𝑉𝑠
𝐷
𝐾
Fonctionnement
Deux interrupteurs commandables sont amorcés pendant une demi-période ; les deux autres
sont amorcés pendant la deuxième demi-période.
Pour
: K1 et K3 sont fermés alors que K2 et K4 sont ouverts.
Pour
: K2 et K4 sont fermés alors que K1 et K3 sont ouverts.
Les diodes sont inutiles pour une charge résistive, mais ils sont indispensables si la charge est
inductive. Ils permettent de ne pas interrompre le courant dans l’inductance.
Les formes du courant et de la tension de sortie, dans le cas d’un onduleur à quatre
interrupteurs, sont les même que ceux d’un onduleur à deux interrupteurs.
Pour une charge inductive, la séquence de conduction est illustrée ci-dessous.
D1
D3
0
K1 , K3
t1
D2
D4
T/2 t2
K2 , K4
D2
D1
D4 K2 , K4
K1 , K 3
D3
𝑇 T+t1
3T/2 T+t1
𝑡
43
Cours Electronique de puissance
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Chapitre 6 – Convertisseurs Alternatif -Alternatif
(Gradateurs)
6.1 Introduction
Les gradateurs sont des convertisseurs statiques qui permettent de convertir une énergie
alternative fixe en une énergie alternative réglable. La fréquence obtenue par un gradateur est
similaire à celle du réseau, tandis que la valeur efficace est réglable, la valeur moyenne étant
nulle. Le principe du gradateur consiste en l’emploi d’un interrupteur bidirectionnel pour
gérer le flux d’énergie entre l’entrée et la sortie. L’interrupteur est, en général, constitué de
deux thyristor montés en tête-bêche pour les forte puissances. Pour les puissances plus faibles,
un triac est généralement utilisé.
6.2 Gradateur monophasé
Le schéma de principe de ce convertisseur est illustré dans la figure ci-dessous.
Th1
i
Th2
Ve
Vs
VTh
Charge
6.2.1 Charge résistive
La charge est une résistance pure. On définit
et qui vérifie l’équation suivante :
l’angle de retard à l’amorçage du thyristor Th1
Où
est le temps de retard à l’amorçage du thyristor Th1, par rapport au passage par zéro de
la tension d’entrée. est la pulsation ; elle liée à la période de commutation T par
.
Fonctionnement
La tension d’entrée est défini par :
( )
Pour
la tension d’entrée est positive. Le thyristor Th1 peut être amorcé mais il ne
reçoit pas de commande de fermeture. Le courant et la tension de sortie sont donc nuls.
44
Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
Pour
la tension d’entrée est positive. Le thyristor Th1 reçoit une impulsion de
courant sur sa gâchette et devient passant. La tension de sortie est égale à la tension d’entrée
(
) et le courant de sortie est donné par :
.
Pour
la tension d’entrée est négative. Le thyristor Th2 peut être amorcé mais
il ne reçoit pas de commande de fermeture. Le courant et la tension de sortie sont donc nuls.
Pour
la tension d’entrée est négative. Le thyristor Th2 reçoit une impulsion
de courant sur sa gâchette et devient passant. La tension de sortie et égale à la tension d’entrée
(
) et le courant de sortie est donné par :
.
Chronogrammes
Pour obtenir l’allure de la tension VTh il faut constater que
des différentes tensions sont illustrés ci-dessous.
. Les chronogrammes
VGK2(t)
ωt
π+α
3π+α
VGK1(t)
α
4π+α
ωt
Ve(t)
π
ωt
2π
3π/2
Vs(t)
ωt
VTh(t)
ωt
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Cours Electronique de puissance
Salim MAKHLOUFI
Bibliographie
Muhammad H. Rashid et al: « POWER ELECTRONICS HANDBOOK ». ACADEMIC
PRESS, CANADA, 2001.
Fraidoon Mazda: « Power Electronics Handbook ». Third edition. Newnes,UK, 1997.
Philippe Barrade : « Electronique de Puissance. Méthodologie et convertisseurs
élémentaires ». Presse Polytechniques et Universitaires Romandes, Première édition, Italie,
2006.
Michel PINARD : « CONVERTISSEURS ET ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ».
Dunod, Paris, 2007. ISBN 978-2-10-049674-7.
46