Chapitre 2 Hacheurs - semalam.orgsemalam.org/wp-content/uploads/2017/11/hacheurs-LST-GESA.pdf ·...

Chapitre

2

Electronique de puissanceLST GESA

Convertisseurs DC-DC

Hacheurs

Electromagnétisme

2

1 Introduction

Dans certaines applications industrielles, telles que le contrôle des moteurs à courant continu, les chargeurs de batterie, il est nécessaire de convertir une tension continue fixe en une tension continue variable.Il peut être réalisé par lesconvertisseurs linéaires de tension continue, mais leur rendement n'est pas assez élevée et encombrante.les convertisseurs à base de semi conducteurs de puissance, qui sont plus rentables et plus légers que les topologies linéaires, peuvent être adoptés pour réaliser la conversion dc-dc.Les co,nvertsseurs dc-dc sont constitués de

un hacheur qui divise le signal d'entrée dc en un

signal DC + AC contrôlable en hachant

un filtre, qui ne laisse passer que le composant DC et

supprime les composants AC

un circuit de commande, qui régule la tension de

sortie à la valeur de référence désirée.

Electromagnétisme

3

1 Introduction

• Hacheur est un convertisseur statique.

• Un etenson continue variable est obtenue à partir d’une tension

continue constante

• Connu sous le nom : convertisseur continue-continue

• Très Utilisé dans la commande des moteurs à cc

• Les convertisseurs à thyristors offrent un bon rendement, une

réponse rapide, moins de maintenance, petite taille et contrôle

douce

Electromagnétisme

4

1

Hacheurs dévolteur

Hacheurs survolteurs

Dans les hacheurs dévolteurs, la tension de sortie est inférieure à celle de la source

Dans les hacheurs survolteurs, la tension de sortie est supérieure à celle de la source

Types des hacheurs

Electromagnétisme

5

1 Classification des hacheurs

Classe A Classe B Classe C

Classe D Classe E

Electromagnétisme

6

1 Hacheurs Série

Hacheurs sur une charge résistive

V

i0

V0

Chopper

R

+

H

Electromagnétisme

7

1

• Hacheur dévolteur avec une charge résistive.

• Le hacheur H agit comme interrupteur dans le circuit

• Lorsque H est ON, une tension est appliquée sur la charge

• Lorsque H est OFF, La tension aux bornes de la charge est nulle

Hacheurs Série

Electromagnétisme

8

1

Vdc

v0

V

V/R

i0

Idc

t

t

tON

T

tOFF

Hacheurs Série

Electromagnétisme

9

1

Valeur moyenne de la tension de sortie.

Valeur moyenne du courant de sortie

durée de conduction du semi conducteur.

durée de blocage du semi conducteur

Periode.

1 Fréquence.

dc

dc

ON

OFF

ON OFF

V

I

t

t

T t t

fT

Hacheurs Série

Electromagnétisme

10

1

Rapport cyc

Tension de sortie m

l

o

iqu

y nn

.

e

e e

ONdc

ON OFF

ONdc

ON

tV V

t t

tV V V

T

tAvec

t

Hacheurs Série

Electromagnétisme

11

1

2

,

0

Valeur moyenne du Courant de sortie

Valeur efficace de la tension de sortie

1 ON

dcdc

ONdc

t

O eff o

VI

R

tV VI

R T R

V v dtT

Hacheurs Série

Electromagnétisme

12

1

2

,

0

2

,

1

. .

.

ONt

O eff

ONO eff ON

O

V V dtT

tVV t V V

T T

V V

Hacheurs Série

Electromagnétisme

13

1

, ,

,

,

2

,

2

Puissance de sortie

Comme

Puissance de sortie

O O eff O eff

O eff

O eff

O eff

O

O

P V I

VI

R

VP

R

VP

R

Hacheurs Série

Electromagnétisme

14

1

Résistance effective du hacheur

La tension de sortie peut etre variée

en variant le rapport cyclique

i

dc

i

VR

I

RR

Hacheurs Série

Electromagnétisme

15

1

• La tension de sortie peut être modifiée par les méthodes suivantes.

- Commande de modulation de largeur d'impulsion ou fonctionnement à fréquence constante.

- Contrôle par fréquence variable

Hacheurs Série

Electromagnétisme

16

1

-tON varie en maintenant la fréquence de découpage 'f' et la période de découpage 'T' constantes.

- La tension de sortie varie en faisant varier le temps d'activation tON

Hacheurs Série

Electromagnétisme

17

1

V0

V

V

V0

t

ttON

tON tOFF

tOFF

T

Contrôle par variation de la largeur d’impulsion

Hacheurs Série

Electromagnétisme

18

1

Contrôle par variation de la fréquence

•La fréquence de découpage 'f' varie en gardant tON ou tOFF

constante.

•Pour obtenir une plage de tension de sortie complète, la

fréquence doit varier sur une large plage.

•Cette méthode produit des harmoniques dans la sortie et pour un

grand débit, le courant de charge peut devenir discontinu

Hacheurs Série

Electromagnétisme

19

1v0

V

V

v0

t

t

tON

tON

T

T

tOFF

tOFF

Hacheurs Série

Electromagnétisme

20

1 Hacheurs Série

Hacheur série alimentant une charge inductive

V

i0

V0

Chopper

R

LFWD

E

+

H

D

Electromagnétisme

21

1

•Lorsque le hacheur est activé, l'alimentation est connectée à la charge.

•Le courant circule de l'alimentation à la charge.

•Lorsque le hacheur est à l’état OFF, le courant de charge continue à circuler dans le même sens à travers la diode D en raison de l'énergie stockée dans l'inductance «L».

Hacheurs Série

Electromagnétisme

22

1

•Le courant de charge peut être continu ou discontinu en

fonction des valeurs de 'L' et du rapport cyclique ()

•Pour un fonctionnement en courant continu, le courant de

charge varie entre deux limites Imax et Imin

•Lorsque le courant devient égal à Imax, le hacheur est désactivé

et il est activé lorsque le courant se réduit à Imin.

Hacheurs Série

Electromagnétisme

23

1

Outputvoltage

Outputcurrent

v0

V

i0

Imax

Imin

t

t

tON

T

tOFF

Continuouscurrent

Outputcurrent

t

Discontinuouscurrent

i0

Tension

de sortie

courant de

sortie

courant de

sortie

conduction

discontinue

conduction

continue

Hacheurs Série

Electromagnétisme

24

1

Expressions du courant de charge I0 pour un fonctionnement en conduction continue lorsque le Hacheur est activé

ON0 t t

Hacheurs Série

Electromagnétisme

25

1

V

i0

V0

R

L

E

+

-

Hacheurs Série

Electromagnétisme

26

1

( ) ( ) ( )

( )

( )

min

min

Utilisant la transformée de Laplace

. 0

A 0, courant 0

OO

O O O

O

O

diV i R L E

dt

V ERI p L p I p i

p p

t i I

IV EI p

RRpLp p

LL

Hacheurs Série

Electromagnétisme

27

1

( ) min

utilisant la transformée de Laplace inverse

Cette expression est valable pour 0 ,

i.e., Durant la durée ou le hacheur est ON

A cet instant le hacheur es

1

ON

R Rt t

L L

O

V Ei t e I

R

t t

e

( ) max

t off,

Courant de charge est O ONi t I

Hacheurs Série

Electromagnétisme

28

1

i0

R

L

E

Lorsque le hacheur est OFF

Hacheurs Série

Electromagnétisme

29

1

( )

( ) ( ) ( )

( ) max

Lorsque le hacheur est OFF 0

0

Avec la Transformée de Laplace

0 0

A l'instant initial 0,

Le courant 0

OFF

OO

O O O

O

t t

diRi L E

dt

ERI p L pI p i

p

t

i I

Hacheurs Série

Electromagnétisme

30

1

( )

( )

a

max

m x

Transformée de Laplace invers

1

e

R Rt t

L LO

O

Ei t I

I EI p

R Rp Lp p

L L

e eR

( ) min

Cette expression valable pour 0 ,

durant la période OFF du hacheur

A l'instant ou le hacheur commence l'état ON

ou a la fin de la période OFF, le courant de la charge est

OFF

O OFF

t t

i t I

Hacheurs Série

Electromagnétisme

31

1

( )( )

( )

max mi

min

max

n

de l'éq

Pour trouver

uation

1

&

,

A

R Rt t

L L

O

ON O

V Ei t e I e

R

t t T i

I

t I

I

Hacheurs Série

( )max min1

RT RT

L LV E

I e I eR

(1)

Electromagnétisme

32

1

( )

( )

( )

max

min

de l'équation

1

A ,

1

R Rt t

L LO

OFF ON O

OFF

Ei t I e e

R

t t T t i t I

t t T

Hacheurs Série

Electromagnétisme

33

1

min

max min

Substituant pour dans l'équation

1

On trouve,

RT RT

L L

I

V EI e I e

R

Hacheurs Série

(2)( ) ( )1 1

min max 1

RT RT

L LE

I I e eR

max

1

1

RT

L

RT

L

V e EI

R Re

Electromagnétisme

34

1

( ) ( )

( )

max

1 1

min max

max min est l'on

Substituons dans l'

dulati

équation

1

On obtient

on du courant.

RT RT

L L

I

EI I e e

R

I I

Hacheurs Série

min

1

1

RT

L

RT

L

V e EI

R Re

Electromagnétisme

35

1

( )

max min

max min

Ainsi l'onduclation du courant

Tension de sortie moyenne

.

Courant de sortie moyen

2

dc

dc approx

I I I

V V

I II

Hacheurs Série

( )( )

min m

min

max minm

a

in

x

le courant de charge est donné p

On suppose que le courant varie linéairement de

ar :

.

à

0

O ON

O

I ti I for t t T

T

I Ii I

T

I I

t

Electromagnétisme

36

1

( )

( )

( )

( )

( )

2

0

0

2

max min

min

0

2

min max min2 2max minmin

0

Valeur efficace du courant de sortie

1

1

21

T

O RMS

T

O RMS

T

O RMS

I i dtT

I I tI I dt

T T

I I I tI II I t dt

T T T

Hacheurs Série

Electromagnétisme

37

1

( )

( )( )

12 2

max min2

min min max min

2

2 max min0 min

0 0

Valeur efficace du courant de sortie

3

Valeur efficace du courant dans le hacheur

1 1

O RMS

dT T

H

I II I I I I

I II i dt I t dt

T T T

( )( )

( )

12 2

max min2

min min max min3

Résistance d'entrée effictive est

H

H O RMS

i

S

I II I I I I

I I

VR

I

Hacheurs Série

Electromagnétisme

38

1

Avec

Valeur moyenne du courant de la sourceS

S dc

i

dc

I

I I

VR

I

( )( )

12 2

max min2

min min max min3

Résistance d'entrée effictive est

H

i

S

I II I I I I

VR

I

( )H O RMSI I

Hacheurs Série

Electromagnétisme

39

1 Hacheurs parallèle

+

VOV

Chopper

CLOAD

DLI

+

Charg

e

Hacheur

H

Electromagnétisme

40

1

•Le hacheur élévateur est utilisé pour obtenir une tension de charge supérieure à la tension d'entrée V.

•Les valeurs de L et C sont choisies en fonction de l'exigence de la tension et du courant de sortie.

•Lorsque le hacheur est ON, l'inductance L est connectée à l'alimentation.

•Le courant inducteur 'I' s'élève et l'inductance stocke de l'énergie pendant le temps ON du hacheur, tON.

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

41

1

Lorsque le hacheur est bloqué, le courant inducteur I est forcé à s'écouler à travers la diode D pendant une période, tOFF.

Le courant a tendance à diminuer, ce qui entraîne une inversion de la polarité de la fém induite dans L.

Par conséquent, la tension à travers la charge est donnée par

O

O

dIV V L

dt

V V

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

42

1

Un grand condensateur "C" connecté à travers la charge, fournira une tension de sortie continue.La diode D empêche tout flux de courant du condensateur à la source.Les hacheurs élévateurs sont utilisés pour le freinage par récupération des moteurs à courant continu.

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

43

1

Expression de la tension de sortie

Supposant que la valeur moyenne du courant est I

Tension aux bornes de

Ainsi l'énergie stoquée dans l'inductance est

= .

Lorsque le hac

.

Avec durée O du hacheur

heur est O

H

N

ON

ON

L V

V I t

t N

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

44

1

( )

(énergie transmise de la source vers la charge)

Tension aux bornes de

Energie recue par

Avec durée OFF du hacheur H.

Négligeons pertes, l'énergie stoquée

Lorsque H est O

dans

F

l i

F

'

O

O OFF

OFF

L V V

L V V It

t

nductance = énergie restituée par L L

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

45

1

( )

Avec

T = période

ON O OFF

ON OFF

O

OFF

O

ON

VIt V V It

V t tV

t

TV V

T t

1 1

11

Avec rapport cyclique

ON OFF

OON

ON

T t t

V V Vt

T

t

T

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

46

1

Pour la variation du rapport cyclique dans la limite

0 1 , doit varier dans l'intervalle O OV V V

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

47

1

•Le H a besoin d'un certain temps pour s'allumer et s'éteindre.

•Le rapport cyclique peut varier seulement entre un min. & max. valeur, limitant le min. et max. valeur de la tension de sortie.

•L'ondulation du courant de charge dépend inversement de la fréquence de découpage, f.

•Pour réduire le courant d'ondulation de la charge, la fréquence doit être aussi élevée que possible.

Paramètres de performance

Hacheurs parallèle

Electromagnétisme

48

1

Un hacheur fonctionne à une fréquence de 2 kHz et connecté à une alimentation de 460 V. Si la tension de charge est de 350 volts, calculer la période de conduction du thyristor durant chaque cycle

Exemple 1

Electromagnétisme

49

1

3

460 V, = 350 V, f = 2 kHz

1 1Période du hacheur 0.5

2 10

Tension de sortie

dc

ONdc

V V

T msf

tV V

T

3

Durée de conduction du hacheur

0.5 10 3500.38 ms

460

dcON

T Vt

V

Exemple 1

Electromagnétisme

50

1

La tension d’entrée d’un hacheur élévateur est 200 V. La sortie requise est de 600 V. Si le temps de conduction du thyristor est de 200 s. Calculer

• Fréquence de découpage,

• Si la largeur d'impulsion est réduite de moitié pour une fréquence de fonctionnement constante, recalculer la nouvelle tension de sortie.

Exemple 2

Electromagnétisme

51

1

6

200 , 200 , 600

600 200200 10

cherchons :

300

ON dc

dc

ON

V V t s V V

T TV V

T t T

T

T s

6

6

Fréquence du hacheur

Pulsation dévisée par 2 :

1 13.33

300 1

200 10100

2

0

ON

f KHzT

t s

Exemple 2

Electromagnétisme

52

1

( )

6

6

Frequence est constante

3.33

1300

Tension de sor

300 10200 300 V

300 100 10

tie

ON

f KHz

T s

TV

T t

f

Exemple 2

Electromagnétisme

53

1

Un hacheur alimente une charge résistive de 20 et la tension d'entrée VS = 220V. Lorsque le hacheur est à l’état ON, sa chute de tension est de 1,5 volt et la fréquence de hachage est de 10 kHz. Si le rapport cyclique est de 80%, déterminer la tension de sortie moyenne et la largeur d’impulsion du hacheur

Exemple 3

Electromagnétisme

54

1

( ) ( )

220 , 20 , 10

0.80

= chute de tension dans le hacheur = 1.5 volts

Tension moyenne de sortie

0.80 220 1.5 174.8 V

S

ON

ONdc S

V V R f kHz

t

T

V

tV V V

T

Exemple 3

Electromagnétisme

55

1

3

3

3

3

durée d'ouverture du hacheur,

1Période de hachage,

10.1 10 secs 100 μsecs

10 10

durée d'ouverture du hacheur,

0.80 0.1 10

0.08 10 80 μs

ON

ON

ON

t T

Tf

T

t T

t

Exemple 3

Electromagnétisme

56

1

Dans un hacheur série , le courant de charge moyen est de 30A, la fréquence de découpage est de 250 Hz, la tension d'alimentation est de 110 volts. Calculer les périodes ON et OFF du hacheur si la résistance de charge est de 2 ohms.

Exemple 4

Electromagnétisme

57

1

3

30 , 250 , 110 , 2

1 1Période du hacheur, 4 10 4 ms

250

&

30 20.545

110

dc

dcdc dc

dc

dc

I Amps f Hz V V R

Tf

VI V V

R

VI

R

I R

V

Exemple 4

Electromagnétisme

58

1

3

3 3

3

temps ON du hacheur ,

0.545 4 10 2.18 ms

Temps OFF du hacheur,

4 10 2.18 10

1.82 10 1.82 ms

ON

OFF ON

OFF

OFF

t T

t T t

t

t

Exemple 4

Electromagnétisme

59

1

Un hacheur série alimente une charge résistive de R = 10 et alimentée sous la tension d'entrée de V = 200 V. Lorsque le hacheur est ON, sa chute de tension est de 2 V et la fréquence de hachage est de 1 kHz. Si le rapport cyclique est de 60%, déterminer :

- Tension de sortie moyenne- Valeur efficace de la tension de sortie- Résistance d'entrée efficace du hacheur- Rendement du hacheur.

Exemple 5

Electromagnétisme

60

1

200 , 10 , Chute de tension 2

0.60, 1 .

V V R V V

f kHz

( )

( )

( )

Tension de sortie moyenne

0.60 200 2 118.8 Volts

Valeur efficace de la tension de sortie

0.6 200 2 153.37 Volts

dc

dc

O

O

V V V

V

V V V

V

Exemple 5

Electromagnétisme

61

1

( )22

0

0 0

Tension fictive d'entrée du hacheur est :

118.811.88 A

10

20016.83

11.88

Puissance de sortie

1 1

i

S dc

dcdc

i

S dc

T T

ch

O

V VR

I I

VI

R

V VR

I I

V VvP dt dt

T R T R

Exemple 5

Electromagnétisme

62

1

( )

( )

2

2

0

0

0.6 200 22352.24 watts

10

Puissance d'entrée,

1

1

O

O

T

i O

T

O

V VP

R

P

P Vi dtT

V V VP dt

T R

Exemple 5

Electromagnétisme

63

1

( )

0.6 200 200 22376 W

10

Rendement du hacheur,

100

2352.24100 99%

2376

O

O

O

i

V V VP

R

P

P

P

Exemple 5

Electromagnétisme

64

1

Un hacheur série alimente une charge inductive avec une diode de roue libre. L'inductance de charge est de 5 H et la résistance est de 10. La tension d'entrée vers le hacheur est de 200V et le hacheur fonctionne à une fréquence de 1 kHz. Si le rapport de temps ON / OFF est 2/3. Calculer :

•Valeurs maximales et minimales du courant de charge dans un cycle de fonctionnement du hacheur.

•Courant de charge moyen

Exemple 6

Electromagnétisme

65

1

5 , 10 , 1000 ,

200 , : 2 : 3

Période du hacheur

1 11 ms

1000

2

3

2

3

ON OFF

ON

OFF

ON OFF

L H R f Hz

V V t t

Tf

t

t

t t

Exemple 6

Electromagnétisme

66

1

3

2

3

5 3 31 10 0.6 ms

3 5 5

ON OFF

OFF OFF

OFF OFF

T t t

T t t

T t t T

( ) 3

3

3

max

1 0.6 10 0.4 msec

Rapport cyclique,

0.4 100.4

1 10

Valeur maximale du courant de sortie

1

1

ON OFF

ON

ON

dRT

L

RT

L

t T t

t

t

T

V e EI

R Re

Exemple 6

Electromagnétisme

67

1

( ) 3

3

3

max

1 0.6 10 0.4 msec

Rapport cyclique,

0.4 100.4

1 10

Valeur maximale du courant de sortie

1

1

ON OFF

ON

ON

dRT

L

RT

L

t T t

t

t

T

V e EI

R Re

Exemple 6

Electromagnétisme

68

1

3

3

0.4 10 1 10

5

max 10 1 10

5

Comme il n'y a pas de source de tension liée à la charge , E = 0

1 200 1

101 1

RT

L

RT

L

V e eI

Re e

3

3

0.8 10

max 2 10

min

120 8.0047A

1

Valeur minimale du courant de la charge avec E = 0

1

1

RT

L

RT

L

eI

e

V eI

Re

Exemple 6

Electromagnétisme

69

1

3

3

0.4 10 1 10

5

min 10 1 10

5

max min

200 17.995 A

101

Courant moyen

8.0047 7.9958 A

2 2dc

eI

e

I II

Exemple 6

Electromagnétisme

70

1

Un hacheur série alimente une charge RL, avec V = 200 V, R = 5, L = 5 mH, f = 1 kHz, = 0,5 et E = 0 V. Calculer

•Valeurs maximales et minimales du courant de charge.•Valeur moyenne du courant de charge.•Valeur efficace du Courant de charge.•Résistance d'entrée efficace vue par la source.•Courant efficace dans le hacheur.

Exemple 7

Electromagnétisme

71

1

3

3

V = 200 V, R = 5 , L = 5 mH,

f = 1kHz, = 0.5, E = 0

Période du hacheur

1 11 10 s

1 10T

f

3

3

3

3

0.5 5 1 10

5 10

max 5 1 10

5 10

0.5

max 1

Valeur maximale du courant est donnée par :

1 200 10

51 1

140 24.9 A

1

RT

L

RT

L

V e E eI

R Re e

eI

e

Exemple 7

Electromagnétisme

72

1

3

3

3

3

0.5 5 1 10

5 10

min 5 1 10

5 10

0.5

min 1

Valeur minimale du courant de la charge

1 200 10

51 1

140 15.1 A

1

RT

L

RT

L

V e E eI

R Re e

eI

e

Exemple 7

Electromagnétisme

73

1

( )

( )( )

( )

( )( )

( )

max min

12 2

max min2

min min max min

12 2

2

Courant moyen dans la charge

24.9 15.120 A

2 2

Valeur efficace du courant

3

24.9 15.115.1 15.1 24.9 15.1

3

96.04228.01 1

3

dc

O RMS

O RMS

O RMS

I II

I II I I I I

I

I

( )

1

2

47.98 20.2 A

Valeur efficace du courant dans H

0.5 20.2 14.28 AH O RMSI d I

Exemple 7

Electromagnétisme

74

1

Résistance fictive vue par la source

= courant moyen de la source

0.5 20 10 A

Ainsi, la Résistance fictive vue par la source

20020

10

i

S

S

S dc

i

S

VR

I

I

I I

VR

I

Exemple 7

Electromagnétisme

75

1

Les hacheurs sont classés commeHacheur de classe AHacheur de classe BHacheur de classe CHacheur de classe DHacheur de classe E

Classification des hacheurs

Electromagnétisme

76

1 Hacheur Classe A

V

Chopper

FWD

+

v0

v0

i0

i0

LOAD

V

Hacheur

D

CH

AR

GE

H

Electromagnétisme

77

1

•Lorsque le hacheur est à l’état ON, la tension d'alimentation V est connectée à la charge.•Lorsque le hacheur est OFF, VO = 0 et le courant de charge continue à circuler dans le même sens à travers la diode de roue libre.•Les valeurs moyennes de tension et de courant de sortie sont toujours positives.•Le hacheur de classe A est un hacheur de premier quadrant.

Hacheur Classe A

Electromagnétisme

78

1

Le hacheur de classe A est un hacheur abaisseur dans lequel la puissance circule toujours de la source à la charge.

Il est utilisé pour contrôler la vitesse du moteur à courant continu.Les équations de courant de sortie obtenues dans un hacheur abaisseur avec une charge R-L peuvent être utilisées pour étudier les performances des hacheurs de la classe A.

Hacheur Classe A

Electromagnétisme

79

1 Hacheur Classe B

V

Chopper

+

v0

v0

i0

i0

L

E

R

D

H

Electromagnétisme

80

1

Lorsque le hacheur est ON, E donne un courant à travers L et R.Pendant la période ON du H, l'inductance L stocke de l'énergie.Lorsque le hacheur est désactivé, la diode D est conductrice et une partie de l'énergie stockée dans l'inductance L est renvoyée à l'alimentation.

Hacheur Classe B

Electromagnétisme

81

1

•La tension de sortie moyenne est positive.•Le courant de sortie moyen est négatif.•Par conséquent, le hacheur de classe B fonctionne dans le deuxième quadrant.•Dans ce hacheur, la puissance passe de la charge à la source.•le hacheur de classe B est utilisé pour le freinage par récupération du moteur à courant continu.• le hacheur de classe B est un hacheur bélévateur

Hacheur Classe B

Electromagnétisme

82

1

Output current

D conducts Chopper

conducts

Thyristorgate pulse

Output voltage

ig

i0

v0

t

t

t

Imin

Imax

T

tONtOFF

Hacheur Classe B

Electromagnétisme

83

1 Hacheur Classe C

V

Chopper

+

v0

D1

D2

CH2

CH1

v0i0

i0

L

E

R

1H

2H

Hacheur

H2

H1

Electromagnétisme

84

1

• Le hacheur de classe C est une combinaison de hacheurs de classe A et de classe B.

• Pour le premier quadrant, H1 est ON ou D2 conduit.• Pour le fonctionnement en second quadrant, H2 est

ON ou D1 conduit.• Lorsque H1 est ON, le courant de charge est positif.• La tension de sortie est égale "V" et la charge reçoit

l'énergie de la source.• Lorsque H1 est OFF, l'énergie stockée dans

l'inductance L force le courant à circuler à travers la diode D2 et la tension de sortie est nulle.

Hacheur Classe C

Electromagnétisme

85

1

•Le courant continue à circuler dans la direction positive.

•Lorsque H2 est déclenché, la tension E force le courant à circulerdans la direction opposée à travers L et H2.

•La tension de sortie est nulle.

•En désactivant H2, l'énergie stockée dans l'inductance entraîne lecourant à travers la diode D1 et l'alimentation

•La tension de sortie est V, le courant d'entrée devient négatif et lapuissance passe de la charge à la source.

Hacheur Classe C

Electromagnétisme

86

1

•La tension de sortie moyenne est positive•Le courant de sortie moyen peut prendre des valeurs positives et négatives.•Les hacheurs H1 et H2 ne doivent pas être activés simultanément car cela entraînera un court-circuit de l'alimentation.•Le hacheur de classe C peut être utilisé pour le contrôle du moteur à courant continu et le freinage par récupération du moteur à courant continu.•Le hacheur de classe C peut être utilisé comme hacheur élévateur ou abaisseur.

Hacheur Classe C

Electromagnétisme

87

1 Hacheur Classe C

Gate pulseof CH2

Gate pulseof CH1

Output current

Output voltage

ig1

ig2

i0

V0

t

t

t

t

D1 D1D2 D2CH1 CH2 CH1 CH2

ON ON ON ON

impulsion sur

Gachette de

H1

impulsion sur

Gachette de

H2

Courant de sortie

Tensionde sortie

H1H1 H2 H2

Electromagnétisme

88

1 Hacheur Classe D

V+ v0

D2

D1 CH2

CH1

v0

i0

L ER i0

1H

2H

H1

H2

Electromagnétisme

89

1

•La classe D est un hacheur à deux quadrants.

•Lorsque H1 et H2 sont déclenchés simultanément, la tension de sortie VO = V et le courant de sortie circule dans la charge.

•Lorsque H1 et H2 sont désactivés, le courant de charge continue à circuler dans la même direction dans la charge, D1 et D2, en raison de l'énergie stockée dans l'inductance L.

•Tension de sortie VO = - V.

Hacheur Classe D

Electromagnétisme

90

1

•La tension de charge moyenne est positive si tON>tOFF.

•La tension de sortie moyenne devient négative si

• tON <tOFF.

•Par conséquent, la direction du courant de charge est toujours positive mais la tension de charge peut être positive ou négative.

Hacheur Classe D

Electromagnétisme

91

1 Hacheur Classe D

Gate pulseof CH2

Gate pulseof CH1

Output current

Output voltage

Average v0

ig1

ig2

i0

v0

V

t

t

t

t

CH ,CH

ON1 2 D1,D2 Conducting

impulsion sur

Gachette de

H1

impulsion sur

Gachette de

H2

Courant de sortie

Tensionde sortie

conduisent

Valeur moyenne de v0

H1,H2

Electromagnétisme

92

1 Hacheur Classe E

V

v0

i0L ER

CH2 CH4D2 D4

D1 D3CH1 CH3

+

1H

2H

3H

4H

H1

H2

H3

H4

Electromagnétisme

93

1

D4-H2 : conduisent

D4-D1 : conduisent

H2-H3 : conduisent

H2-D4 : conduisent

D2-D3 : conduisent

D2 -H4: conduisent

H4-H1 : conduisent

H4-D2 : conduisent

0i

0v

Opération dans les 4 quadrants

Electromagnétisme

94

1

La classe E est un hacheur à quatre quadrantsLorsque H1 et H4 sont déclenchés, le courant de sortie iO circule dans le sens positif à travers CH1 et CH4, et avec la tension de sortie VO = V.Cela donne l'opération du premier quadrant.Lorsque H1 et H4 sont à la fois sur OFF, l'énergie stockée dans l'inductance L entraîne iO à D2 et D3 dans la même direction, mais la tension de sortie VO = -V.

Hacheur Classe E

Electromagnétisme

95

1 Effet de l’inductance de la source et de l'inductance de charge

L'inductance de la source doit être aussi faible que possible pour limiter la tension transitoire.

L'inductance de la source peut également provoquer un problème de commutation pour le hacheur.

Habituellement, un filtre d'entrée est utilisé pour résoudre le problème de l'inductance de source

Electromagnétisme

96

1

•Le courant d'ondulation de la charge est inversement proportionnel à l'inductance de la charge et à la fréquence de découpage.

•Le courant de pointe de charge dépend de l'inductance de la charge.

•Pour limiter le courant d'ondulation de charge, une inductance de lissage est connectée en série avec la charge.

Effet de l’inductance de la source et de l'inductance de charge

Electromagnétisme

97

1

•Les régulateurs à mode de commutation utilisent des hacheurs DC pour obtenir une tension continue réglable en sortie.•La régulation est réalisée par modulation de largeur d'impulsion à fréquence fixe.• Le dispositif de commutation peut être BJT, IGBT ou MOSFET.•Le contenu d'ondulation est généralement réduit par un filtre LC.•Les régulateurs de commutation sont disponibles dans le commerce sous forme de circuits intégrés.• L'action de commutation crée des pertes de commutation sur les appareils.•La perte de commutation augmente avec la fréquence de commutation proportionnellement. Par conséquent, il ne peut pas être augmenté autant.

Circuit de commutation

Electromagnétisme

98

1 Circuit de commutation du hacheur

Les hacheurs à commutation par impulsions sont largement utilisés dans les circuits de forte puissance où la fluctuation de la charge n'est pas importante.On les appelle aussi : Hacheur à disjoncteur parallèleHacheurs à commutation de tensionHacheurs classiques.

Electromagnétisme

99

1

LOAD

L

C

IL

LS

VS

+

_

+

_

T2

T1

D1

a

biC

iT1

vO

+

_

FWD Charg

eCircuit de commutation du hacheur

D

Electromagnétisme

100

1

Pour démarrer le circuit, le condensateur 'C' est initialement chargé de polarité (avec la plaque 'a' positive) en déclenchant le thyristor T2.Le condensateur 'C' est chargé par VS, C, T2 et la charge.Lorsque le courant de charge diminue jusqu'à zéro, le thyristor T2 est désactivé.Avec un condensateur chargé de la plaque 'a' positive, le circuit est prêt à fonctionner.Supposons que le courant de charge reste constant pendant le processus de commutation.Pour plus de commodité, le fonctionnement du hacheur est divisé en cinq modes.Mode-1Mode-2Mode-3Mode-4Mode-5

Circuit de commutation du hacheur

LOAD

L

C

IL

LS

VS

+

_

+

_

T2

T1

D1

a

biC

iT1

vO

+

_

FWD Charg

e

Electromagnétisme

101

1

LOAD

L

C

IL

LS

VS

+

_

+

_

T1

D1

VC iC Ch

arg

e

MODE 1

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

102

1

Le thyristor T1 est déclenché à t = 0.La tension d'alimentation est reliée à la charge.Le courant de charge IL traverse T1 et la charge.En même temps, le condensateur se décharge à travers T1, D1, L1, & 'C' et le condensateur inverse sa tension.Cette tension inverse sur le condensateur est maintenue constante par la diode D1.

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

103

1

( )

( )

Courant de décharge du condesateur

sin

1avec

& tension du condensateur

cos

C

C

Ci t V t

L

LC

V t V t

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

104

1

LOAD

C

LS

VS+

_+

_

T2

VC

IL

IL

MODE 2

Ch

arg

eCircuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

105

1

Le thyristor T2 est maintenant déclenché pour commuter le thyristor T1.Lorsque T2 est ON, la tension du condensateur s’inverse et T1 se désactive.Le condensateur se décharge à travers la charge de -V à 0.Le temps de décharge est appelé temps d'extinction du circuit.

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

106

1

C

Temps d'extinction du circuit est donné par :

t

Avec icourant dans la charge

t dépend du courant dans la charge, il doit etre désigné dans

les conditions extremes qui se produisent aux valeu

CC

L

L

V C

I

I

rs max

du courant de la charge et la valeur minimale de la tension du condesateur

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

107

1

Le condensateur se recharge à la tension d'alimentation (avec la plaque 'a' positive).Ce temps est appelé le temps de recharge et est donné par

Le temps total requis pour que le condensateur se décharge et se recharge est appelé le temps de commutation et il est donné par

Sd

L

V Ct

I

r C dt t t

À la fin du mode-2, le condensateur s'est rechargé en VS et la diode de roue libre commence à conduire.

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

108

1

LOAD

C

LS

VS

+

_

+

_

T2VS

FWD

IL

IL

Ch

arg

e

D

MODE 3

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

109

1

La diode D commence à conduire et le courant de charge diminue.L'énergie stockée dans l'inductance de source LS est transférée au condensateur.D'où les charges du condensateur à une tension supérieure à la tension d'alimentation, T2 s'éteint naturellement.

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

110

1

( )

La tension instantannée de la capacité est :

sin

Avec

1

SC S L S

S

S

LV t V I t

C

L C

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

111

1

LOAD

C

LS

VS

+

_

+

_

D1

LFWD

IL

VC

Ch

arg

e

D

MODE 4

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

112

1

Le condensateur a été surchargé, c'est-à-dire que sa tension est supérieure à la tension d'alimentation.Le condensateur commence à se décharger dans le sens inverse.Par conséquent, le courant du condensateur devient négatif.Le condensateur se décharge par LS, VS, D, D1 et L.Lorsque ce courant se réduit à zéro, D1 s'arrêtera et la tension du condensateur sera la même que la tension d'alimentation

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

113

1

LOAD

IL

FWD

Ch

arg

e

D

Les deux thyristors sont éteints et le courant de charge circule à travers le D.

Ce mode se termine lorsque le thyristor T1 est déclenché

MODE 5

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

114

1

Capacitor CurrentIL

t

t

Ip Current through T1

ic

0

IpiT1

0

IL

Courant du condensateur

Courant à travers T1

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

115

1

Capacitor CurrentIL

t

t

Ip Current through T1

ic

0

IpiT1

0

IL

Courant du condensateur

Courant à travers T1

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

116

1

t

t

t

Voltage across T1

Output Voltage

Capacitor Voltage

tctd

vT1

Vc

0vo

Vs c+V

Vs

vc

Vc

-Vc

La tension de sortie

La tension à travers T1

La tension à travers T1

Tension aux bornes C

Circuit de commutation du hacheur

Electromagnétisme

117

1

Un circuit de démarrage est nécessaire et le circuit de démarrage doit être tel qu'il déclenche le thyristor T2 en premier.La tension de charge saute à près de deux fois la tension d'alimentation lorsque la commutation est lancée.Le temps de décharge et de charge du condensateur de commutation dépend du courant de charge, ce qui limite le fonctionnement à haute fréquence, en particulier à faible courant de charge.Le hacheur ne peut pas être testé sans connexion à la charge.Le thyristor T1 doit supporter le courant de charge ainsi que le courant de résonance, ce qui augmente son courant nominal de crête.

Inconvénients

Circuit de commutation du hacheur