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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