c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 1/16

Chapitre

5555

LES HACHEURS DE PUISSANCELES HACHEURS DE PUISSANCELES HACHEURS DE PUISSANCELES HACHEURS DE PUISSANCE

TGV Sud-Est (livrée orange) Mise en service: 1978 à 1986. Vitesse commerciale: 270 km/h. Bicourant 1,5 kV continu et 25 kV/50 Hz monophasé alternatif. Tritension 1,5 kV continu, 25 kV/50 Hz et 15 kV 16 2/3 Hz monophasé alternatif Puissance: 6400 kW

Cours d'électronique de puissance

EPUNSA

P. IACCONI

LPES-CRESA

Université de Nice-Sophia Antipolis

06 108 – Nice cedex 2

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 2/16

1111.... IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction

Les hacheurs réalisent une conversion continu-continu en modifiant les valeurs de sortie. Ils assurent le transfert de l'énergie depuis une source continue vers une charge alimentée en continu (convertisseur statique continu-continu). On pourrait - à la limite - les ranger dans les gradateurs avec fe = fs = 0. Comme

ceux-ci, en effet, ils assurent l'interruption périodique du courant qu'une source continue débite dans le récepteur et permettent de faire varier la valeur moyenne de la tension Vs entre 0

et Ve. (hacheurs dévolteurs) ou au dessus de

Ve (hacheurs survolteurs). Là aussi la puissance transite de l'entrée vers la sortie.

Les hacheurs jouent ainsi le rôle de "transformateurs de courant continu" abaisseurs ou élévateurs.

Les hacheurs fonctionnent en commutation forcée. Ils nécessitent des semi-conducteurs à fermeture et ouverture commandées, que l'on symbolise sur les schémas par deux gachettes, (fig.2). On dit souvent que K est un interrupteur électronique commandé unidirectionnel car les interrupteurs à semi-conducteur ne permettent pas d'inverser le courant. L'interrupteur K s'ouvre et se ferme avec une fréquence élevée hachant ainsi le courant débité par la

source E.

Le rôle de K peut être joué par un thyristor, un transistor bipolaire NPN, un transistor MOS ou une association de BIP et de MOS. Dans tous les cas, la consommation des semi-conducteurs et des composants du hacheur est très faible, (nulle en première approximation), le rendement est voisin de 1.

Les caractéristiques du hacheur dépendent du type de semi-conducteurs utilisés pour les interrupteurs.

Exemple :

P

C

0fig18.dsf

fe = 0 fS = 0

Ve

0 < VS < Ve

VS

IS

Ve < VS < Vlim

ou

Fig. 5-1. Description du hacheur

KE R

K

+

fig41.dsf Fig. 5-2. Interrupteur commandé

unidirectionnel

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 3/16

thyristor trans. NPN trans. MOS courant permanent en

conduction < 1500 A env. 100 A < 40 A

tension d'utilisation env 5000 V < 800 V < 400 V fréquence de

fonctionnement env. 2 kHz > 10 kHz > 30 kHz

Tableau des principales caractéristiques des hacheurs en fonction du type de l’interrupteur

On trouve des hacheurs dans tous les équipements destinés à l'utilisation de l'énergie éolienne ou solaire. Ils permettent de rendre constante une tension d'entrée très versatile. Les hacheurs sont également utilisés dans l'alimentation des moteurs pas à pas

Un des gros domaines d'utilisation des hacheurs est la variation de vitesse du moteur à courant continu. Ils équipent par exemple la majorité des engins de moyenne traction, tels que ceux utilisés pour le métro. La première génération de TGV (TGV Sud Est) est équipée d'ensembles hacheurs-moteurs à courant continu.

L'autre grand domaine d'utilisation des hacheurs est la réalisation de très nombreuses sources de tension continue, stabilisées ou variables, souvent de faible puissance, nécessaires dans les gros équipements : les alimentations à découpage. Celles-ci sont habituellement alimentées en courant alternatif monophasé et comportent un transformateur, un redresseur à diodes, un hacheur et un filtre de sortie.

2222.... Les hacheurs à liaison directeLes hacheurs à liaison directeLes hacheurs à liaison directeLes hacheurs à liaison directe

2222....1111.... GénéralitésGénéralitésGénéralitésGénéralités

En électronique de puissance, - c'est-à-dire en commutation - les sources continues de forte énergie sont souvent sollicitées en impulsions. Il est alors nécessaire de

chargefiltrehacheurfiltreredresseurnon commandé

RéférenceAmpli. d'erreur

E E E E

0 0 00 t t t t

50 HzL6_24.dsf

transfo

0 < Vmoy < Vvaleur eff. V

E

0 t

Fig. 5-3. Schéma de principe d’une alimentation à découpage

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 4/16

filtrer le courant ou la tension (filtrage) afin de diminuer l'ondulation de la grandeur de sortie.

En pratique, on ajoute un condensateur de forte capacité sur les bornes d'une source de tension continue (batterie, dynamo à excitation séparée, redresseur statique, alimentation stabilisée,...). De même, on réalise une source de courant continu en mettant en série avec la source (machine à courant continu, etc..) une bobine de forte inductance.

On peut également définir des charges de nature capacitive ou inductive. Certaines des sources ci-dessus peuvent devenir des charges; exemples: batteries, machines à courant continu, et toute source réversible.

En pratique, l'identification d'un générateur ou d'un récepteur réel à une source de courant ou de tension est rarement évidente compte tenu de leurs imperfections. Pour ces raisons, on est très souvent amené à confirmer le caractère source de tension par l'adjonction d'un condensateur en parallèle ou le caractère source de courant par l'adjonction d'une inductance en série.

Consécutivement aux définitions que nous venons de donner, on remarque que:

• le courant d'une source de courant ne peut pas varier instantanément (présence

de L), mais sa tension oui;

• la tension aux bornes d'une source de tension ne peut pas varier instantanément

(présence de C), mais son courant oui.

Autrement dit:

• une source de tension ne doit jamais être court-circuitée, mais elle peut être

ouverte;

• le circuit d'une source de courant ne doit jamais être ouvert, mais il peut être

court-circuité.

Il s'ensuit que l'on peut énoncer une règle générale d'interconnexion entre la source d'entrée et la charge de sortie d'un convertisseur :

on ne peut pas relier directement, par un interrupteur K, une source et une charge de même nature.

+E C

+E

L

fig42.dsf(a) (b)

+ ++

Fig. 5-4. Source capacitive et source inductive. Représentation conventionnelle

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 5/16

En effet, relier une source de courant et une charge inductives dont les courants sont différents entraînerait une très forte surtension L(di/dt) aux bornes de K.

De même, relier une source de tension et une charge capacitives de tensions différentes produirait une très forte surintensité C(dv/dt) aux bornes de K.

On ne peut donc envisager que deux types de hacheurs à liaison directe:

• le hacheur série qui relie une source capacitive à une charge inductive,

• le hacheur parallèle qui relie une source inductive à une charge capacitive.

Un élément indispensable au fonctionnement des hacheurs n'est pas représenté sur le schéma de principe; il s'agit de la diode dite diode de récupération ou diode de roue libre, nécessaire pour écouler l'énergie emmagasinée dans L et qui ne peut plus s'écouler à l'ouverture de K.

Remarque 1. On constate donc que l'on ne peut relier entre elles des sources et des charges de même nature que si l'on ferme l'interrupteur K lorsque les tensions (ou les courants) sont égales. Ce cas de figure est très rarement employé et de toute façon d'un usage très particulier.

Remarque 2. Les hacheurs à accumulation permettent de relier des sources et des charges de même nature.

2222....2222.... Le hacheur sérieLe hacheur sérieLe hacheur sérieLe hacheur série (type BUCK) (type BUCK) (type BUCK) (type BUCK)

L'inductance L englobe la charge et le self de lissage (fig.5). Dans la description qui suit, on ne s'intéresse qu'au régime permanent en négligeant les états transitoires qui suivent la mise en service du système.

E R

K

+

fig44.dsf

D

L

v

i

iS

vS

iD

v C

Fig. 5-5. Hacheur série

• 0 ≤ t < t1 = αT avec 0 ≤ α ≤ 1. α est le rapport cyclique.

K est fermé. E débite sur R, L ; D est bloquée (fig. 6a).

source charge

K

K.dsf

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 6/16

Le courant i dans la charge obéit à:

E = R i + L didt

iS = i ; vc = vS = E et i tend asymptotiquement vers E/R.

• αT ≤ t < T ; K est ouvert (fig. 6b).

L'énergie emmagasinée dans L s'écoule à travers D. La bobine restitue une partie de l'énergie accumulée.

i = iD ; iS = 0 et vc = 0

i est la solution de Ri + L didt = 0 et tend asymptotiquement vers 0.

La figure 6 donne la forme des signaux observés.

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 7/16

Remarque:

si i(T) toujours différent de 0, le régime est dit de conduction continue,

si i(T) = 0, le régime est dit de conduction discontinue.

En pratique, la constante de temps L/R est très grande devant la période T du phénomène. On peut alors assimiler toutes les branches d'exponentielles à des portions de droites (tangentes à l'origine des branches d'exponentielles).

E R

K

+

fig44b.dsf

L

v

i

E R+

L

v

i

(a) K fermé (b) K ouvert

E

00 αT T

00 αT T

0 0 αT T

∆I

0 0 αT T t

t

t

t

iS iS

v C v CvS vS

i D

v C

VCmoy

i

Imax

Imin

Imoy

E/R

Imax

Imax

Imin

Imin

iD

iS

Fig. 5-6. Chronogramme du hacheur série

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 8/16

On obtient facilement :

Vcmoy =

1T ⌡⌠

0

T vC dt = α E 0 < α < 1

5-1

Vmoy = V0 =

1T ⌡⌠

0

T v dt = Vcmoy = α E

5-2

I0 = Imoy =

1T ⌡⌠

0

T i dt =

Vmoy

R = α ER

5-3

On constate que l'action sur le rapport cyclique, quelle que soit la période de répétition T, permet de réaliser une variation linéaire de la tension moyenne Vcmoy et du courant moyen Imoy dans la charge.

Remarque : Vcmoy = Vmoy. Ceci résulte du fait que la tension moyenne aux bornes de L est nulle.

Il est extrêmement important d'évaluer l'ondulation du courant qui, si elle devient trop importante, peut perturber le fonctionnement de la charge (moteur).

Dans le cas (fréquent) où T << LR , l'ondulation absolue en courant s’approxime

par :

∆I ≈ E

TL α [1 - α] =

EL α [1 - α]

1f

5-4

et l'ondulation relative (ou taux d'ondulation) :

∆I2 Imoy

= [1 - α] T

2 τ avec τ =

LR

5-5

L'ondulation est maximum pour α = 0,5. On peut la réduire en augmentant la fréquence de découpage ou l'inductance globale L (Cf. annexe 1).

Analogie avec le transformateur abaisseur (facultatif):

E et iS sont les paramètres d'entrée; vc et i sont les paramètres de sortie.

ISmoy =

1T ⌡⌠

0

T iS dt =

1T ⌡⌠

0

αT

iS dt = α2 ER

5-6

Soit

ISmoy = α Imoy 5-7

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 9/16

Facultatif_________________________________________________________

La relation 7 se démontre géométriquement par les surfaces (fig.7) :

Imoy .T = 12 (Imax + Imin).T

� Imoy = 12 (Imax + Imin)

ISmoy.T = 12 (Imax + Imin) αT

� ISmoy = α Imoy

fin du facultatif_______________

Vcmoy = α E et Imoy =

α ER

5-8

d'où les relations :

VCmoy = α E Imoy =

1

α ISmoy

5-9

Ces équations sont analogues à celles que l'on rencontre avec le transformateur idéal :

V2 = k V1 I2 = k

-1 I1 5-10

Le hacheur série se comporte comme un transformateur de courant continu abaisseur de

rapport de transformation α continûment variable de 0 à 1. Pour ces raisons, il est souvent appelé hacheur dévolteur. L'analogie peut être poussée plus loin :

La puissance délivrée par la source est :

PS =

1T ⌡⌠

0

TE IS dt = α E Imoy = E Ismoy =

α2 E2

R

5-11

R/α2 est l'équivalent d'une résistance de charge de transformateur ramenée au primaire.

La puissance reçue par la charge est :

PC =

1T ⌡⌠

0

TvC i dt = α E Imoy

5-12

soit :

00 αT T t

i

Imax

Imin

Imoy

00 αT T t

i

ISmoy

Imax

Imin

Fig. 5-7.

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 10/16

PC = PS

En réalité le rendement d'un hacheur n'est pas 1 mais est supérieur à 0,95.

2222....3333.... Le hacheur parallèle (type BOOST)Le hacheur parallèle (type BOOST)Le hacheur parallèle (type BOOST)Le hacheur parallèle (type BOOST)

C'est le dual du précédent:

hacheur série hacheur parallèle

source de tension (lissée par un condensateur)

source de courant (lissée par une self)

K en série avec la source K en parallèle avec la source

charge inductive charge capacitive

diode de récupération en parallèle sur la charge

diode en série avec la charge

hacheur de tension hacheur de courant

Examinons le cas où la conduction est continue et où la source n’est pas parfaite.

On supposera que la capacité de C est suffisamment grande pour que l'on puisse considérer vc comme constante :

vc = Vc

• (a) t < 0 ; K est ouvert; l'énergie passe de la source à la charge par la diode D. C

stocke de l'énergie.

i = iD = iS ; iD obéit à E - vC = L di

S

dt ; vS = vC = Ri

• (b) 0 ≤ t < αT ; K est fermé et court-circuite la source.

iS = i

K obéit à E = L

diS

dt car D est bloquée, (sous tension inverse).

E RK+

fig45.dsf

DL

v

i

J

source idéale(L infini)

source non idéaleiS

v S

i K

vC

i D

vL

Fig. 5-8. hacheur parallèle (source de courant non idéale)

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 11/16

E R+

fig45b.dsf

L

v

i

E R+

v

i

(b) 0 < t < αT : K fermé

00 αT T

00 αT T

0 0 αT T

0 0 αT T t

t

t

t

K

(a) t < 0 et αT < t <T : K ouvert

(b) (a)

0 0 αT T t

(b) (a)

(b) (a)

(a)(b)

(b) (a)

pente 1

pente 2

pente 1 :diKdt--- = --

EL

pente 2 :diDdt--- = -------

E - VL

C

iS

vS vC

iD iS iD

vCvS

L

iD

IDmoy

iSImax

ISmoyImin

vS

VC

VSmoy

VCmoy

vC

iK

Fig. 5-9. Formes d’ondes du hacheur parallèle (type BOOST)

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 12/16

Au cours de cette phase iS croît, ce qui impose que la pente de iS(t) soit négative

dans la phase a) donc que di

S

dt < 0 => E - vC < 0 => vC > E.

La tension vC est supérieure à E ! (caractère élévateur de tension).

• (c) t = αT; commutation à l'ouverture de K; puis αT < t < T.

A l'ouverture , iS tend brusquement à décroître:

diS

dt < 0.

A la tension E vient s'ajouter la tension - vL = - L

diS

dt , qui est > 0 et va permettre

l'entrée en conduction de D. On se retrouve alors dans la phase a).

On établit facilement les relations entre les grandeurs d'entrée E et ISmoy et les grandeurs de sortie VC et IDmoy :

VC =

1

1 - α E IDmoy = [1 - α] Ismoy

5-13

car Vsmoy = E et 1T ⌡⌠

0

TvL dt = 0

Le hacheur parallèle est l'analogue d'un transformateur élévateur de tension continue et de

rapport de transformation 1 ≤ k = (1 - α)-1 < ∞ car 0 ≤ α ≤ 1. Le hacheur parallèle est qualifié de survolteur.

La puissance transmise est

P =

E2

R (1

1 - α)2

5-14

R (1 - α)2 étant la résistance de charge ramenée au "primaire".

3333.... LesLesLesLes hacheur hacheur hacheur hacheurssss à accumulation (liaison indirecte) à accumulation (liaison indirecte) à accumulation (liaison indirecte) à accumulation (liaison indirecte)

Nous avons vu que les hacheurs à liaisons directes ne peuvent relier entre elles que des sources et des charges de natures différentes. Pour transférer de l'énergie d'une source à un récepteur de même nature, il faut utiliser un hacheur à liaison indirecte.

L'élément de stockage de l'énergie (inductance ou condensateur) est relié tantôt à l'entrée, tantôt à la

hacheur à accumulationcapacitive

hacheurdirect série

hacheur à accumulationinductive

hacheurdirect

parallèle

fig.II_1.dsf. sources de courant

sources de tension

Fig. 5-10. Les différents types de hacheurs

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 13/16

sortie.

3333....1111.... Hacheur à accumulation inductive (type BUCKHacheur à accumulation inductive (type BUCKHacheur à accumulation inductive (type BUCKHacheur à accumulation inductive (type BUCK----BOOSTBOOSTBOOSTBOOST))))

Lorsque la source et le récepteur sont capacitifs (source et récepteur de tension), on utilise une self comme élément de stockage, (fig.11).

Durant chaque période T, le thyristor commandé K conduit pendant αT, la diode

D pendant (1 - α)T. Quand K est passant, le courant i dans l'inductance L augmente (charge); quand D est passante, i diminue (décharge).

E

K

+

fig46a.dsf

D

L

i

vL

iK

vD vK

i1

v1 v2

i2

E

K

+

fig46b.dsf

D

L

i

vL

iK

vD vK

i1

v1 v2

i2

Fig. 5-12.- 0 < t < ααααT Fig. 5-13. - ααααT < t < T

Pour 0 < t < αT : K conduit, D est bloquée

i (t) = i1(t) = iK(t) ; i2(t) = 0

v1 = vL = L di(t)dt � i(t)= i(0) +

v1 L t � i(t) ↑↑↑↑ linéairement :

di(t)dt > 0

vK = 0 ; vD = -[v2 + v1]

pour t = αT:

i(αT) = i(0) + αT

pour αT < t < T : K bloqué, D conduit

i(t) = i2(t) = iD ; i1 = 0 ; vD = 0 vK = v1 + v2

v2 =- L di(t) dt � i(t) = i(αT) -

v2 L (t - αT) � i(t) ↓↓↓↓ linéairement :

di(t)dt < 0

pour t = T :

E

K

+

fig46.dsf

D

v

i

v

2

21 L

i

1

i

vL

Fig. 5-11. Schéma de principe du hacheur BUCK-BOOST

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 14/16

i(T) = i(αT) - v2 L (1 - α)T

En remarquant qu'en régime établi i(T) = i(0), on obtient :

v2v1 =

α

1 - α

5-15

Si α varie de 0 à 1, v2v1 varie théoriquement de 0 à l'infini.

3333....2222.... Hacheur à accumulation capacitive (type de CUK)Hacheur à accumulation capacitive (type de CUK)Hacheur à accumulation capacitive (type de CUK)Hacheur à accumulation capacitive (type de CUK)

Lorsque la source et le récepteur sont de courant l'élément de stockage est capacitif, fig.14.

E K+

fig47.dsf

D

i

v

i

v

1+

i2

21

C

Fig. 5-14. hacheur à accumulation capacitive

On montre alors que :

i2i1 =

α

1 - α

5-16

4444.... LES LES LES LES hacheurshacheurshacheurshacheurs REVERSIBLES (fa REVERSIBLES (fa REVERSIBLES (fa REVERSIBLES (facultatif)cultatif)cultatif)cultatif)

Un hacheur est réversible s'il permet de commander le transfert d'énergie dans les deux sens. D'après la nature des sources entre lesquelles il est placé et la ou les grandeurs qu'il permet d'inverser, il existe plusieurs types de hacheurs réversibles.

4444....1111.... UtilisationUtilisationUtilisationUtilisation de deux hacheurs classiques en cascade de deux hacheurs classiques en cascade de deux hacheurs classiques en cascade de deux hacheurs classiques en cascade

Le hacheur réversible en courant, par exemple, est constitué par un hacheur série associé à un hacheur parallèle. Placé entre une source de tension constante et un moteur à courant continu, il permet :

* de faire varier sa vitesse à couple donné,

* de faire varier son couple à vitesse donnée.

* de freiner le moteur en récupérant l’énergie

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 15/16

ED

V

D

K

K1

21

2

21

L

fig44M.dsf

V1

r

E'

source capacitive source inductive

Fig.5.15.

La fig.15 donne un exemple. Les deux interrupteurs K1 et K2 ne fonctionnent pas en même temps.

La source de tension E1 alimente, par un hacheur série (K1 , D1), une charge

inductive. Celle-ci est constituée par une inductance L en série avec l’induit d’un moteur à courant continu de fcém E’ et de résistance interne r. La fém E1 est plus grande que la fcém E’ du moteur. Le hacheur série est abaisseur de tension.

Un hacheur parallèle (K2 , D2) assure la récupération d’énergie de la charge (devenue source) vers la source.

Le convertisseur K1 , D1 alimente sous tension variable l’induit du moteur à courant continu à excitation indépendante.. Si on désire freiner cette machine, on peut récupérer son énergie cinétique en la faisant travailler en génératrice, sans changer le sens de rotation , ni le sens du courant d’excitation. La polarité de E’ reste la même. Seul le courant dans l’induit change de sens (il faut donner le temps au courant de s’inverser dans le circuit inductif).

4444....2222.... LesLesLesLes hacheurs à deux interrupteurs hacheurs à deux interrupteurs hacheurs à deux interrupteurs hacheurs à deux interrupteurs

non décrits

Annexe 1 : calcul du taux d’ondulation du courant d’un hacheur série

c:/…/EPchapitre3 21/02/2007 PI - 16/16

Chapitre 5

LES HACHEURS DE PUISSANCELES HACHEURS DE PUISSANCELES HACHEURS DE PUISSANCELES HACHEURS DE PUISSANCE

1. INTRODUCTION...................................................................................................................................... 2

2. LES HACHEURS A LIAISON DIRECTE.............................................................................................. 3

2.1. GENERALITES.......................................................................................................................................... 3 2.2. LE HACHEUR SERIE (TYPE BUCK) .......................................................................................................... 5 2.3. LE HACHEUR PARALLELE (TYPE BOOST) ............................................................................................. 10

3. LES HACHEURS A ACCUMULATION (LIAISON INDIRECTE).................................................. 12

3.1. HACHEUR A ACCUMULATION INDUCTIVE (TYPE BUCK-BOOST)......................................................... 13 3.2. HACHEUR A ACCUMULATION CAPACITIVE (TYPE DE CUK) ................................................................... 14

4. LES HACHEURS REVERSIBLES (FACULTATIF) .......................................................................... 14

4.1. UTILISATION DE DEUX HACHEURS CLASSIQUES EN CASCADE ................................................................ 14 4.2. LES HACHEURS A DEUX INTERRUPTEURS............................................................................................... 15