Électronique de puissance
N. MesnierLycée Jules Ferry, Versailles
2018–2019
Définition (Électronique de puissance)
L’électronique de puissance concerne le traitement de l’énergie électrique. Ellepermet de convertir une énergie électrique disponible sous une forme donnée(continue, alternative, basse ou haute tension, etc.) en une autre.
(a) Micro-transformateur pour alimentationintégrée sur silicium (100 µW)
(b) Lampes fluorescentes alimentées par unonduleur résonnant (15 W)
(c) Véhicule hybride Porche 911 (120 kW) (d) Motrice de TGV Duplex (9,3 MW)
SII – PTSI | Électronique de puissance 2
Contexte & objectifs
ContextePour faire fonctionner les systèmes électriques il faut pouvoir les commander.
Objectifs du coursAcquérir les bases fondamentales d’électronique de puissance pour :
analyser la commande des machines électriques (moteurs) ;
choisir et dimensionner les composants permettant de piloter les moteurs (àcourant continu).
SII – PTSI | Électronique de puissance 3
Plan du cours
1 Introduction2 Interrupteurs de l’électronique de puissance3 Convertisseurs continu-continu4 Onduleur
SII – PTSI | Électronique de puissance 4
1 2 3 41
Introduction
SII – PTSI | Électronique de puissance 5
Convertisseurs statiques
Les convertisseurs statiques convertissent une énergie électrique depuis unesource vers une charge. Dans le cas où la conversion est commandée, un signald’entrée contrôle les échanges d’énergie.
Sourceélectrique
Chargeélectrique
Convertisseurstatique
Pe Ps
Signal de commande
puissances mises en jeu : de 100 W à 100 kW ;
courants : de quelques mA aux MA
Exemples : 103 A pour une locomotive ou 106 A pour lesalternateurs de centrale nucléaire.
SII – PTSI | Électronique de puissance 6
Convertisseurs statiques
Définition (Convertisseur statique)
Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.
Source
Continue
Source
Alternative
Charge
Continue
Charge
Alternative
Hacheur
Redresseur (⋆)
Gradateur
convertisseur de fréquence (⋆)
Onduleur
⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.
SII – PTSI | Électronique de puissance 7
Convertisseurs statiques
Définition (Convertisseur statique)
Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.
Source
Continue
Source
Alternative
Charge
Continue
Charge
Alternative
Hacheur
Redresseur (⋆)
Gradateur
convertisseur de fréquence (⋆)
Onduleur
⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.
SII – PTSI | Électronique de puissance 7
Convertisseurs statiques
Définition (Convertisseur statique)
Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.
Source
Continue
Source
Alternative
Charge
Continue
Charge
Alternative
Hacheur
Redresseur (⋆)
Gradateur
convertisseur de fréquence (⋆)
Onduleur
⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.
SII – PTSI | Électronique de puissance 7
Convertisseurs statiques
Définition (Convertisseur statique)
Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.
Source
Continue
Source
Alternative
Charge
Continue
Charge
Alternative
Hacheur
Redresseur (⋆)
Gradateur
convertisseur de fréquence (⋆)
Onduleur
⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.
SII – PTSI | Électronique de puissance 7
Convertisseurs statiques
Définition (Convertisseur statique)
Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs àsemi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers derégler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie.
Source
Continue
Source
Alternative
Charge
Continue
Charge
Alternative
Hacheur
Redresseur (⋆)
Gradateur
convertisseur de fréquence (⋆)
Onduleur
⋆ Les conversions depuis les sources alternatives ne sont pas au programme.
SII – PTSI | Électronique de puissance 7
Convertisseurs statiques
i Convertisseurs dynamiques
SII – PTSI | Électronique de puissance 8
1 2 3 42
Interrupteurs de
l’électronique de puissance
SII – PTSI | Électronique de puissance 9
Interrupteur idéal
Interrupteur ouvert
u
Interrupteur fermé
i
u
i
Interrupteur ouvert
Interrupteur fermé
Commutation
les 4 quadrants
SII – PTSI | Électronique de puissance 10
Interrupteur idéal
Interrupteur ouvert
u
Interrupteur fermé
i
u
i
Interrupteur ouvert
Interrupteur fermé
Commutation
les 4 quadrants
SII – PTSI | Électronique de puissance 10
Interrupteur idéal
Interrupteur ouvert
u
Interrupteur fermé
i
u
i
Interrupteur ouvert
Interrupteur fermé
Commutation
les 4 quadrants
SII – PTSI | Électronique de puissance 10
Interrupteur idéal
Interrupteur ouvert
u
Interrupteur fermé
i
u
i
Interrupteur ouvert
Interrupteur fermé
Commutation
les 4 quadrants
SII – PTSI | Électronique de puissance 10
Interrupteur non commandé : la fonction diode
i
u
u
i
Commutation
Caractéristiquestatique
u
i
>
>
amorçage
<
<
blocage
Caractéristiquedynamique
2 états :
Passante : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloquée : i(t) = 0 si u(t) < 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 11
Interrupteur non commandé : la fonction diode
i
u
u
i
Commutation
Caractéristiquestatique
u
i
>
>
amorçage
<
<
blocage
Caractéristiquedynamique
2 états :
Passante : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloquée : i(t) = 0 si u(t) < 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 11
Interrupteur non commandé : la fonction diode
i
u
u
i
Commutation
Caractéristiquestatique
u
i
>
>
amorçage
<
<
blocage
Caractéristiquedynamique
2 états :
Passante : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloquée : i(t) = 0 si u(t) < 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 11
Interrupteur non commandé : la fonction diode
Exemple : redressement simple alternance
u
D
i
R uR
uD
t
uR(t)
SII – PTSI | Électronique de puissance 12
Interrupteur non commandé : la fonction diode
Exemple : redressement simple alternance
u
D
i
R uR
uD
t
uR(t)
SII – PTSI | Électronique de puissance 12
Interrupteur non commandé : la fonction diode
Exemple : redressement double alternance
u
iD1D2
D3
D4
iR
R uR
t
uR(t)
SII – PTSI | Électronique de puissance 13
Interrupteur non commandé : la fonction diode
Exemple : redressement double alternance
u
iD1D2
D3
D4
iR
R uR
t
uR(t)
SII – PTSI | Électronique de puissance 13
Interrupteur commandé : la fonction transistor
Di
G
S
u
MOSFET
Ei
G
C
IGBT
u
i
Commutation
Caractéristique
statique
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
Caractéristique
dynamique
2 états :
Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 14
Interrupteur commandé : la fonction transistor
Di
G
S
u
MOSFET
Ei
G
C
IGBT
u
i
Commutation
Caractéristique
statique
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
Caractéristique
dynamique
2 états :
Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 14
Interrupteur commandé : la fonction transistor
Di
G
S
u
MOSFET
Ei
G
C
IGBT
u
i
Commutation
Caractéristique
statique
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
Caractéristique
dynamique
2 états :
Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 14
Interrupteur commandé : la fonction transistor
Di
G
S
u
MOSFET
Ei
G
C
IGBT
u
i
Commutation
Caractéristique
statique
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
Caractéristique
dynamique
2 états :
Passant : u(t) = 0 si i(t) > 0Bloqué : i(t) = 0 si u(t) > 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 14
Interrupteurs synthétisés
i
D
G
S
u
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
Association série
i
D
G
S
u
Association anti-parallèle
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
SII – PTSI | Électronique de puissance 15
Interrupteurs synthétisés
i
D
G
S
u
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
Association série
i
D
G
S
u
Association anti-parallèle
u
i
>
<amorçage
<
>blocage
SII – PTSI | Électronique de puissance 15
Autres interrupteurs
i
u
u
i
>
<
Thyristor
i
u
u
i
>
<
<
>
Thyristor GTO
i
u
u
i
>
<
>
>
Triac
SII – PTSI | Électronique de puissance 16
Choix des interrupteurs
f (Hz)Fréquence
Pn (W)P
uiss
ance
nom
inal
e
100 101 102 103 104 10510-1
100
101
102
103
104
105
106
107
TriacMOSFET
ThyristorGTO
Thyristor
IGBT
SII – PTSI | Électronique de puissance 17
Choix des interrupteurs
f (Hz)Fréquence
Pn (W)P
uiss
ance
nom
inal
e
100 101 102 103 104 10510-1
100
101
102
103
104
105
106
107
TriacMOSFET
ThyristorGTO
Thyristor
IGBT
SII – PTSI | Électronique de puissance 17
1 2 3 43
Convertisseurs
continu-continu
SII – PTSI | Électronique de puissance 18
Hacheurs
Le hacheur est un système électronique de puissance qui permet de moduler letransfert d’énergie d’une source continue vers une charge (récepteur) elle-même àcourant continu avec un rendement élevé (∼ 90 %).
=
=
Tensioncontinue fixe
Tensioncontinue réglable
Types de hacheurs :
Transfert d’énergie MontageSource → charge sérieCharge → source parallèle
SII – PTSI | Électronique de puissance 19
Hacheur série
Alimentation Hacheur série
KUE
iE
D
iD
iS
ChargeuS
t
uS(t)
0 T 2T 3T 4T
UE
〈uS〉
αT
Kfe
rmé
K ouvert
Kfe
rmé
K ouvert
Kfe
rmé
K ouvert
Kfe
rmé
K ouvert
SII – PTSI | Électronique de puissance 20
Hacheur série
Alimentation Hacheur série
KUE
iE
D
iD
iS
ChargeuS
t
uS(t)
0 T 2T 3T 4T
UE
〈uS〉
αT
Kfe
rmé
K ouvert
Kfe
rmé
K ouvert
Kfe
rmé
K ouvert
Kfe
rmé
K ouvert
SII – PTSI | Électronique de puissance 20
Hacheur série
Intérêt de la commutation
Alimentation
UE
iE
RD
iD
iS
ChargeuS
Convertisseur en mode continu
uS
η
1
UE
Rendement
SII – PTSI | Électronique de puissance 21
Hacheur série
Intérêt de la commutation
Alimentation
UE
iE
RD
iD
iS
ChargeuS
Convertisseur en mode continu
uS
η
1
UE
Rendement
SII – PTSI | Électronique de puissance 21
Hacheur série sur charge R
KUE
iE
R
iS
uS ≡K
UE
iE
R
iS
D
iD
uS
SII – PTSI | Électronique de puissance 22
Hacheur série sur charge R, L
K
UE
iE
R
L
iS
D
iD
uS
SII – PTSI | Électronique de puissance 23
Hacheur série sur charge R, L
t
iS(t)
τ = 5T , α = 0, 2
τ = 5T , α = 0, 6
τ = 5T , α = 0, 9
τ = 2T , α = 0, 6
τ = T/2, α = 0, 6
SII – PTSI | Électronique de puissance 24
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
En régime permanent, Im et IM sont constants :à l’instant t ≡ αT [T ] de la commutation ON–OFF :
IM = Im exp
(
−αT
τ
)
+UE
R
[
1 − exp
(
−αT
τ
)]
à l’instant t ≡ 0 [T ] de commutation OFF-ON :
Im = IM exp
(
(α − 1) T
τ
)
⇒ système de 2 équations qui conduit à :
Im =UE
R
1 − exp(
−αT
τ
)
1 − exp(
−T
τ
)
exp
(
(α − 1)T
τ
)
IM =UE
R
1 − exp(
−αT
τ
)
1 − exp(
−T
τ
)
SII – PTSI | Électronique de puissance 25
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
En régime permanent, Im et IM sont constants :à l’instant t ≡ αT [T ] de la commutation ON–OFF :
IM = Im exp
(
−αT
τ
)
+UE
R
[
1 − exp
(
−αT
τ
)]
à l’instant t ≡ 0 [T ] de commutation OFF-ON :
Im = IM exp
(
(α − 1) T
τ
)
⇒ système de 2 équations qui conduit à :
Im =UE
R
1 − exp(
−αT
τ
)
1 − exp(
−T
τ
)
exp
(
(α − 1)T
τ
)
IM =UE
R
1 − exp(
−αT
τ
)
1 − exp(
−T
τ
)
SII – PTSI | Électronique de puissance 25
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
Ondulation du courant
∆IS = IM − Im =UE
R
1 − exp
(
−αT
τ
)
1 − exp
(
−T
τ
)
[
1 − exp
(
(α − 1)T
τ
)]
Ondulation du courant si T ≪ τ
∆IS =α(1 − α)UE T
R τ=
α(1 − α)
LfUE
Si α =1
2⇒ ondulation maximale :
(∆IS)max =UE
4Lf
∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
Ondulation du courant
∆IS = IM − Im =UE
R
1 − exp
(
−αT
τ
)
1 − exp
(
−T
τ
)
[
1 − exp
(
(α − 1)T
τ
)]
Ondulation du courant si T ≪ τ
∆IS =α(1 − α)UE T
R τ=
α(1 − α)
LfUE
Si α =1
2⇒ ondulation maximale :
(∆IS)max =UE
4Lf
∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
Ondulation du courant
∆IS = IM − Im =UE
R
1 − exp
(
−αT
τ
)
1 − exp
(
−T
τ
)
[
1 − exp
(
(α − 1)T
τ
)]
Ondulation du courant si T ≪ τ
∆IS =α(1 − α)UE T
R τ=
α(1 − α)
LfUE
Si α =1
2⇒ ondulation maximale :
(∆IS)max =UE
4Lf
∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
Ondulation du courant
∆IS = IM − Im =UE
R
1 − exp
(
−αT
τ
)
1 − exp
(
−T
τ
)
[
1 − exp
(
(α − 1)T
τ
)]
Ondulation du courant si T ≪ τ
∆IS =α(1 − α)UE T
R τ=
α(1 − α)
LfUE
Si α =1
2⇒ ondulation maximale :
(∆IS)max =UE
4Lf
∆IS ց si L ր ou si f րSII – PTSI | Électronique de puissance 26
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
Solution pour lisser le courant
Alimentation Hacheur série
KUE
iE
D
iD
iS
ChargeuS
Lissage
SII – PTSI | Électronique de puissance 27
Hacheur série sur charge R, LFonctionnement en régime permanent
Sur une période T :
tension moyenne d’alimentation de la charge :
〈uS〉 =1
T
∫ T
0
uS(t) dt =1
T
∫ αT
0
UE dt = α UE
courant moyen consommé :
〈iE〉 =1
T
∫ αT
0
iS(t) dt ≈ αIm + IM
2= α〈iS〉 = α
UE
R
puissance moyenne consommée :
〈PE〉 = UE 〈iE〉 = αUE 〈iS〉 ≈ αU2
E
R
SII – PTSI | Électronique de puissance 28
Hacheur série sur charge R, L, EAlimentation d’un moteur CC
K
UE
iE
D
iD
L
R
IS
E
uR
uS
SII – PTSI | Électronique de puissance 29
Hacheur série sur charge R, L, E
2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :
UE − E = R iS(t) + LdiS
dt(t)
iS(t) = Im exp
(
−t
τ
)
+UE − E
R
[
1 − exp
(
−t
τ
)]
avec τ =L
R
2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :
−E = R iS(t) + LdiS
dt(t)
i Attention : iS > 0
iS(t) = max
(
0 ; IM exp
(
αT − t
τ
)
−E
R
[
1 − exp
(
αT − t
τ
)])
SII – PTSI | Électronique de puissance 30
Hacheur série sur charge R, L, E
2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :
UE − E = R iS(t) + LdiS
dt(t)
iS(t) = Im exp
(
−t
τ
)
+UE − E
R
[
1 − exp
(
−t
τ
)]
avec τ =L
R
2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :
−E = R iS(t) + LdiS
dt(t)
i Attention : iS > 0
iS(t) = max
(
0 ; IM exp
(
αT − t
τ
)
−E
R
[
1 − exp
(
αT − t
τ
)])
SII – PTSI | Électronique de puissance 30
Hacheur série sur charge R, L, E
Problème de conductionAnnulation du courant à l’instant γT avec γ ∈ [α; 1]
iS(γT ) = 0 ⇐⇒ γ =τ
Tln
(
UE
E−
UE − E
Eexp
(
−αT
τ
))
deux cas :1 le cas de la conduction ininterrompue du courant
si iS > 0 (γ /∈ [α; 1]) ;2 le cas de la conduction interrompue du courant
si iS > 0 (γ ∈ [α; 1]).
SII – PTSI | Électronique de puissance 31
Hacheur série sur charge R, L, EConduction ininterrompue
t
uS(t)
0 T 2T 3T
UE
E
αT
t
iS(t)
Im
IM
0 αT T 2T 3T
SII – PTSI | Électronique de puissance 32
Hacheur série sur charge R, L, EFonctionnement en régime permanent
Sur une période T :
ondulation du courant (idem charge R, L) ;
tension moyenne d’alimentation de la charge :
〈uS〉 =1
T
∫ T
0
uS(t) dt =1
T
∫ αT
0
UE dt = α UE
courant moyen consommé :
〈iE〉 =1
T
∫ αT
0
iS(t) dt ≈ αIm + IM
2= α〈iS〉 = α
(
UE − E
R
)
puissance moyenne consommée :
〈PE〉 = UE 〈iE〉 = αUE 〈iS〉 ≈ αUE
(
UE − E
R
)
SII – PTSI | Électronique de puissance 33
Hacheur série sur charge R, L, EConduction interrompue
t
uS(t)
0 T 2T 3T
UE
E
αT γT
t
iS(t)
IM
0 αT γT T 2T 3T
SII – PTSI | Électronique de puissance 34
Hacheur série sur charge R, L, EConduction interrompue
t
uS(t)
0 T 2T 3T
UE
E
αT γT
t
iS(t)
IM
0 αT γT T 2T 3T
Àévite
r !
SII – PTSI | Électronique de puissance 34
Hacheur parallèle
Alimentation Hacheur parallèle
KUE
D
iD
iK
iS
ChargeuS
SII – PTSI | Électronique de puissance 35
Hacheur parallèle sur charge R, L, E
2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :
uS(t) = 0 = E − R iS(t) − LdiS
dt(t)
iS(t) = Im exp
(
−t
τ
)
+E
R
[
1 − exp
(
−t
τ
)]
avec τ =L
R
2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :
uS(t) = UE = E − R iS(t) − LdiS
dt(t)
iS(t) = IM exp
(
αT − t
τ
)
+E − UE
R
[
1 − exp
(
αT − t
τ
)]
avec τ =L
R
SII – PTSI | Électronique de puissance 36
Hacheur parallèle sur charge R, L, E
2 phases de fonctionnement1 K fermé, ∀t ∈ [0; αT ] :
uS(t) = 0 = E − R iS(t) − LdiS
dt(t)
iS(t) = Im exp
(
−t
τ
)
+E
R
[
1 − exp
(
−t
τ
)]
avec τ =L
R
2 K ouvert, ∀t ∈ [αT ; T ] :
uS(t) = UE = E − R iS(t) − LdiS
dt(t)
iS(t) = IM exp
(
αT − t
τ
)
+E − UE
R
[
1 − exp
(
αT − t
τ
)]
avec τ =L
R
SII – PTSI | Électronique de puissance 36
Hacheur parallèle sur charge R, L, EFonctionnement en régime permanent
Sur une période T :
ondulation du courant :
∆IS ≈α (1 − α)
L fUE
tension moyenne d’alimentation de la charge :
〈uS〉 =1
T
∫ T
0
uS(t) dt =1
T
∫ T
αT
UE dt = (1 − α) UE
courant moyen fournit :
〈iE〉 =1
T
∫ T
αT
iS(t) dt ≈ (1 − α)Im + IM
2= (1 − α) 〈iS〉
puissance moyenne consommée :
〈PE〉 = UE 〈iE〉 < 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 37
Hacheur série–parallèleréversible en courant
Alimentation
Hacheur série–parallèle
T1 T2UE
D1
D2
iS
ChargeuS
SII – PTSI | Électronique de puissance 38
Hacheur 4 quadrantsréversible en courant et en tension
Hacheur 4 quadrants
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
SII – PTSI | Électronique de puissance 39
Hacheur 4 quadrants
Principe de fonctionnement
ChargeUE
iE
i1
K1
i2
K2
i3
K3
i4
K4
iS
uS
SII – PTSI | Électronique de puissance 40
Hacheur 4 quadrants
2 types de commandes :1 Commande simple (unipolaire)
t
uS
+UE
−UE
〈uS〉 < 0
t
uS
+UE
−UE
〈uS〉 = 0
t
uS
+UE
−UE
〈uS〉 > 0
2 commande complémentaire (bipolaire)
t
uS
+UE
−UE
0 < α < 0, 5
〈uS〉 < 0
t
uS
+UE
−UE
α = 0, 5
〈uS〉 = 0
t
uS
+UE
−UE
0, 5 < α < 1
〈uS〉 > 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 41
Hacheur 4 quadrants
2 types de commandes :1 Commande simple (unipolaire)
t
uS
+UE
−UE
〈uS〉 < 0
t
uS
+UE
−UE
〈uS〉 = 0
t
uS
+UE
−UE
〈uS〉 > 0
2 commande complémentaire (bipolaire)
t
uS
+UE
−UE
0 < α < 0, 5
〈uS〉 < 0
t
uS
+UE
−UE
α = 0, 5
〈uS〉 = 0
t
uS
+UE
−UE
0, 5 < α < 1
〈uS〉 > 0
SII – PTSI | Électronique de puissance 41
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0
Le transistor T3 est toujours fermé.Si T1 est fermé, la charge est alimentée.
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 42
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0
Le transistor T3 est toujours fermé.Si T1 est ouvert, la charge est « en roue libre ».
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 42
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0
La diode D4 est toujours passante.Si T1 est fermé, la charge est « en roue libre ».
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 43
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0
La diode D4 est toujours passante.Si T1 est ouvert, la charge est alimentée.
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 43
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0
Le transistor T4 est toujours fermé.Si T2 est fermé, la charge est alimentée.
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 44
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0
Le transistor T4 est toujours fermé.Si T2 est ouvert, la charge est « en roue libre ».
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 44
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0
La diode D3 est toujours passante.Si T2 est fermé, la charge est « en roue libre ».
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 45
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0
La diode D3 est toujours passante.Si T2 est ouvert, la charge est alimentée.
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 45
Hacheur 4 quadrantsCommande simple
Synthèse du fonctionnement dans les 4 quadrants
uS
iS
1
Hacheur série T1 ou D2
(avec T3 passant)
2
Hacheur parallèle D2 ou T1
(avec D4 passante)
3
Hacheur série T2 ou D1
(avec T4 passant)
4
Hacheur parallèle D1 ou T2
(avec D3 passante)
SII – PTSI | Électronique de puissance 46
Hacheur 4 quadrantsExemple de cycle moteur exploitant les 4 quadrants
t
Ωm
1
1 4
4
3
3 2
2
SII – PTSI | Électronique de puissance 47
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0 (0, 5 < α 6 1)Si T1 et T3 sont fermés, la charge est alimentée avec +UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 48
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
1er quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS > 0 (0, 5 < α 6 1)Si T1 et T3 sont ouverts, la charge est alimentée avec −UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 48
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0 (0 6 α < 0, 5)Si T1 et T3 sont fermés, la charge est alimentée avec +UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 49
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
2e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS > 0 (0 6 α < 0, 5)Si T1 et T3 sont ouverts, la charge est alimentée avec −UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
<
SII – PTSI | Électronique de puissance 49
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0 (0, 5 < α 6 1)Si T2 et T4 sont fermés, la charge est alimentée avec −UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 50
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
3e quadrant : 〈uS〉 < 0 & iS < 0 (0, 5 < α 6 1)Si T2 et T4 sont ouverts, la charge est alimentée avec +UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 50
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0 (0 6 α < 0, 5)Si T2 et T4 sont fermés, la charge est alimentée avec −UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 51
Hacheur 4 quadrantsCommande bipolaire
4e quadrant : 〈uS〉 > 0 & iS < 0 (0 6 α < 0, 5)Si T2 et T4 sont ouverts, la charge est alimentée avec +UE .
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
>
SII – PTSI | Électronique de puissance 51
Synthèse et choix des hacheurs
uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉
Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0
Hacheur
parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0
Hacheur
série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS
Hacheur
4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS
SII – PTSI | Électronique de puissance 52
Synthèse et choix des hacheurs
uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉
Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0
Hacheur
parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0
Hacheur
série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS
Hacheur
4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS
SII – PTSI | Électronique de puissance 52
Synthèse et choix des hacheurs
uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉
Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0
Hacheur
parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0
Hacheur
série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS
Hacheur
4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS
SII – PTSI | Électronique de puissance 52
Synthèse et choix des hacheurs
uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉
Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0
Hacheur
parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0
Hacheur
série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS
Hacheur
4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS
SII – PTSI | Électronique de puissance 52
Synthèse et choix des hacheurs
uS IS 〈uS〉 〈iE〉 〈P〉
Hacheur série > 0 > 0 α UE α IS α UE IS > 0
Hacheur
parallèle > 0 < 0 (1 − α) UE (1 − α) IS (1 − α) UE IS < 0
Hacheur
série–parallèle > 0 ∈ R α UE α IS α UE IS
Hacheur
4 quadrants ∈ R ∈ R (2α − 1) UE (2α − 1) IS (2α − 1) UE IS
SII – PTSI | Électronique de puissance 52
1 2 3 44
Onduleur
SII – PTSI | Électronique de puissance 53
Onduleur
Un onduleur est un convertisseur statique qui permet d’alimenter une charge encourant alternatif à partir d’une source de tension continue. C’est un convertisseurcontinu–alternatif.
=
≃
Tensioncontinue fixe
Tensionalternative réglable
Utilisations :
alimentations sans interruption (ASI)(fréquence et amplitude de la tension de sortie fixes)
variateurs de vitesse des machines synchrones ou asynchrones (cf. 2eA)(fréquence et amplitude de la tension de sortie variables) ;
alimentations de dispositifs de chauffage par induction.
SII – PTSI | Électronique de puissance 54
Onduleur monophasé en demi-pont
Hacheur série-parallèle
T2
T1
Charge
U2
U1 D1
D2
iS
uS
SII – PTSI | Électronique de puissance 55
Onduleur monophasé en demi-pontCommande complémentaire
t
uS(t)
0
UE
−UE
T/2 T 2T 3T
t
iS(t)
IM
Im
0 T/2 3T/2 5T/2
T 2T 3T
D1 T1
D2 T2
D1 T1
D2 T2
D1 T1
D2 T2
SII – PTSI | Électronique de puissance 56
Onduleur monophasé pleine onde
Hacheur 4 quadrants
T1
T2 T3
T4
ChargeUE
D1
D2
D4
D3
iS
uS
Trois types de commandes :1 commande simple2 commande décalée3 commande MLI
SII – PTSI | Électronique de puissance 57
Onduleur monophasé pleine ondeCommande simple
t
uS(t)
0
UE
−UE
T/2 T 2T 3T
t
iS(t)
IM
−IM
0 T/2 3T/2 5T/2
T 2T 3T
D1, D3
T1, T3
D2, D4
T2, T4
D1, D3
T1, T3
D2, D4
T2, T4
D1, D3
T1, T3
D2, D4
T2, T4
SII – PTSI | Électronique de puissance 58
Onduleur monophasé pleine ondeCommande simple
f
f0
uS(t)
1 3 5 7 9 11 13 15
100 %
33 %20 %
14 % 11 % 9 % 8 % 7 %
4 UE
π
Spectre de la tension produite
SII – PTSI | Électronique de puissance 59
Onduleur monophasé pleine ondeCommande décalée
t
uS(t)
0
UE
−UE
T/2
T 2T 3Tβ
K1
K2
K3
K4
t
iS(t)IM
I0
−I0
−IM
0 T/2 3T/2 5T/2
T 2T 3T
D1, T4
D1, D3
T1, T3
D2, T3
D2, D4
T2, T4
D1, T4
D1, D3
T1, T3
D2, T3
D2, D4
T2, T4
D1, T4
D1, D3
T1, T3
D2, T3
D2, D4
T2, T4
SII – PTSI | Électronique de puissance 60
Onduleur monophasé pleine ondeCommande MLI
M.L.I. = modulation de largeur d’impulsions
K1 = K2
α1
α2
α3
α4
α5π − α1
π − α2
π − α3
π − α4
π − α5
π 2ππ/2 3π/2
K4 = K3
π 2π
π + α1
π + α2
π/2 3π/2
θ
uS(θ)
π 2ππ/2 3π/2
0
UE
−UE
SII – PTSI | Électronique de puissance 61
€
N. Mesnier, lycée Jules Ferry, Versailles