Cours d’Electronique · …Hacheur réversible en courant Placé entre une source de tension...
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Cours d’Electronique de Puissance 1 A. ABOULOIFA
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Cours d’Electronique
de Puissance 1
A. ABOULOIFA
Chapitre 3: Convertisseurs DC-DC
(les hacheurs)
1. Introduction
Les hacheurs opèrent une conversion continu-
continu. Ils permettent de régler la tension
appliquée au récepteur ou le courant qui y
circule.
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Entrée
(DC)
Sortie
(DC)
Les hacheurs peuvent être directs ou indirects:
Les hacheurs directs relient un générateur et un récepteur qui se
comportent l’un comme une source de tension, l’autre comme une
source de courant.
Les hacheurs indirects relient un générateur et un récepteur de
même nature. Ils comportent, en plus des interrupteurs, un
élément de stockage d’énergie( une inductance ou un
condensateur)
2. Hacheurs directs
Notations:
ve, ie: tension et courant d’entrée,
vs, is: tension et courant de sortie,
Ve, Ie,Vs et Is : valeurs moyennes de ve, ie,vs et is .
Si on néglige les pertes à l’intérieur du hacheur, les puissances
moyennes à l’entrée et à la sortie sont les mêmes et, puisqu’il n’ y a
pas d’élément interne de stockage, il en est de même des
puissances instantanées:
et
Les interrupteurs électroniques unidirectionnels, quelle que soit leur
nature, seront représentés par le symbole ci-contre.
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Hacheurve vs
ie is
ssee iviv ssee IVIV
2.1. Hacheur série
Le hacheur série, dit aussi abaisseur de tension ou buck
converter, commande le débit:
D’un générateur de tension dont la tension est toujours positive,
Dans un récepteur de courant dont le courant ne peut devenir
négatif.
Le hacheur est formé d’un transistor T
et d’une diode D.
Quand T est ON:
Quand T est OFF:
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a) Principe:
eV
T
D
Te ii sITv
Dvsv
Di
,, sees IiVv 0,,,0 DeDsTT iVvIiv
,0,0 es iv sDDTeT IiviVv ,0,0,
Si T est la période de fonctionnement
et T la durée des intervalles de
conduction du transistor, la tension de
sortie a pour valeur moyenne:
En faisant varier de 0 à 1, on fait
varier Vs de 0 à Ve.
La tension Vs < Ve. Le hacheur série
est bien abaisseur de tension ou
« hacheur dévolteur »
…Hacheur série
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t0
sveV
t0
eT ii sI
t0
DisI
0
TveV
0Dv
eV
t
t
T ON T OFF
T T
b) Valeur moyenne de vs:
T
ess VdttvT
V0
)(1
Le hacheur parallèle, dit aussi élévateur de tension ou boost
converter, commande le débit:
D’un générateur de courant dont le courant ie est toujours positif,
Dans un récepteur de tension dont la tension vs ne peut devenir
négative.
Pour le transistor T est ON:
Pour le transistor T est OFF, D et ON:
2.2. Hacheur parallèle
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a) Principe:
evT
D
eIDs ii
Tv
Dv
sV
Ti
0,,,0 TeTsDD vIiVvi
0,0 se iv
Tt 0
TtT
sTTDeD VvivIi ,0,0,,, esse IiVv
…Hacheur parallèle
La tension d’entrée ve a pour valeur
moyenne:
Le courant de sortie is a pour valeur
moyenne:
Quand va de 1 à 0, Ve va de 0 à Vs,
et Is va de 0 à Ie.
La tension Ve > Vs, Le hacheur
parallèle est bien élévateur de tension
ou « hacheur survolteur » .
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t0
evsV
t0
Ds ii eI
t0
TieI
0Dv
sV
0
TvsV
t
t
T ON T OFF
T T
b) Valeurs moyennes:
se VV )1(
es II )1(
2.3. Hacheur réversible en courant
Avec un schéma à deux interrupteurs on peut commander le
transfert d’énergie dans les deux sens entre:
Une source de tension,
et une source de courant.
Les sources doivent présenter la ou les mêmes réversibilités (toutes
deux réversibles en tension, ou en courant, ou en tension et en
courant).
On s’intéresse à l’étude du schéma le plus utilisé, celui d’un hacheur
reliant deux sources réversibles en courant.
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…Hacheur réversible en courant
Ce convertisseur résulte de
l’association d’un hacheur série (formé
par T1 et D2), et d’un hacheur parallèle
(formé par T2 et D1).
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a) Principe:
eV
ei sI
sv
T1
D1
T2D2
Pour positif, il fonctionne en hacheur série: le courant passant
tantôt par T1, tantôt par D2. Si 1 est la durée relative de la fermeture
de T1 pendant chaque période, a pour valeur moyenne:
Pour négatif, il fonctionne en hacheur parallèle: le courant
passant tantôt par T2, tantôt par D1. Si 2 est la durée relative des
intervalles de fermeture de T2, a pour valeur moyenne:
sIsI
sv es VV 1
sIsI
sves VV )1( 2
…Hacheur réversible en courant
Placé entre une source de tension constante réversible en courant
(une batterie d’accumulateur par exemple), et une machine à courant
continu (source de courant de constante E, R, L), le hacheur en
courant réversible permet:
De faire varier la vitesse de la machine;
Que celle-ci fonctionne en moteur ( )
ou en génératrice .
A flux inducteur constant, la vitesse Ω est proportionnelle à la f.é.m. E,
et le couple C au courant . La marche en génératrice correspond
au freinage par récupération: la machine prend l’énergie mécanique
de la charge qu’elle freine et la transforme en énergie électrique.
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b) Exemple d’application:
eV
0sI
0sIeV
ei sI
sv
T1
D1
T2D2 MCC
L
sI
En moteur, si T1 conduit pendant la partie 1T de la période:
avec
En génératrice, si T2 conduit pendant la partie 2T de la période:
avec es VV )1( 2 ss RIVE 0sI
…Hacheur réversible en courant
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es VV 1 ss RIVE 0sI
Si on adopte la commande
complémentaire, qui consiste à
commander la fermeture de T1 de 0 à
1T et la fermeture de T2 pendant le
reste de la période, ce qui revient à
imposer:
La tension Vs est alors égale à:
121 0
E)(
sI
)(C01
25,01
5,01
75,01
11 eV
1
cro
ît
02
25,02
5,02
75,02
12
2
cro
ît
ses IVV 1
Allure des caractéristiques E(Is) ou
Ω(C) pour diverse valeurs de 1.
2.4. Hacheur en pont
La structure à quatre interrupteurs ou en pont offre plus de
possibilités que celle à deux interrupteurs car elle permet de relier
chacune des bornes de sortie à chacune des bornes d’entrée ou de
les séparer.
Les sources d’entrée et de sortie doivent être de nature différentes
(l’une de tension, l’autre de courant). Mais on peut commander le
transfert entre sources de réversibilités différentes.
Parmi les nombreuses possibilités offerte par cette structure, lune
des plus utilisées correspond au hacheur reliant:
Une source de tension réversible en courant:
Et une source de courant réversible en courant et en tension:
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0ou 0,0 eee iiV
0ou 0;0ou 0 ssss vvII
…Hacheur en pont
Chaque interrupteur est réalisé avec
une semi-conducteur à fermeture et
ouverture commandées du type
transistor et une diode montée en
parallèle inverse.
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a) Principe:
eV
ei
sIsvT1
D1
T’1 D’1
T2D2
T’2D’2
b) Commande séquentielle:
Si l’on veut réduire le nombre de commutations, pour chacun des
quatre modes de fonctionnement:
On ne commande que deux « interrupteurs »:
0et 0 ss IV
0et 0 ss IV 0et 0 ss IV
0et 0 ss IV1 2
…Hacheur à stockage inductif
Pour , T est ON:
Puisque , iL croit linéairement.
Pour , D est ON:
Puisque , iL décroit linéairement.
Si on néglige les pertes à l’intérieur du
hacheur: . On a alors:
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0
Li
t
t0
eT ii MI
t0
Ds ii 0
Tv
0Dv
)( se VV
t
t
T ON D ON
T T
)( se VV
mI
MI
mI
mI
MI
Tt 0
)( ;0 ; seDsLTe VVviiii
eL V
dt
diL
TtT
)( ;0 ; seTeDsL VVviiii
sL V
dt
diL
b) Valeurs moyennes:
Le II Ls II )1(
eess IVIV
1s
e
e
s
I
I
V
V Si varie de 0 à 1, Vs/Ve
varie, théoriquement de
0 à l’infini.
LI
Si le hacheur doit relier deux sources de courant, l’élément
d’accumulation doit être un condensateur qui joue le rôle de source
de tension intermédiaire. Ce hacheur est connu sous le nom de
hacheur de Cùk ou Cùk converter.
3.1. Hacheur à stockage capacitif:
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a) Principe:
evT
D
eI sI
Tv Dvsv
Di
Cv
Ti
Ci
Pour , le semi-conducteur
commandé conduit; le condensateur
alimente le récepteur à courant constant,
la tension vC diminue linéairement:
sI
Tt 0
Cse vvv ;0C
I
dt
dvIi sC
sC
;
sDDTseT VvivIIi ;0;0 ;
…Hacheur à stockage capacitif
Pour , l a diode conduit; le
générateur charge le condensateur à
courant constant, la tension vC croît
linéairement:
Valeurs moyenne de ve et vs :
Conservation de puissance implique:
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0
Cv
t
t0sD vv
t0
eT vv
0
Di
0
Ti
t
t
T ON D ON
T T
)( se II
mI
CMV
CmV
CmV
CMV
)( se II
CmV
CMV
TtT
eI
0 ; sCe vvvC
I
dt
dvIi eC
eC ;
0;; ;0 DseDCTT vIIivvi
b) Valeurs moyennes:
Cs VV Ce VV )1(
CV
1s
e
e
s
I
I
V
V
