ELECTRONIQUE DE PUISSANCE II

COMMUTATIONS FORCEE ET NATURELLE

CHAP I : INTRODUCTION GNRALE
CHAP II : COMPOSANTS ACTIFS DES CONVERTISSEURS STATIQUES
CHAP III: INTRODUCTION A L'ETUDE DES CONVERTISSEURS STATIQUES
CHAP IV: LA COMMUTATION DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES
CHAPV : DUALITE DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES
CHAP VI: LES HACHEURS
CHAP VII: LA COMMUTATION FORCEE
CHAP VIII: LES ONDULEURS
CHAP IX: LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE
CHAP X : CIRCUITS D'AIDE A LA COMMUTATION (C.A.L.C)
CHAP XI: COMMANDE DES ELEMENTS SEMI CONDUCTEURS
CHAP XII: COMMUTATION NATURELLE
- Convertisseurs dnergie? : Transformation de la forme de lnergie
(Thermique-Mcanique-Electrique).
-Convertisseurs dnergie dune forme quelconque en nergie
lectrique:
- En continu: Batteries dAccumulateurs
(Inconvnients: Encombrement, Entretien
rgulier et coteux)
- En alternatif: Alternateurs synchrones (Frquence fixe)
- Essor industriel de loccident (annes 50): Ncessit de l'nergie
lectrique sous ses formes les plus diverses:
Tension variable en continu ou en alternatif
Frquence variable en alternatif.
D'o la ncessit de convertisseurs d'nergie.
- Solution lectromcanique: Machines (Transformateurs, Groupes
convertisseurs, Commutatrices....)
- Inconvnients: Ensembles lourds, peu souples et ncessitent un
entretien frquent et coteux.
- Disparition des ensembles convertisseurs-machines au profit des
convertisseurs statiques: Enormes progrs dans le domaine des
composants lectroniques de faibles
puissances (commande, contrle) et de
puissances leves (Interrupteurs: Diode,
Transistor bipolaire, M.O.S, I.G.B.T, G.T.O).
- Les diffrents types de conversion possibles sont:
- Redresseurs et Convertisseurs directs (cyclo-convertisseurs):
Cours 2
me
anne (Commutation naturelle assiste par le rseau)
HACHEURS
- Hacheurs: Convertisseurs statiques permettant d'obtenir une tension
continue variable en amplitude partir d'une tension
continue amplitude constante l'entre.
ONDULEURS
- Onduleurs: Convertisseurs statiques permettant d'obtenir une
tension alternative partir d'une tension continue.
Onduleur Monophas
- La forme du courant dpend de la nature de la charge (R, L ou C)
CONVERTISSEUR INDIRECT DE TENSION
- Convertisseurs permettant d'obtenir une tension continue E
2
partir
d'une tension continue E
1
en passant par l'intermdiaire d'un onduleur
(isolement galvanique entre l'entre et la sortie).
CONVERTISSEUR INDIRECT DE FREQUENCE
- CONVERTISSEURS INDIRECTS DE FREQUENCE: Convertisseurs qui
fournissent, leur sortie, une tension alternative dont l'amplitude et la
frquence sont diffrentes de celles de l'entre.
- Fonctionnement des convertisseurs statiques: Commutation de
courant entre mailles adjacentes
- Elment de base: Interrupteur pour ouvrir ou fermer un circuit
considr.
- Convention rcepteur pour l'interrupteur:
- Caractristique idale de n'importe quel interrupteur
sera dans la caractristique idale suivante:
A V A N T C O M M U T A T I O N A P R E S C O M M U T A T I O N
-
- Diffrentiation des composants:
- Ralisation technologique
- Fonction interrupteur assure:
*Caractristique statique I(V) (Nombre de branches de la
caractristique idale).
*Caractristique dynamique (Commande au blocage
et/ou lamorage).

CLASSIFICATION DES INTERRUPTEURS
- Caractrisation dun interrupteur: Dfinition de ses caractristiques
statique et dynamique.
- Caractristique dynamique: Faon par laquelle se font les transitions
d'une branche l'autre de la caractristique
statique: commandes ou spontanes.
- Classification de tous les semi-conducteurs (en tant quinterrupteur):
- Quatre catgories:
* Amorage et Blocage spontans: DIODE.
*Amorage et Blocage commands: TRANSISTORS
(bipolaire, M.O.S, I.G.B.T), G.T.O.
*Amorage command, Blocage spontan: THYRISTOR
*Amorage spontan, Blocage command: Pas de
composant sous forme discrte:
Synthtisation de cette fonction
(duale de celle du thyristor) autour
d'un semi-conducteur amorage et
blocage commands (En rendant
son amorage command en
spontan: C'est le "thyristor dual ).
- Commutation spontane: Elle produit le minimum de pertes (le produit
V.I est toujours faible). La commutation seffectue
le long des axes si on nglige les phnomnes
secondaires (Courant de fuite l'tat bloqu et
Chute de tension l'tat passant).
- Commutation commande: Elle produit dimportantes pertes (Elle oblige
le point de fonctionnement de sauter d'une
branche l'autre de la caractristique statique
Apparition de contraintes instantanes
importantes (existence simultane de V et I) .
Danger si la dure de la commutation
s'allonge et/ou la frquence de commutation
augmente.
DIODE
C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e r e l l e C a r a c t r i s t i q u e i d a l i s e
- V
RRM
: Reverse Recovery Maximum
Tension de seuil inverse maximale
- Caractristique dynamique: Passage de l'tat bloqu l'tat passant
(amorage) et inversement (blocage).
Amorage de la diode
Phnomne transitoire: Prsente en gnral une faible importance.
- Apparition d'une surtension pendant le temps de
rtablissement t
fr
.
- Surtension prsente un inconvnient dans certains
montages (Conduction inverse de transistors bipolaires)
-
Cas o la charge est inductive
- Mme si D
2
prsente une surtension pouvant faire conduire en
inverse T
2
, ce dernier ne sera pas soumis de fortes contraintes
puisqu'il conduit en direct juste aprs le blocage de D
2
.
C o u r a n t e t T e n s i o n d a n s u n e c h a r g e i n d u c t i v e C o u r a n t e t T e n s i o n d a n s u n e c h a r g e i n d u c t i v e
Cas o la charge est capacitive
- Par contre, si le transistor sera soumis une tension leve
(blocage) aprs sa conduction en inverse, la focalisation des
courants peut mener la destruction du composant (Apparition de
points chauds).
C o u r a n t e t T e n s i o n d a n s u n e c h a r g e c a p a c i t i v e C o u r a n t e t T e n s i o n d a n s u n e c h a r g e c a p a c i t i v e
Blocage de la diode
- Lorsquon polarise en inverse une diode aprs la conduction en
direct, elle ne retrouve pas immdiatement son pouvoir de blocage et
elle continue conduire en se comportant comme un court-circuit
pendant un certain temps appel temps de recouvrement inverse
not t
rr
.
- Phnomne de recouvrement: Prsence de charges stockes
pendant la conduction directe (Q
0
=J.I
F
o J est la dure de vie des
porteurs minoritaires et I
F
le courant moyen direct avant la
commutation).
- Pendant la commutation: une partie de Q
0
disparat spontanment
par recombinaison interne. L'autre partie, appele charge
recouvre Q
R
est vacue par le courant inverse circulant dans la
diode.
- La deuxime partie de recouvrement, aprs t
1
, c'est la diode qui
impose la dcroissance du courant inverse, la jonction P-N
commence retrouver son pouvoir de blocage.
A l'instant t
1
, , E
c
est applique en inverse
la diode.
Au moment o la pente change de signe (point d'inflexion
de i
rr
(t)), il y'a apparition d'une surtension
d i
d t
r r
0
d i
d t
r r
E L
d i
d t
C c
r r
+ .
THYRISTOR
- Thyristor: Semi-conducteur de structure PNPN assimilable
un ensemble de trois jonctions.
-
- V
RRM
: Reverse Recovery Maximum
- V
M
: Tension de retournement
C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e r e l l e C a r a c t r i s t i q u e i d a l i s e
Amorage du Thyristor
Pour amorcer un thyristor:
- Tension entre anode et cathode positive
- Envoie dune impulsion de courant entre la
gchette et la cathode (attaque en courant)
Prcautions: Limitation de la vitesse de croissance du courant
l'amorage (di/dt: gradient de courant)
- Solution: Adjonction, en srie avec le thyristor, d'une inductance de
faible valeur (quelques H).
Blocage du Thyristor
Pour bloquer un thyristor:
- Annuler le courant anode-cathode (ou le rendre infrieur
au courant de maintien)
- Appliquer une tension inverse ngative pendant un
temps au moins gal t
q
(temps de dsamorage (de 10
s 100 s selon le type de thyristor).
-
t
q
= t
r
+t
rg
- Lors du dimensionnement des circuits de commutation force ou
naturelle, il faut que le temps d'application de la tension inverse
soit au moins gal t
q
(t
inv
>t
q
).
TRANSISTORS
TRANSISTOR BIPOLAIRE
Transistor bipolaire: Semi-conducteur de structure NPN ou PNP
Cest la structure NPN qui sest nettement dveloppe par rapport
la structure PNP. Aujourdhui, Transistors 1600V,400A.
Symbole:
S y m b o l e d u t r a n s i s t o r b i p o l a i r e N P N S y m b o l e d u t r a n s i s t o r b i p o l a i r e N P N
-
- Transistor bipolaire en tant qu Interrupteur Points de
fonctionnement statique qui se trouvent au voisinage des deux axes:
Axe 0-V
CE
l'tat bloqu
Axe 0-I
C
l'tat passant
C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e r e l l e C a r a c t r i s t i q u e i d a l i s e C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e r e l l e C a r a c t r i s t i q u e i d a l i s e

FONCTIONNEMENT STATIQUE
- ETAT BLOQUE: Courant Collecteur-Emetteur nul.
Valeurs maximales de la tension Collecteur-Emetteur que peut
supporter le transistor sont:
V
ce0(sus)
: Circuit de base ouvert (i
B
=0)
V
CER
: Base relie l'metteur par une
rsistance R
BE
V
CEX
: Jonction base-metteur polarise
ngativement (V
BE
<0).
EXEMPLE: BUX 48: V
ce0(sus)
=450V; V
CER
=600V;
V
CEX
=850V.
- ETAT PASSANT: Au voisinage de l'axe vertical I
C
de la
caractristique statique I(V), trois zones:
-
Zone 1: Zone de fonctionnement en linaire ou
zone d'amplification.
Zone 2: Zone de quasisaturation. Elle correspond
de faibles valeurs de la tension V
CE

note V
CEsat
. Le rapport I
C
/I
B
dcrot
rapidement (V
CE
=V
BE
).
Zone 3: Zone de saturation. Toute augmentation
de I
B
ne modifie pas la valeur de V
Cesat

qui a atteint sa valeur minimale.
- En rgime de commutation, le transistor ne peut tre utilis que dans
les zones 2 ou 3 lorsqu'il est conducteur. Car dans la zone 1, le
produit V
CE
.I
C
est important Apparition d'importantes contraintes
pouvant mener la destruction du composant.
FONCTIONNEMENT DYNAMIQUE
- En commutation: Ncessit dtudes des phnomnes
accompagnant le passage de l'tat bloqu l'tat
conducteur et inversement lorsqu'une commande
est applique la base du transistor.
-
t
d
: temps de retard la croissance
t
r
: temps de monte du courant collecteur
t
s
: temps de stockage
t
f
: temps de descente du courant collecteur
t
en
; t
on
: temps d'enclenchement (de l'ordre de la s)
t
de
; t
OFF
: temps de dclenchement (quelques s)
- Le temps de stockage t
s
dpend fortement du circuit de commande.
Ce temps peut tre limit de faibles valeurs par le choix d'une
commande approprie du transistor bipolaire.
TRANSISTOR M.O.S DE PUISSANCE
MOSFET: Metal-Oxyde-Semiconductor
Field-Effect-Transistor
- Le M.O.S de puissance: Elment semi-conducteur effet de
champ avec trois lectrodes: grille G
(quivalent de la base B d'un transistor
bipolaire), drain D (quivalent au
collecteur C d'un N.P.N) et la source S
(quivalent l'metteur E d'un N.P.N)
- Le symbole utilis pour le M.O.S est:
La structure physique du M.O.S fait
apparatre une diode en anti-parallle
avec le transistor. Elle supporte le mme
courant nominal du transistor mais elle
prsente un temps de recouvrement
relativement lev.
Caractristique de commande
- Caractristique statique
Pour bloquer le transistor MOSFET, il suffit de lui appliquer une
tension U
GS
nulle entre la grille et la source. Pour le faire conduire, il
faut appliquer une tension U
GS
positive. Pour une valeur de U
GS
de
l'ordre de 10V, le transistor M.O.S se transforme en une rsistance
de faible valeur et fonctionne en zone de saturation.
-
- Etat bloqu d'un transistor M.O.S:
caractristique de blocage
C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e C a r a c t r i s t i q u e d e c o m m a n d e C a r a c t r i s t i q u e d e c o m m a n d e
C a r a c t r i s t i q u e d e b l o c a g e d ' u n t r a n s i s t o r M . O . S C a r a c t r i s t i q u e d e b l o c a g e d ' u n t r a n s i s t o r M . O . S
- Blocage du M.O.S: Application d'une tension U
GS
nulle ou mme
ngative. Le courant de drain est pratiquement
nul. Si, dans ces conditions de fonctionnement,
la tension V
DS
dpasse une certaine valeur
fournie par le constructeur note V
DSS
, il se
produit un phnomne de claquage qui conduit
la destruction du composant.
- Etat de conduction d'un transistor M.O.S:
Pour une tension de grille source U
GS
positive, le M.O.S prsente une
zone rsistive:
- Le comportement du transistor M.O.S dans cette zone est quivalent
celui d'une rsistance appele R
DSon
.
- Le transistor MOSFET prsente l'avantage de commuter rapidement
d'un tat l'autre par rapport au transistor bipolaire. Un autre avantage
rside dans la simplicit de circuits de commande puisque le M.O.S est
command en tension alors que le bipolaire est commande par un
courant.
- Cependant, il prsente deux inconvnients par rapport au transistor
bipolaire:
Les pertes par conduction sont plus importantes
La tenue en tension est plus faible.
TRANSISTOR I.G.B.T
(Insulate Gate Bipolar Transistor)
- Transistor I.G.B.T: Semi-conducteur de puissance combinant les
avantages du transistor bipolaire ceux du M.O.S
(Simplicit de commande, Rapidit de
commutation, Tenue en tension leve)
- Symbole de L'I.G.B.T:
S y m b o l e d e L ' I . G . B . T
S c h m a q u i v a l e n t d e L ' I . G . B . T
-
- I.G.B.T commercialiss: Tensions allant jusqu' 1600V et Courants
pouvant aller jusqu 2000A pour les modules.
- La commande adquate d'un I.G.B.T est identique celle d'un MOSFET
de puissance.
THYRISTORS BLOCABLES G.T.O (Gate Turn Off)
- Thyristor G.T.O: Semi-conducteur compos de trois jonctions
(PNPN) similaire un thyristor.
- Allumage G.T.O: Idem au thyristor: (impulsion positive entre
gchette et cathode)
C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e C a r a c t r i s t i q u e s t a t i q u e C a r a c t r i s t i q u e d e c o m m a n d e C a r a c t r i s t i q u e d e c o m m a n d e
-
Avantage/ au Thyristor: Possibilit de le bloquer par la gchette
en appliquant une impulsion ngative.
- Inconvnient G.T.O: Pas de blocage de tension inverse.
Si ncessit de blocage de tension inverse,
mise en srie avec le G.T.O dune diode.
- Le symbole utilis pour reprsenter le G.T.O est le suivant:
- Les caractristiques directes correspondent :
- Si le courant anode i
A
< au courant d'accrochage I
L
, le G.T.O se
comporte comme un transistor avec un gain i
A
/i
G
. Ce gain augmente
fortement avec le courant i
A
.
Commutation du thyristor G.T.O
- Le comportement dynamique du G.T.O est reprsent par la figure
suivante:
t
d(on)
: retard la croissance du courant i
A
t
r
: temps de croissance
t
d(OFF)
=t
s
: temps de stockage
t
t
: temps de tranage du courant la dcroissance
t
on
=t
d(on)
+t
r
: temps d'enclenchement.
- Pour rduire t
on
, on envoie une impulsion l'amorage deux cinq
fois le courant I
GT
.
- Au blocage, il faut que la rapidit de dcroissance du courant i
G
ne
soit pas trop leve sous risque que le G.T.O ne se bloque pas.
Cependant, un fort courant I
GR
favorise la rapidit de blocage.
INTRODUCTION A L'ETUDE DES CONVERTISSEURS STATIQUES
- L'objectif est de raliser, partir de la connaissance d'un cahier
de charges, la synthse de la structure d'un convertisseur
statique.
- Un convertisseur statique est un montage utilisant des
interrupteurs semi-conducteurs et permettant, par un choix
judicieux de squences convenables de ces derniers, un transfert
d'nergie entre un gnrateur et un rcepteur.
- Ce transfert pouvant tre dans certains cas rversible. Les termes
entre et sortie remplaceront dsormais ceux de gnrateur et de
rcepteur pour tenir compte des rversibilits.
- Le problme de la synthse d'un convertisseur statique se posera
donc de la manire suivante:
On dsire effectuer un certain type de conversion d'nergie
entre une entre et une sortie connues par le cahier des charges et
cela travers des interrupteurs sur lesquels on connat rien
priori. Il faut dterminer:
- la structure du convertisseur c..d le nombre et la
place des interrupteurs ainsi que la prsence ou non
d'lments de stockage (inductance ou
condensateur)
- les caractristiques statiques et dynamiques des
interrupteurs.
- Au dpart, les seuls lments connus sont les entres et les sorties
du convertisseur. La premire tape consiste donc les caractriser.
- Deux grandes familles doivent tre distingues:
- les sources de courants
- les sources de tension
- Ces termes seront utiliss indiffremment pour les gnrateurs et les
rcepteurs d'nergie.
- Classiquement, une source est dite de tension lorsqu'elle impose
une tension quelque soit le courant de charge. Ceci implique que son
impdance srie est nulle (ou trs faible devant celle de la charge).
- De mme, source de courant lorsqu'elle impose un courant quelque
soit la charge impdance srie infinie (ou >> devant la charge).
- Cette caractrisation correspond une proprit permanente. Or, le
fonctionnement des convertisseurs statiques, en raison de la
prsence des interrupteurs, provoque des variations instantanes de
certaines grandeurs lectriques. Il faut donc gnraliser ces
dfinitions des sources qui possdent ces proprits de faon
instantane.

- Source de tension lorsque la tension ses bornes ne peut pas subir

de discontinuit du fait de la variation de la charge.
- Source de courant lorsque le courant qui la traverse ne peut pas
subir de discontinuit du fait de la variation de la charge.
- Pour prciser ces dfinitions, il est commode d'utiliser la notion
d'impdance instantane.
- Source de tension lorsqu'elle prsente une impdance instantane
nulle.
- Source de courant lorsqu'elle prsente une impdance instantane
infinie.
EXEMPLES
- Condensateur:
Si l'on tentait de faire varier instantanment la tension aux
bornes d'un condensateur, on crerait un dv/dt infini, donc un
courant instantan infini puisque i=c.dv/dt.
- L'impdance instantane d'un condensateur est nulle qu'un
condensateur sera considr comme une source de tension dans la
synthse des convertisseurs statiques.
- Inductance:
Si l'on tentait de faire varier instantanment le courant dans une
inductance, on crerait un di/dt infini, donc une tension instantane
infinie puisque v=l.di/dt.
V Z I Z V I . p u i s q u e f i n i e e t i n f i n i e 0
Z p
C p
Z p
C p
C C p
p
( )
.
, ( )
.

_
,

1 1
0 l i m l i m
V Z I Z V I . p u i s q u e i n f i n i e e t f i n i e
( )
Z p L p Z p L p
L L p
p
( ) . , ( ) .


l i m l i m
- L'impdance instantan d'une inductance est infinie quune
inductance sera considre comme une source de courant dans la
synthse des convertisseurs statiques.
- Batterie daccumulateurs:
Une batterie daccumulateurs est elle une source de tension ou
de courant?
Pour la caractriser, il faut analyser les conditions d'utilisation
de cette batterie.
Supposons que cette batterie alimente une charge par
l'intermdiaire d'un interrupteur T et que le courant de charge est de
20 A. Si le cble de liaison a une longueur de 1 m et que l'interrupteur
T commute en 1 s.
- A l'ouverture de T, on aura une surtension:
- Si la batterie prsente une tension ses bornes de 20 V, la
surtension est du mme ordre de grandeur que la tension E de la
batterie.
- A cause des cbles de liaison, la charge ne peut pas tre
considre comme alimente par une source de tension.
- Si on place un condensateur de valeur convenable entre les
points A et B, la charge sera alors alimente par une source de
tension.
- Difficult de caractrisation: Imposition pour Source type continue
-Transformation en source de tension : Ajout d'un
condensateur en
parallle
-Transformation en source de courant : Ajout d'une inductance
en srie
v l
d i
d t
H
I
T
H V

. . . 1 1
2 0
1 0
2 0
6

- Dans le cas o la source est de type alternatif, on ne peut que la

transformer en une source de courant en insrant en srie avec elle
une inductance.
- Dans le cas o on veut transformer une source de type alternatif en
une source de tension en plaant en parallle un condensateur, on
risque de provoquer le court-circuit de cette source (si C est grand,
1/C. 0).
Rversibilits des entres-sorties
- Lorsque une source de tension (ou de courant) impose une
tension (ou un courant) unidirectionnelle, on parlera de source de
tension (ou de courant) continue.
- Dans le cas o la tension (ou le courant) est bidirectionnelle, il
y'a lieu de distinguer deux cas:
- la tension (ou le courant) change de polarit de
manire priodique, on parlera de grandeur alternative
- la tension (ou le courant) change de sens de manire
non cyclique, on parlera de grandeur rversible.
- Pour dterminer les caractristiques statiques et dynamiques
des interrupteurs, il faut prciser les divers modes de rversibilits
des entres sorties.
- Une source sera de tension ou de courant:
soit deux possibilits
rversible ou non en tension: soit deux possibilits
rversible ou non en courant: soit deux possibilits
Soit donc au total 8 possibilits:
- EXEMPLE:
- Batterie d'accumulateurs: Une source de tension rversible en
courant puisqu'elle se comporte comme rcepteur lors de la charge
et gnrateur lors de la dcharge. Elle sera reprsente comme suit:
REGLES D'INTERCONNEXIONS
- Au cours de son fonctionnement, le convertisseur statique connecte
ou dconnecte, par l'intermdiaire des interrupteurs, les sources
entre lesquelles il assure et contrle l'change d'nergie. Pour que
ces liaisons puissent se faire, il est ncessaire de respecter certains
rgles:

- 1) Une source de tension ne doit jamais tre court-circuite

- 2) Le circuit d'une source de courant ne doit jamais tre ouvert
- 3) On ne peut connecter entre elle que deux sources de nature
diffrente
- 4) On ne peut jamais relier deux sources de mme nature.
CONFIGURATIONS DE BASE
- Nous appellerons configuration de base le schma, qui sans
hypothse sur les caractristiques des interrupteurs, permet toutes
les interconnexions possibles entre une entre et une sortie.
- L'interdiction de connecter deux sources de mme nature nous
permet de distinguer deux configurations de base:
- les configurations de base liaison directe lorsque les
sources sont de nature diffrente
- les configurations de base liaison indirecte lorsque
les sources sont de mme nature.
Configuration de base liaison directe
- Une structure liaison directe ne peut donc transmettre
l'nergie que d'une source de tension source de courant et
inversement. La majorit des convertisseurs rentre dans cette
catgorie
- Convertisseur tension-courant
On dispose d'une source de tension (entre) et d'une source de
courant (sortie):
Problme: Quelles sont les diffrentes possibilits
d'interconnexion de ces deux sources.
Quelle est la structure qui permet de raliser toutes ces
interconnexions.
On peut (en respectant les rgles d'interconnexion des
sources):
a) Relier dans un certain sens l'entre et la sortie:
b) Relier dans l'autre sens l'entre et la sortie:
c) les sparer en ouvrant la source de tension et en
court- circuitant la source de courant:
- La structure en pont 4 interrupteurs ralisant ces trois tats aura
lune des deux formes suivantes:
- K
1
et K
3
ferms donnent l'tat a
- K
2
et K
4
ferms donnent l'tat b
- K
1
et K
4
ou K
2
et K
3
ferms donnent l'tat c
V a r i a n t e 1 V a r i a n t e 2
- Cette configuration pourra se simplifier dans les cas particuliers de
certaines rversibilits.
- Le fonctionnement interne des deux variantes prcdentes tant
identique Dans la suite, on ne considrera que la variante 1.
Convertisseur courant tension
- Si lentre est une source de courant et la sortie est une source de
tension, une tude analogue la prcdente permet de montrer que la
structure suivante ralise toutes les interconnexions possibles entre
ces deux types de sources:

Configuration de base liaison indirecte
- Interconnexion deux sources de mme nature appel des
lments supplmentaires ne consommant pas d'nergie active
(capacit ou inductance). Ceci peut tre ralis en utilisant trois
mthodes:
- 1
re
mthode: On modifie la nature de l'entre ou de la sortie.

- Les convertisseurs (V,I) et (I,V) utiliss dans cette mthode sont
liaison directe et que les lments supplmentaires sont extrieurs au
convertisseur.
- 2
me
mthode:
* Pour raliser la conversion V V, on ralise une double
conversion V I puis I V en utilisant un tage
tampon constitu par une inductance.


- Pour raliser I I, on utilise une double conversion I V puis
V I en utilisant un condensateur comme tage tampon.
- 3
me
mthode:
* On rsout le problme l'aide d'une seule structure en utilisant
un lment de stockage (inductance ou capacit). Le stockage
fait partie du fonctionnement propre du convertisseur.


Convertisseur tension-tension
- L'interconnexion de deux sources de tension se fait par
l'intermdiaire d'un lment tampon inductif. Les liaisons effectuer
sont:
- La structure permettant de raliser ces interconnexions est:
K
1
ferm; K
2
, K
3
, K
4
, K
5
ouverts donnent ltat a)
K
1
ouvert; K
2
et K
5
ferms; K
3
et K
4
ouverts donnent ltat b)
K
1
ouvert; K
2
et K
5
ouverts; K
3
et K
4
ferms donnent ltat c)
Convertisseur courant courant
- L'interconnexion de deux sources de courant est ralise par
l'intermdiaire d'un lment tampon capacitif.
- les diffrentes interconnexions raliser sont:
- La configuration de base pouvant raliser ces interconnexions est la
suivante:
K
1
ouvert, (K
2
, K
3
, K
5
ferms, K
4
ouvert) ou (K
3
, K
4
, K
5
ferms, K
2

ouvert donnent ltat a)
K
1
ferm, K
2
et K
5
ferms, K
3
et K
4
ouverts donnent ltat b)
K
1
ferm, K
2
et K
5
ouverts, K
3
et K
4
ferms donnent ltat c)
- Les trois structures suivantes reprsentent les structures de tous les
convertisseurs:
SYNTHESE DES CONVERTISSEURS STATIQUES
Pour faire la synthse d'un convertisseur statique, il faut
procder comme suit:
1) Caractriser les entres sorties pour dduire la
configuration de base correspondante
2) Dduire du cahier des charges les rversibilits des entres
sorties
3) Identifier, pour la configuration de base correspondante, les
squences de fonctionnement compte tenu des rversibilits en
tension et en courant
4) Observer, pour les diffrentes squences, le sens du courant
dans les interrupteurs passants et le signe de la tension aux
bornes de ceux bloqus pour en dduire les caractristiques
I(V) de chaque interrupteur
5) Reconnatre chaque interrupteur partir de la caractristique
statique ou de le synthtiser partir d'interrupteurs usuels.
ETUDE DE QUELQUES CAS
Hacheur rversible en courant:
Cahier des charges:
- On veut alimenter, partir d'une batterie d'accumulateurs, une
machine courant continu sous tension continue variable. Cette
machine est excitation indpendante. Elle devra fonctionner en
moteur et en gnratrice pour le mme sens de la vitesse de rotation.
On notera que pour assurer le freinage, on choisit de ne pas toucher
linducteur mais, dinverser le courant dans linduit.
- SOLUTION:
a) caractrisation des entres sorties et dduction des
rversibilits
L'entre est une source de tension rversible en courant.
La sortie tant une source de courant non rversible en tension
mais rversible en courant. Donc, la configuration de base est
liaison directe:
-
b) Squences de fonctionnement et observation du sens du
courant dans les interrupteurs passants et du signe de la tension
aux bornes de ceux bloqus.
Les squences de fonctionnement qui peuvent exister sont:
- phase active de traction
- phase active de freinage
- phase de roue libre en traction
- phase de roue libre en freinage.
- Phase active en traction
- Phase active de freinage:
- Roue libre en traction:
- Roue libre en freinage:
- Caractristiques statiques des interrupteurs:
- K
1
et K
2
doivent tre synthtiss partir d'interrupteurs usuels. Par
exemple un transistor (ou un thyristor avec son circuit d'extinction) et
une diode en antiparallle.
- K
3
est un fil.
- K
4
est un circuit ouvert.
-
Hacheur non rversible en courant:
Cahier des charges:
On dsire alimenter partir dune batterie daccumulateurs,
une machine courant continu fonctionnant en moteur sans aucune
rversibilit. Ce moteur devra tre aliment sous tension continue
variable.
Trouver la structure du convertisseur ainsi que la nature des
interrupteurs le constituant.
Onduleur de tension:
Cahier des charges:
On dsire obtenir une tension rectangulaire tE aux bornes
dune charge partir dune batterie daccumulateurs.
Trouver la structure du convertisseur ainsi que la nature des
interrupteurs le constituant.
LA COMMUTATION DANS LES
CONVERTISSEURS STATIQUES
- GENERALITES SUR LA COMMUTATION DANS LES CONVERTISSEURS
Dfinitions relatives la commutation
Fonctionnement dun convertisseur statique: Succession de
squences lmentaires. Chaque squence rseau lectrique
maill diffrent du prcdent (Modification de linterconnexion des
diffrentes branches du convertisseur par le changement dtat
dinterrupteurs).
Ltude de la commutation dans les convertisseurs Analyse
du processus de modification successive des interconnexions sans
contraintes excessives sur les interrupteurs. Processus de
modification est ralis par un Commutateur: Appareil ayant pour
fonction la substitution dune portion de circuit un autre ou la
modification successive des connexions dun ou plusieurs circuits.
- Les phnomnes apparaissant lors du fonctionnement du
commutateur sont regroups sous le terme gnral de
Commutation.
Le commutateur a pour fonction de connecter la branche du circuit
associ au contact mobile C un et un seul des autres contacts
fixes A
1
, A
2
, A
3
et A
4
. La commutation est le passage du contact
mobile dun contact fixe un autre.
Processus de commutation
- Il ne concerne que trois branches: la branche lie au point C
et les deux branches qui vont changer leur connexion avec C.
- Rgles dinterconnexions branches relies aux contacts
fixes ne peuvent tre que des branches tensions (Elles peuvent
tre ouvertes) et que la branche relie au contact mobile C est une
branche courant (On ne peut connecter entre elles que deux
sources de nature diffrente).
- Rellement, le commutateur prcdent est ralis par un
groupement en toile de semi-conducteurs fonctionnant en
interrupteur lectronique comme indiqu sur la figure suivante:
-
Commutateur lectronique quatre voies
On parlera de voies plutt que de positions et de ples plutt
que de contacts.
Pour raliser la fonction commutateur si et seulement si:
- Entre deux commutations, un seul interrupteur est passant
- La commutation implique le changement dtat simultan et
complmentaire de deux interrupteurs et deux seulement
(toujours dans lhypothse de sources parfaites).
- Ltude du processus de commutation global dans la majorit
des convertisseurs statiques peut se ramener ltude de laspect
local de la commutation se droulant dans la cellule de commutation
lmentaire suivante deux voies isole de la structure globale du
convertisseur:
Cellule de commutation lmentaire
Cellules de commutation lmentaires dans
les structures de base des convertisseurs statiques
Le hacheur Londuleur de tension monophas
Londuleur de courant
monophas
Londuleur de
tension triphas
Londuleur de
courant triphas
- La commutation est fondamentalement lie au fonctionnement
des deux interrupteurs de la cellule lmentaire (Amorage de lun et
blocage de lautre). Ce qui reprsente laspect local de la
commutation. Cependant cette commutation prsente aussi laspect
systme li au passage dune squence de fonctionnement du circuit
une autre (Respect des rgles fondamentales dinterconnexions des
sources).
- Lors de lanalyse du processus gnral dune commutation, il
ya lieu dassocier les deux aspects.
ASPECT LOCAL DE LA COMMUTATION
- Laspect local de la commutation dun interrupteur consiste
observer les phnomnes accompagnant son changement dtat dun
point de vue strictement local, cest--dire limit au seul diple
constitu par le modle lectrique, plus ou moins complexe, de
linterrupteur.
- Ltude des caractristiques statiques et dynamiques des
Interrupteurs ainsi que les rgles qui les lient font apparatre le lien
entre laspect local et laspect systme de la commutation.
Rgime statique
- Lanalyse de chaque squence lmentaire de fonctionnement dun
convertisseur permet de localiser toutes les valeurs de V
k
et I
k
dun
interrupteur de la structure et den dduire la caractristique
statique quil doit possder (Dtermination de luni ou de la
bidirectionnalit en tension ou en courant et qui est insuffisante
pour identifier compltement le type dinterrupteur).
Rgime dynamique Mode de commutation
- Ltude du rgime dynamique consiste dterminer si la
commutation sera commande ou spontane (naturelle) tant pour
lamorage que pour le blocage lorsque le point de fonctionnement
passe dun demi axe lautre de la caractristique statique I
k
=f(V
k
).
- Commutation commande dun interrupteur
Un interrupteur est susceptible dtre command lamorage
et/ou au blocage sil possde une lectrode de commande permettant
de provoquer son changement dtat de manire quasi instantane.
Si les points de fonctionnement statique imposs par la
squence prcdant la commutation et la squence suivante se
trouvent sur deux demi-axes de mmes signes, la commutation ne peut
tre que commande
- Commutation spontane dun interrupteur
Cest le type de commutation se droulant dans une jonction P-N.
Elle ne dpend que du circuit lectrique extrieur.
Si les points de fonctionnement statique imposs par la
squence prcdant la commutation et la squence suivante se
trouvent sur deux demi-axes de signes contraires, la commutation ne
peut tre que spontane
- Cycle de fonctionnement dun interrupteur
Ce cycle reprsente lensemble des points de fonctionnement
de linterrupteur mais aussi la chronologie de parcours de ces
divers points faisant ainsi apparatre les mcanismes de
commutation associs et donc lidentification complte de
linterrupteur.
ASPECT SYSTEME DE LA COMMUTATION
- Si laspect local de la commutation se limite ltude des
phnomnes apparaissant aux bornes du seul diple constitu par
un interrupteur, laspect systme concerne la manire dont doivent
fonctionner les deux interrupteurs dune mme cellule lmentaire
pour que la commutation seffectue correctement en tenant compte
des contraintes lectriques imposes par la squence considre du
convertisseur.
- Nous supposerons, dans un premier temps, les sources de
tension et de courant parfaites.
LOI FONDAMENTALE DE LA COMMUTATION
Cellule lmentaire avant et aprs la commutation
- On peut crire en permanence:
( )
( )
1
2
1 2
1 2
1 2


v v V V V
i i I
k k
k k
+

- Avant et aprs la commutation, les tats des deux interrupteurs sont
complmentaires. Les points de fonctionnement correspondants sur
leurs caractristiques statiques sont dfinis comme suit (V et I >0).
- Pendant la commutation, les deux relations prcdentes
doivent tre constamment vrifies. Sinon, risque de court-circuit de
la source de tension ou ouverture du circuit de la source de courant.

- Naturellement le problme de synchronisation, entre
louverture de lun des interrupteurs et la fermeture de lautre, est
rsolu grce aux proprits des interrupteurs lectroniques. En
effet, on remarque que les caractristiques dynamiques des deux
interrupteurs se situent dans deux quadrants adjacents. Lun de ces
deux quadrants correspond deux demi axes de mme signe
(Quadrant I de K
1
) K
1
doit obir un mode de commutation de
type command. Le deuxime quadrant (Quadrant VI de K
2
),
correspond deux demi axes de signe contraire K
2
doit donc
obir un mode de commutation de type spontan.
- En fait, cest la commande de lun des interrupteurs, soit
lamorage, soit au blocage qui provoque la commutation spontan
de lautre. Puisque la commutation spontan oblige le point de
fonctionnement se dplacer le long des axes, le point de
fonctionnement de linterrupteur command doit se dplacer dans le
quadrant correspondant suivant une caractristique quasi-
rectangulaire comme lindique la figure suivante:
-
Loi fondamentale de la commutation naturelle:
Dans une cellule lmentaire de commutation dun
convertisseur statique, la commutation naturelle est provoque par
le changement dtat command de lun des interrupteurs entrainant
le changement dtat spontan de lautre.
La commutation commande de lun des deux interrupteurs de
la cellule lmentaire peut tre de deux natures:
* Commutation par commande lamorage de linterrupteur ouvert Ou
* Commutation par commande au blocage de linterrupteur ferm
- La dtermination des points de fonctionnement des deux
interrupteurs sur la caractristique statique avant et aprs la
commutation, avec les signes rels de V et I, permet deffectuer cette
distinction. On peut noncer la rgle suivante: Si le signe du courant
traversant linterrupteur ferm avant la commutation est le mme que
celui de la tension ses bornes aprs la commutation, celui-ci doit tre
command au blocage. Si ces deux grandeurs sont de signe contraire,
la commande lamorage de lautre interrupteur est ncessaire.
1
er
Cas:
- Le signe de V aprs louverture est le mme que celui de I avant

linterrupteur doit tre command au blocage.
2
me
Cas:
- Le signe de V aprs louverture est le contraire de celui de I avant

lautre interrupteur doit tre command lamorage.
- Cependant, il est plus intressant de rattacher le mode de
commutation au fonctionnement du convertisseur et aux formes
dondes qui en dcoulent.
- On appelle commutation positive lorsquelle entrane un
accroissement du potentiel du nud de commutation C et
commutation ngative dans le cas contraire. Soit la figure suivante:
-
- Rgle:
Si la commutation et le courant sont de mme signe, il ya
commutation par commande lamorage de linterrupteur ouvert.
Si la commutation et le courant sont de signe contraire, il ya
commutation par commande au blocage de linterrupteur ferm.
- Pour la commutation prcdente, les cycles dynamiques des
deux interrupteurs K
1
et K
2
ont la forme suivante:
- 1
er
Cas:
- 2
me
Cas:
Synthse des interrupteurs de
la cellule de commutation
- Ltude prcdente permet, pour une commutation donne et
en connaissant le signe de V et le sens I, den dduire lequel des
deux interrupteurs de la cellule lmentaire, doit tre command et
sil doit tre command au blocage ou lamorage. Or le
fonctionnement dun convertisseur statique tant compos de
plusieurs squences successives constituant un cycle complet, il
est ncessaire de connaitre toutes les commutations susceptibles
dtre imposes la cellule au cours de ce cycle. En dterminant le
cycle dynamique de chaque interrupteur pour les diffrentes
commutations imposes chaque cellule de commutation
lmentaire du convertisseur, la synthse des interrupteurs de la
cellule a ainsi t effectue, lidentification et le choix de
linterrupteur le mieux adapt en dcoulent
- Dans un premier temps, on appliquera cette mthode plusieurs
cas de fonctionnement cycliques lmentaires que lon rencontre
dans les structures de base des convertisseurs statiques. Ce sont des
fonctionnement cycle unique . Dans un deuxime temps, on
traitera le cas de fonctionnement plus complexes, o le convertisseur
impose la cellule de commutation lmentaire plusieurs modes de
fonctionnement, donc des cycles diffrents.
FONCTIONNEMENT A CYCLE UNIQUE
- Plusieurs convertisseurs ont un fonctionnement cyclique simple
o il ya alternance des commutations:
*Pour une cellule deux voies, aprs la commutation K
1
K
2
,
il faut effectuer la commutation K
2
K
1
avec les nouvelles
conditions de signe de V et de I.
*Pour une cellule plus de deux voies, les commutations se
succdent cycliquement K
1
K
2
, K
2
K
3
, .., K
n
K
1
1
er
Cas: V et I ne changent pas de signe entre deux
commutations
- Les deux commutations sont de signes contraires. Si la
premire est positive, la seconde est ngative ou inversement. Le
courant gardant le mme sens pour les deux commutations, on aura
une commande lamorage pour linterrupteur bloqu et une
commande au blocage pour linterrupteur passant. Il sagit du mme
interrupteur qui est command chaque commutation, lautre et
amorage et blocage spontans. Les cycles dynamiques permettant
didentifier les deux interrupteurs auront la forme suivante:
-
- La structure du commutateur est asymtrique (les deux
interrupteurs sont de natures diffrentes). Cest le hacheur dvolteur
non rversible.
2
me
Cas: le sens du courant change entre deux commutations
- Le signe de V tant invariable, la source de courant est
bidirectionnelle et son courant est alternatif. Il se produit une
commutation chaque demi-priode.
- Supposons que la premire commutation est > 0 (fermeture de
linterrupteur reli au plus haut potentiel de C). Sil le courant est
positif commutation et courant sont > 0 il ya
commutation lamorage de linterrupteur ouvert.
- La commutation suivante sera forcment ngative (fermeture
de linterrupteur reli au plus bas potentiel de C). Le courant aura
chang de sens commutation et courant sont < 0 il ya de
nouveau commutation par commande lamorage de linterrupteur
ouvert. Les cycles dynamiques permettant didentifier les
interrupteurs de la cellule auront la forme suivante:
-
- Les deux interrupteurs auront donc un amorage command et
un blocage spontan, unidirectionnels en tension et bidirectionnels
en courant: Cest le thyristor en antiparallle dune diode.
- On peut rsumer les deux cas correspondant un courant
positif ou ngatif comme suit:
3
me
Cas: Le signe de V change entre deux commutations
- La d.d.p V est alternative. Il se produit une commutation
chaque demi-priode. Les deux interrupteurs seront donc
unidirectionnels en courant et bidirectionnels en tension.
- Si le courant I est > 0 et si la premire commutation est elle-
mme positive (fermeture du point li au plus haut potentiel), il ya
commutation par commande lamorage de linterrupteur ouvert
(K
1
).
- Le signe de la tension V ayant chang, la commutation
suivante sera nouveau positive et donc commutation par
commande lamorage de linterrupteur ouvert (K
2
) les deux
interrupteurs sont du mme type : des thyristors. Ce qui est en
concordance avec les deux cycles prcdents.
- Dans le cas o commutation et courant sont de signes
contraires, les interrupteurs, toujours unidirectionnels en courant et
bidirectionnels en tension, seront blocage command et amorage
spontan. Ceci peut tre rsum par la figure suivante:
-
Commutation et courant de mme Commutation et courant de signe
signe Commande lamorage contraire Commande au
(Redresseurs) blocage (Onduleur parallle)
4
me
Cas: Cellule de commutation polyphase
- La cellule lmentaire comporte n interrupteurs (n>2) groups
comme suit:
- Les interrupteurs K
i
(i=1,,n) seront:
- Commands lamorage et blocage spontan si le courant est >0 et la
commutation est >0 (Vj+1>Vj) ou si le courant est <0 et la commutation
est <0 (Vj+1<Vj) (Cas A).
- Commands au blocage et amorage spontan si le courant est >0 et
la commutation est <0 (Vj+1<Vj) ou si le courant est <0 et la
commutation est >0 (Vj+1>Vj) (Cas B).
FONCTIONNEMENT A PLUSIEURS CYCLES
Cellule rversible
- Les cellules lmentaires tudies prcdemment ont toutes un
fonctionnement rgulier et cyclique o les cycles dynamiques des
interrupteurs restent toujours les mmes. Cependant, certains
convertisseurs ont un fonctionnement plus labor et les cellules
lmentaires le constituant doivent fonctionner sous des cycles
diffrents. Les interrupteurs de la cellule doivent tre capables de
fonctionner suivant lun ou lautre des cycles dynamiques imposs
la cellule.
- Exemple:
- Soit une cellule lmentaire de commutation deux voies
laquelle le convertisseur impose les conditions suivantes:
- Dans un premier temps, il ya fonctionnement cyclique
de la cellule avec V constant et I > 0.
- Dans un deuxime temps, I sinverse et devient <0.
-
- La cellule est asymtrique et rversible en courant.
- Applications: - Hacheur dvolteur rversible en courant
- - Onduleur de tension modulation E
COMMUTATION COMMANDEE AU BLOCAGE
- Ltude prcdente suppose lexistence de semi-conducteurs
commandables lamorage ou au blocage couvrant des domaines
de puissance trs tendu. Cependant, la commande au blocage
souffre dun certain retard technologique par rapport la commande
lamorage.
- Lorsque les tensions et courants mis en jeu imposent
lutilisation dinterrupteurs de gros calibres et quil savre
ncessaire dutiliser le thyristor, il faut procder la modification de
la structure de la cellule de commutation pour pouvoir provoquer le
blocage spontan. Cette modification prsente certains
inconvnients tel que laugmentation du cot du convertisseur, une
limitation en frquence due lallongement des dures de
commutation. Ce mode de commutation sappelle Commutation
Force.
- Principe de la commutation force:
- La commutation force consiste provoquer le blocage
spontan du thyristor par le biais dun circuit auxiliaire ayant la
configuration de principe suivante:
- Le circuit auxiliaire de commutation est compos dun
interrupteur K
3
command lamorage (En loccurrence un thyristor)
et dun condensateur pralablement charg dune tension initiale V
c0

damplitude et de polarit telles que le blocage spontan de K
1
soit
possible lorsque K
3
est command lamorage.
- Lorsque K
1
se bloque (blocage spontan quasi-instantan), la
continuit du courant est assure par le condensateur C travers K
3
.
La tension V
c
aux bornes du condensateur volue au cours du temps
selon lquation suivante:
- Lorsque v
K2
sannule, il ya commutation naturelle libre entre K
3
et
K
2
. K
3
se bloque naturellement et K
1
samorce tout naturellement. La
commutation du courant de K
1
vers K
2
est termine.
v V V
I
C
t
k C
2 0
.
- Le circuit de commutation prcdent est trs simplifi. Les
circuits de commutation complets seront tudis dans le chapitre
consacr la commutation force. Sauf qu partir de ce circuit,
quelques conclusions importantes peuvent tre tires, savoir:
- - une plus grande complexit de la cellule de commutation munie
de son circuit dextinction pouvant entrainer un changement
dans le fonctionnement global du convertisseur considr,
- - augmentation de la dure de commutation limitant la frquence
de fonctionnement,
- - contraintes supplmentaires sur les interrupteurs,
- INFLUENCE DE LA NATURE REELLE DES SOURCES
- Ltude prcdente a t mene en considrant les sources de
tension et de courant parfaites. La commutation dans la cellule
lmentaire se droulait en respectant les deux relations
suivantes:
( )
( )
1
2
1 2
1 2
1 2


v v V V V
i i I
k k
k k
+

- Les deux grandeurs (V
1
-V
2
) et I sont invariables lchelle de la
commutation ou trs lentement variables.
- Cependant, une source de tension ne peut jamais tre parfaite
et la prsence dimpdance interne inductive, aussi faible que soit-
elle, ne peut tre nglige au moment de la commutation. Ainsi, la
source de tension nimpose plus un potentiel V, mais un potentiel
v=V-l.di/dt. Le terme l.di/dt pouvant prsenter une amplitude
leve en rgime transitoire rapide de courant (di/dt lev).
- De mme, une source de courant ne peut tre jamais parfaite et
la prsence dune impdance interne capacitive, aussi faible que
soit-elle, ne peut tre nglige au moment de la commutation. Ainsi
la source de courant nimpose plus un courant I, mais un courant I-
c.dv/dt. Le terme c.dv/dt ne peut tre nglige que si c est faible
et que v est lentement variable. La reprsentation des sources de
tension et de courant imparfaites peut se faire comme suit:
-
- Cest le premier cas quon rencontre souvent dans la
conversion statique de lnergie lectrique. La nature des
gnrateurs et des rcepteurs dont on contrle lchange dnergie
est gnralement constitue par des machines lectriques, des
rseaux de distribution,Lidentification de certaines sources des
sources de tension est une hypothse souvent grossire. Cette
reprsentation peut tre valable pour des rgimes lentement
variables mais non en rgime de commutation.
- La prsence dun terme inductif dans les deux branches
tension de la cellule lmentaire tudie prcdemment modifie
considrablement le droulement de la commutation. Ainsi, la
commutation ne peut plus tre instantane. La somme des tensions
aux bornes des deux interrupteurs de la cellule nest plus impose.
On doit procder une nouvelle tude de la commutation avec les
conditions de la figure suivante:
- La rgle tablie prcdemment concernant le mode de
commutation de la cellule par commande lamorage ou par
commande au blocage a t obtenue partir de ltat initial des
interrupteurs avant la commutation et de leur tat final aprs la
commutation. Cette rgle restera donc toujours valable. Elle prcise
le seul mode de commutation qui puisse tre envisag pour les
interrupteurs de la cellule dans les conditions quimpose le circuit.
Sauf quil faut maintenant tudier si la prsence dinductances
permet effectivement la commutation dans les deux modes de
commande envisageables, savoir la commande lamorage de
linterrupteur ouvert et la commande au blocage de linterrupteur
ferm.
Commande lamorage avec
des sources de tension inductives
- Le droulement de la commutation se droule selon la chronologie
suivante:
-
- Etat initial: K
1
ouvert, K
2
ferm, Commutation et courant sont de
mmes signes (Par exemple, v=V
1
-V
2
>0, I>0)
Commande lamorage de K
1
et blocage spontan de
K
2
dans le cas de sources parfaites. Ceci est-il possible
avec des sources de tension imparfaites?
- La commande lamorage de K
1
implique son basculement
ltat passant, mais les inductances l
1
et l
2
sopposent aux variations
rapides de i
1
et de i
2
Effondrement de la tension v
k1
qui passe de
v=V
1
-V
2
0 K
1
et K
2
se trouvent tous les deux conducteurs et
on peut crire:
V l
d i
d t
V l
d i
d t
i i I
d i
d t
d i
d t
d i
d t
d i
d t
V V
l l
k k
k k
1 1
1
2 2
2
1 2 1 2
1 2
0
1 2
1 2



+
. .

- La commutation est termine lorsque i
k2
sannule (Blocage
spontan de K
2
) et i
k1
atteint la valeur I la commutation
lamorage de linterrupteur ouvert et blocage spontan de
linterrupteur ferm dans le cas de sources de tensions inductives
est possible avec les consquences suivantes:
- la dure de la commutation sallonge et est
directement lie limportance des inductances.
- le potentiel du point C durant la commutation vaut
(V
1
+V
2
)/2 (Si l
1
= l
2
)
- la commutation lamorage est moins nergique que
dans le cas o les sources de tension sont supposes
parfaites (Effondrement dabord de la tension, puis
ensuite augmentation du courant dans K
1
, on peut
parler de commutation douce)
- Ce type de commutation seffectue avec empitement
Commande au blocage avec
des sources de tension inductives
- Soit la cellule lmentaire suivante:

- Etat initial: K
1
ouvert, K
2
ferm, Commutation et courant sont de
signes contraires ((V
1
-V
2
)>0 et I<0) Commande au
au blocage de linterrupteur ferm et amorage spontan
de linterrupteur ouvert dans le cas de sources de tension
parfaites. Ceci est-il possible avec des sources de tension
imparfaites?
- Une commande au blocage de K
2
entraine une augmentation
rapide de la tension ses bornes accompagne dun effondrement de
la tension aux bornes de K
1
. Mais K
2
ne sera considr comme bloqu
que lorsque i
k2
sannule K
2
conduit un courant sous pleine tension
(Pertes). Le problme qui sensuit est louverture dun circuit inductif
Surtension aux bornes de K
2
lors de son ouverture.
- En conclusion, la commutation naturelle avec commande
louverture est inadmissible si les sources de tension sont inductives
(Mme pour des valeurs faibles des inductances).



- Question: Quelle est la solution si la commande au blocage est
ncessaire pour le fonctionnement dun convertisseur
donn?
- Elles sont de deux types:
- 1) Dcouplage de la cellule de commutation
- 2) Circuit de commutation force.
1) Dcouplage de la cellule de commutation
- Cette solution consiste placer un condensateur au plus prs
des bornes A
1
et A
2
de faon limiter leffet de la prsence des
faibles inductances. Cest le cas de sources continues telles que les
batteries daccumulateurs, le cas de sources alternatives capacitives
(circuit rsonnant parallle) ou mme la sortie dun filtre L-C. Le
condensateur de dcouplage assure la continuit immdiate du
courant install dans linductance et la surtension louverture de
linterrupteur est limite des valeurs acceptables.
- Cependant la commande louverture sera toujours plus
difficile matriser que la commande la fermeture.
2) Circuit de commutation force
- La dcouplage ne peut pas constituer toujours la solution.
Lutilisation dun condensateur savre inapplicable lorsque les
inductances font partie intgrante de la structure physique des
sources (Machines lectriques).
- On a recours la commutation force pour raliser la
commutation par commande au blocage lorsque celle-ci est
ncessaire au fonctionnement dun convertisseur donn.
- Le principe de fonctionnement dune cellule de commutation
munie dun circuit de commutation force a t annonc auparavant
o on a considr que la source de tension est parfaite. En est il de
mme lorsque cette source prsente une impdance inductive
interne.
- Soit la structure lmentaire de la cellule de commutation
suivante :
-
- Le fonctionnement de ce circuit de commutation est le suivant:
1
re
Squence: Amorage de K
3
Blocage spontan quasi-instantan
de K
1
. Le condensateur se charge courant constant.
Lorsque V
c
atteint V K
2
samorce spontanment.
La premire squence est termine
2
me
Squence: Lamorage de K
2
cre un circuit oscillant constitu
par L,C et E. Au bout dun quart de priode ,
ce courant sannule et K
3
se bloque. La commutation
du courant de K
1
vers K
3
est termine.
- Les grandeurs v
k1
, v
k2
et le courant dans K
3
voluent en fonction
du temps de la manire suivante:
t
L C

.
2
-
PROPRIETES FONDAMENTALES
DE LA COMMUTATION FORCEE
- Interrupteurs: - A amorage command ou spontan et
blocage spontan (Diodes et Thyristors).
- Contraintes de tension plus svres
(V+V
C0
).
- Dure de la commutation: - Obstacle pour le fonctionnement haute
frquence des convertisseurs.
- Condensateur: - Dimensionnement ralisant compromis
entre scurit (temps minimal
dapplication de la tension inverse) et une
dure minimale de la commutation.
DUALITE DANS LES CONVERTISSEURS
STATIQUES
Introduction:
- Lexistence de plusieurs structures de convertisseurs statiques
conduit tout naturellement de tenter dtablir des relations entre ces
divers structures dune part, pour limiter ltude de ces structures aux
principales et en den dduire le comportement des autres et dautre
part, pour pouvoir rechercher de nouvelles structures de
convertisseurs.
- Les convertisseurs statiques sont constitus principalement
dinterrupteurs, dlments passifs et ractifs et de sources de
tension et de courant dont ils contrlent lchange dnergie. Il existe
une relation de bijection qui associe chaque lment possdant
certaines proprits en tension (resp. en courant) un autre lment
possdant les mmes proprits en courant (resp. en tension). Cette
relation sappelle la dualit.
- Les convertisseurs statiques tant constitus entre autres,
dlments interrupteurs, il est ncessaire de dfinir les lments
duaux de ces interrupteurs.
Rappels sur la dualit des graphes et des circuits:
- Il existe des couples de grandeurs lectriques duales (ou
corrlatives) quon peut numrer comme suit:
- Coutant: Tension
- Rsistance: Conductance
- Inductance: Capacit
- Impdance: Admittance
- Flux: Quantit dElectricit
- Puissance: Puissance
- Energie: Energie
- La dualit sapplique aux graphes et circuits qui sont applicables
sur le plan sans imbrication de branches (Cette imitation prend toute
son importance dans le cas de convertisseurs polyphass) .
- Deux graphes sont duaux si:
- il existe une relation biunivoque entre les mailles de
lun des graphes, y compris la maille externe, et les
nuds de lautre graphe;
- chaque branche B commune deux mailles de lun
des graphes est associe, dans lautre graphe, une
branche B connecte entre les deux nuds associs
ces deux mailles.
- Deux circuits lectriques sont duaux si:
- les graphes qui leurs sont associs sont duaux;
- les lments placs sur les branches duales B et B,
appartenant chacun de ces graphes sont duaux.
- Lexemple classique de deux circuits duaux est le suivant:
- Les quations caractrisant le fonctionnement de ces deux
circuits scrivent sous la mme forme symbolique:
F p H p p H p
p
H p ( ) . ( ) . . ( )
.
. ( ) + +

1
- F(p) et H(p) reprsentent respectivement la tension et le
courant dans le circuit a, et le courant et la tension dans le circuit b.
Obtention du circuit dual dun circuit donn
- On obtient le circuit dual dun circuit donn en marquant un
point dans chacune des mailles du circuit et un point lextrieur de
ce circuit correspondant la maille externe. Chacun de ces points
reprsente un nud du circuit dual. Entre chaque paire de points,
pour chaque branche commune aux deux mailles qui entourent ces
points, on insre une branche sur laquelle est plac llment dual
de llment plac sur la branche commune aux dites mailles.
- Exemple de circuits duaux:
-
- Lorsque la structure duale est dtermine, il faut dfinir les
signes des grandeurs duales. Pour cela, il faut orienter les branches
du circuit initial et den dduire une orientation des branches du
circuit dual. Dans lexemple prcdent, une fois dfinie lorientation
des branches du circuit initial, on peut crire la loi des mailles
comme suit:
-
o V
i
dsigne la tension aux bornes de la branche i.
Pour le nud A, la loi des nuds scrit par dualit:
Pour les nuds B et C, on a:
- Lorientation des branches du circuit dual (b) est
directement dduite des 3 relations prcdentes. Cette dtermination
des signes des grandeurs duales est fondamentale lorsque les
circuits contiennent des lments unidirectionnels.
V V V V
V V V
V V V V V
1 2 3 4
4 5 6
1 2 3 5 6
0
0
0
+ +
+ +
+ + + +
I I I I
1 2 3 4
0
' ' ' '
+ +
I I I
I I I I I
4 5 6
1 2 3 5 6
0
0
' ' '
' ' ' ' '
+ +
+ + + +
INTERRUPTEURS STATIQUES DUAUX
- La notion de dualit peut tre tendue aux convertisseurs
statiques puisque ces derniers sont fondamentalement des circuits
lectriques. Cependant, pour que cette dualit soit compltement
applicable, il est ncessaire de dfinir les lments duaux des
interrupteurs usuellement utiliss dans la conversion statique de
lnergie lectrique.
- On peut contourner cette difficult en dterminant, pour chaque
squence de fonctionnement du convertisseur, le circuit lectrique
dual correspondant en remplaant les interrupteurs conducteurs par
des court-circuits et ceux bloqus par des circuits ouverts.
- Cette mthode prsente une grave lacune puisque seul le
fonctionnement entre les commutations qui est pris en considration.
Ce qui permet de dterminer les caractristiques statiques et docculter
les caractristiques dynamiques des interrupteurs. Le tableau suivant
rassemble les interrupteurs usuellement utiliss et leurs duaux.
-
THYRISTOR DUAL
- Les interrupteurs deux segments (Diode et Type Transistor) sont
des interrupteurs qui sont leur propre dual. En revanche, pour les
interrupteurs 3 segments, on remarque que lorsque ceux-ci ont un
amorage et un blocage commands, linterrupteur idal est
facilement identifiable, et que lorsquil sagit de ceux amorage
command et blocage naturel (type Thyristor), linterrupteur dual
correspondant nexiste pas sous forme discrte. Ce composant,
dsormais associ la nomination Thyristor-dual, pourrait tre
synthtis partir de composants ayant un amorage et un blocage
command en transformant leur amorage en naturel.
Synthse du thyristor dual
- A partir des proprits du thyristor, on peut dfinir les
proprits que doit possder le thyristor-dual avant sa synthse
(Sans savoir priori ses lments constitutifs).
- Pour transformer lamorage command en naturel, on doit
raliser un ET logique entre lexistence dune commande
lamorage et lannulation de la tension aux bornes du composant.
Le blocage tant tel quil est, il ne sera actif que lorsque le courant
est positif. La commande au blocage sera inactive si le courant est
ngatif (Tout comme la commande lamorage du thyristor qui doit
tre inactive lorsque celui-ci est soumis une tension ngative).
- Les pertes par commutation lamorage du thyristor-dual sont
nulles puisque celle-ci seffectue tension nulle (Les pertes par
commutation au blocage du thyristor sont nulles puisquil se bloque
courant nul).
- Pour protger le thyristor contre des di/dt levs et limiter les
pertes durant lamorage, on ajoute en srie avec le composant une
inductance. Celle-ci ne ncessite aucune vacuation de lnergie
lectromagntique durant le blocage puisque le thyristor se bloque
courant nul. On en dduit que pour protger le thyristor-dual contre
des dv/dt levs au blocage et limiter ainsi les pertes durant cette
commutation, on doit placer un condensateur en parallle du
composant.
- Le thyristor samorce tout naturellement si la tension ses
bornes atteint ou dpasse la tension de retournement V
M
. On en
dduit que le thyristor-dual doit se bloquer lorsque le courant atteint
ou dpasse une valeur maximale I
M
. Cette proprit de disjonction
est une proprit trs intressante puisquelle constitue une auto
protection du composant.
- On peut rassembler les proprits du thyristor et de celles du
thyristor-dual dans le tableau comparatif suivant:
-
* Conditions damorage: * Conditions de blocage:
V > 0 + Commande lamorage I > 0 + Commande au blocage
* Conditions de blocage * Conditions damorage
I < 0 V < 0
* Auto-amorage si V=V
M
* Auto-blocage si I=I
M
* Courant maximal ltat passant * Tension maximale ltat bloqu
* Ncessit en protection en: * Ncessit en protection en:
di/dt > 0 lamorage: L en srie dv/dt > 0 au blocage: C en parallle
* Diminution des pertes lamorage * Diminution des pertes au blocage
- Le symbole utilis pour reprsenter le thyristor-dual est le
suivant:
APPLICATION DES REGLES DE LA DUALITE
DANS LES CONVERTISSEURS STATIQUES
- La connaissance des lments duaux des interrupteurs
usuellement prsents dans les structures des convertisseurs
statiques permet la recherche de structures duales par application
des mmes rgles que celles utilises dans le cas des circuits
linaires. Cependant, la prsence dlments unidirectionnels
ncessite la dtermination de lorientation des branches du circuit
dual pralablement au positionnement de ces lments.
Recherche du convertisseur dual dun convertisseur donn
- On se place toujours dans le cas de convertisseurs applicables
sur le plan sans imbrication de branches.
- Chaque branche du circuit initial est numrote et oriente de
faon arbitraire. On procde ensuite la dtermination du graphe
orient du circuit. On marque un point dans chaque maille adjacente de
ce graphe et un point quelconque lextrieur du circuit.
- A chacun de ces points, on fait correspondre un nud du circuit
dual.
- Entre chaque paire de nuds duaux, on insre la branche duale
correspondante llment commun au deux mailles duales des dits
nuds.
- Un sens de parcours dans les mailles du graphe initial tant
choisi, toutes les branches orientes dans ce sens ont des branches
duales orientes dans le mme sens vis--vis du nud dual de cette
maille.
- Le graphe dual ainsi obtenu tant orient, on place sur chaque
branche llment dual correspondant. Comme les lments
unidirectionnels sont dfinis par des caractristiques courant-tension,
une branche oriente dans le sens courant (resp. tension) de
llment quelle comporte correspond par dualit une branche
oriente dans le sens tension (resp. courant) de la caractristique de
llment dual.
- Exemple: Recherche du convertisseur dual dun hacheur
thyristors commutation force
-
HACHEURS
- Dfinition: Convertisseurs directs de type continu-continu.
Fonction: convertir et traiter l'nergie lectrique dans des
structures ou n'apparaissent que des sources
continues (Avantages:Rendement et souplesse
meilleurs que ceux du contrle rhostatique).
- Analogie: Hacheur en continu et Autotransformateur en alternatif.
A partir de V fixe, on obtient une tension variable de 0 V:
Hacheur dvolteur ou > V: Hacheur survolteur.
- Principe: Ouverture et fermeture rgulires d'un interrupteur
(Thyristor ou Transistor) permettant la liaison ou la
sparation d'une entre (source d'nergie) et d'une
sortie (utilisation). Le rglage relatif des temps
d'ouverture et de fermeture permet le contrle de
l'change d'nergie.
- En gnral: Gnrateur source de tension E suppose
parfaite. Rcepteur F.c.e.m E
c
en srie
avec une rsistance de faible valeur R
c
et d'une
inductance L
c
(Machine Courant Continu).
- L'entre (Source de tension), Sortie (Source de courant) la
liaison sera de type directe.
Fonctionnement
- A t=0, Systme au repos, tous les courants sont nuls.
- On ferme T
p
, apparition dun courant i
c
dans la maille
E, L
C
, R
C
et E
C
. i
c
crot exponentiellement et L
C
accumule de
l'nergie lectromagntique pendant le temps de fermeture de T
not t
f
.
- On ouvre T, i
C
commute de T vers D (commutation
force au blocage de T). L
C
restitue l'nergie E
C
et R
C
. i
C
dcrot
exponentiellement. C'est la roue libre.
- Deux cas sont possibles:
* i
C
s'annule avant la nouvelle fermeture de T. Le systme
revient au repos: Conduction discontinue.
* On ferme T avant que i
C
s'annule commutation de
i
C
de D vers T (Commut force): Conduction continue.
Fonctionnement du hacheur en conduction continue
- Au bout d'un certain nombre de priodes de fonctionnement, le
rgime permanent s'tablit et on aura un courant i
C
priodique de
valeur moyenne I
cmoy
et d'ondulation I
C
:
-
V E R i L
d i
d t
E t
t
C C C C C
C
f
+ +

'

. .
p e n d a n t
p e n d a n t 0
0
V
T
V t d t V t d t
T
E d t E
t
T
E
C C C
t
T t
t
f
M O Y
f
f
f
+

1
]
1

1
1
0
0
. ( ) . ( ) .
. . . .
V
T
E d t
T
R i d t
T
L
d i
d t
d t
V E R I
C C
T
C C
T
C
C
T
C C C C
M O Y
M O Y M O Y
+ +
+

1 1 1
0 0 0
. . . . . . . .
.
- = t
f
/T: le rapport cyclique.
=L
C
/R
C
: constante de temps de la charge
E
C
/E=a ; E/R
C
=I
k
- Si varie de 0 1 (t
f
varie de 0 T ou t
0
varie de T 0)
V
CMOY
varie de 0 E.
- Conservation de la puissance moyenne:
V
E
I
I
a
C C
k
M O Y M O Y
;
E I V I E I I I
E C C C E C
M O Y M O Y M O Y M O Y M O Y M O Y
. . . . .
( )
I
I
I
I
a
E
C
E
K
M O Y
M O Y
M O Y
; .
Etude en valeurs instantanes
- Pendant t
f
:
- Pendant t
0
:
- Ltude du courant en rgimes transitoire ou permanent peut
tre ralise partir des deux relations prcdentes.
- Soit I
C0
: Valeur maximale de i
c
(t)
- Soit I
C0
: Valeur minimale de i
c
(t)
i i e
E E
R
e i
E E
R
e
E E
R
m
t
C
C
t
m
C
C
t
C
C
+

_
,

_
,

+


. . .

1
i i e
E
R
e i
E
R
e
E
R
M
t
C
C
t
M
C
C
t
C
C

_
,

_
,

. . .

1
I I e
E E
R
e
C C
t
C
C
t
f f
0 0
1 +

_
,

. .

+

_
,

I I
E
R
e
E
R
C C
C
C
t
C
C
0 0
0
.

- En remplaant I
C0
par son expression dans I
C0
, on obtient:
- En remplaant I
C0
par son expression dans I
C0
, on obtient:
- Londulation relative du courant aura pour expression:
I
I
e
e
a
C
K
t
f
T
0
1
1

I
I
e e
e
a
C
K
t T
T
0
0
1

I
I
I I
I
e
e
e e
e
e e
e
C
K
C C
K
t
t T
T T
f
T T T

_
,

_
,

0 0
0
1
1 1
1 1
1
1 . ( ) .
.
Procd de rglage
- Pour faire varier la tension moyenne du hacheur, il faut faire
varier le rapport cyclique . Ceci nous amne concevoir deux
procds de rglage simples:
- Rglage t
f
constant et T variable
- Rglage T constant et t
f
variable
Influence du procd de rglage
sur l'ondulation du courant
- Rglage t
f
constant et T variable: Posons t
0
=T-t
f
:

I
I
e e
e
C
K
t
t
f
T

_
,

_
,

1 1
1
0
.
- La constante tant gnralement >>T, t
f
est < T, l'expression
de l'ondulation relative du courant peut tre approxime par:
- Cette expression permet l'tude de l'ondulation rduite I
C
/I
K
en
fonction de T/ pour diffrentes valeurs de t
f
/.

I
I
t
T
t
T
t t
T
C
K
f f
f f

_
,

_
,

_
,

_
,

_
,

_
,

_
,

_
,

1 1 1 1 1
1 1
1
. .
.
REMARQUES
- Pour T=t
f
, (=1) (cas impossible car t
0
minimale de
linterrupteur et son circuit de commutation), l'ondulation est nulle.
- Lorsque T/ augmente, I
C
/I
K
tend vers une limite asymptotique
- L'ondulation est maximale et presque constante pour les
valeurs leves de T (frquence faible). Ce qui correspond au
domaine des faibles tensions de sortie.
- L'ondulation sera d'autant plus faible que le temps de
conduction t
f
sera plus petit.
- CONCLUSION: Ce type de rglage est bien adapt au cas o la
tension de sortie doit prendre des valeurs trs
faibles (quelques % de la tension dentre).
1

_
,

e
t
f

- Rglage T constant et t
f
variable: Prenons comme paramtre
de rglage le rapport cyclique =t
f
/T, l'ondulation relative du courant
aura pour expression en tenant compte que T<<:
- REMARQUES : Pour T donn, donc f, l'ondulation est nulle pour =0
et =1 (Cas impossibles: temps de commutation de l'interrupteur).
- L'ondulation passe par un maximum pour =0.5 c..d pour une
tension de sortie moiti de l'entre. Elle a pour valeur:
( )
( )

I
I
T T
T
T
C
K

_
,

1
]
1

_
,

1
]
1

_
,

_
,

1 1 1 1 1
1 1
1
. . .
. .

I
I
e
e
e
e
C
K
T
T
T
T

_
,

_
,

_
,

_
,

1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
-
- L'ondulation diminue lorsque la frquence augmente. En
particulier pour =0.5 et T<<, on aura:
Si F I
C
/I
K

I
I
T
C
K

4
- CONCLUSION: Ce type de rglage ne permet pas de fournir des
tensions de sortie faibles (Si F augmente, T tend vers 0 V
moy
=
(t
f
/T).E prend des valeurs assez grandes)
- Or, dans de nombreux cas, il est ncessaire de fonctionner
avec des tensions de sortie voisines de 0 (par exemple dmarrage
d'une machine courant continu).
- En pratique, on recombine ces deux procds. Le premier est
utilis pour dmarrer avec une tension de sortie faible et une
frquence de dcoupage faible.
- Une fois atteint le rapport cyclique minimal que l'on peut ainsi
obtenir, on passe un rglage du deuxime type: la frquence de
dcoupage est maintenue constante et on module le rapport
cyclique.


Conduction critique
- Dans ce cas, I'
C0
=0 sans discontinuit.
- La relation prcdente permet de dterminer l'inductance
critique L
C
. De mme, l'ondulation critique a pour expression:
- Les deux relations prcdentes permettent de dterminer les
lieux critiques pour diffrentes valeurs de a fixant les limites de
validit des caractristiques pour chaque type de modulation.

_
,

I
I
e
e
a e a e
C
K
t
T T
f
T
0
1
1
0 1 1

.
.

I
I
e
e
a
C
K
c r i t i q u e
t
T
f

_
,

1
1
2
Etude du fonctionnement en conduction discontinue
- En conduction discontinue, le courant i
C
s'annule avant chaque
remise en conduction de l'interrupteur T.
- On dfinit le rapport cyclique de conduction
c
par:
- Pour les valeurs maximale et minimale de i
c
, on peut crire:
- En liminant I
C0
entre les deux quations, on aura:

+
c
f e
t t
T
( )
[ ]
( )
( )
V
t
T
E
T t t
T
E E E
V
E
a V R I E
C
f
e f
C C C
C
C C C C C
M O Y
M O Y
M O Y M O Y
+
+
+
+ +
. . . .
. ; .
1
1
( )
I
V
R
E
R
I
I
V
E
E
E
a a
C
C
C
C
C
C
K
C
C
C
M O Y
M O Y M O Y M O Y
+ . 1

_
,

_
,

I I e
E
R
e
I
E E
R
e
C C
t
C
C
C
C
C
e
t
e
t
f
0 0
0
0 1
1
. .
.

-
- A partir des trois relations prcdentes de V
C
MOY
, I
C
MOY
et
C
, on
peut dfinir entirement le fonctionnement du hacheur en rgime de
conduction discontinue en connaissant les caractristiques de la
charge (a et ) ainsi que les paramtres de contrle et T.
CARACTERISTIQUE DE SORTIE
- En ngligeant R
C
(Rsistance) en conduction discontinue, on
aura:
+

_
,

C
T
T
L O G
e
a

.
.
1
1
( ) ( )
( )
[ ]
I
T
i d t
T
i d t
L T
E E t d t
L T
E t t d t
I
L T
E E t E t V E
T
E d t E d t
t
t
E E
E
C
t t
C
t
C e
t
C C f C e C C
t
C
t
e
f
C
C
M O Y
f f e
M O Y M O Y
f
+ +
+ +

1
]
1




1 1 1 1
1
2
1
0 0 0 0
2 2
0 0
0
0
. . . .
.
. . .
.
. . .
. .
. . . . . ;
-
- En conduction continue, R
C
=0 V
C
MOY
/E= =a=E
C
/E
=a
2
(1/a-1)=a(1-a) .
- Pour I
C
MOY
faible, on est en conduction discontinue. Lorsque I
C
MOY
augmente, on passe par la conduction critique vers la conduction
continue. Les caractristiques V
C
MOY
=f(I
C
MOY
) ou a=f() auront la forme
suivante:
( )
( )
( ) ( )
I
T L
E E t
E E
E
t
a
V
E
E
E
L
T E
I
L
T E
E
T L
E
E
t
E E
E
E E
E
t
C C f
C
C
f
C
C
C
C
f
C C
C
f
M O Y
M O Y
M O Y
+

1
]
1
1

_
,

1
]
1
1
2
2 2
2
1
2
2
2
2 2
. .
. . .
.
.
.
.
.
.
. .
. . . . ;

_
,

_
,

_
,

_
,

+
1 1 1
1
2 2 2
2
2
E
E
E
E
E
E
a
a
o u a
C C
C
. . . .
-
- En conduction discontinue, V
C
MOY
dpend fortement de I
C
MOY

Existence de la non linarit dans le contrle de V
C
MOY
STRUCTURES GENERALES DES HACHEURS
I] HACHEUR A LIAISON DIRECTE:
- Le hacheur est dit dvolteur
( ) ( )
V E E R V E
C C C C
M O Y M O Y
< < < . ; 0 0 1
II] HACHEURS A ACCUMULATION D'ENERGIE
ELECTROMAGNETIQUE
- Le principe de fonctionnement de ces hacheurs ncessite la
prsence obligatoire d'une inductance L.
- Le fonctionnement en deux temps de ce type de hacheur
consiste :
* Dans un premier temps, la source de tension alimente une
inductance L qui stocke de l'nergie pendant le temps t
f
* Dans un deuxime temps, l'nergie stocke est restitue la
charge soit:
- directement: hacheur survolteur-dvolteur

- en srie avec la source E: hacheur survolteur

Hacheur survolteur
- Dans le fonctionnement en hacheur dvolteur, la f.e.m de
l'inductance, pendant la conduction de l'interrupteur o la source et
la charge sont runies, a le signe suivant:
- E
C
< E (di
C
/dt >0 car i
C
crot).
- Si on dsire un fonctionnement
en hacheur survolteur, il faut que
le signe de la f.e.m aux bornes de
l'inductance ait un sens contraire
celui prcdent. Ceci implique
donc que le courant doit dcrotre
qu'on doit introduire L en srie
avec la source E.
- On doit introduire une capacit C en parallle de la charge
pour la transformer en une source de tension puisque la source E
en srie avec l'inductance est une source de courant.
- Dans le cas o R
C
0 E'=E
C
.
- Pendant t
f
, on stocke de l'nergie dans L en fermant T
P
. On
bloque T
P
, l'inductance L se dcharge avec la polarit suivante:

Pendant t
f
Pendant t
0
E E
C

_
,

.
1
1
- Pour dterminer la valeur moyenne de la tension E', il suffit
d'utiliser la proprit que la tension moyenne aux bornes de
l'inductance est nulle.
- Lorsque T conduit, V
L
=E>0 (pendant t
f
)
- Lorsque T est bloqu, V
L
=(E-E')<0 (pendant t
o
)
-
E'>E Hacheur survolteur
- Les caractristiques de sortie V
Cmoy
=f(I
Cmoy
) ressemblent
celles du hacheur dvolteur:
( )
V
T
E d t E E d t
E
E
t
t
L
t
t
f
M O Y
f
+

1
]
1
1


+

1
0 1
0 0
0
0
. . .
Hacheur survolteur-dvolteur
- Principe de fonctionnement:
* dans un premier temps t
f
, on stocke de l'nergie dans
une inductance en la connectant la source
* dans un deuxime temps t
0
, la source est dconnecte
et l'inductance restitue l'nergie accumule la
charge.
Structure du hacheur Pendant t
f
Pendant t
0
- En rgime permanent:
- Le montage est dvolteur pour t
f
/t
0
<1 et survolteur pour t
f
/t
0
>1.
- Cette structure est souvent utilise pour obtenir un isolement
galvanique en utilisant un transformateur au lieu d'une inductance.

- Ce type de montage est utilis aux faibles puissances et pour
une frquence de fonctionnement leve. La taille du transformateur
est trs rduite. Ce sont les alimentations dcoupage.
V E t E t =
E
E
t
t
L f
f
M O Y


. .
0
0
0

E
E
n
n
t
t
f
2
1 0
.
COMMUTATION FORCEE
- Dans le chapitre prcdent (hacheur), l'interrupteur de
puissance T
P
devrait tre commandable au blocage et l'amorage,
c'est le cas du transistor et du G.T.O. Pour un thyristor dont
l'amorage est commandable, il faut transformer son blocage
spontan en un blocage command. Rappelons d'abord que pour
qu'un thyristor initialement conducteur se dsamorce dans des
conditions correctes, il faut:
1) Annuler son courant d'anode
2) Appliquer une tension inverse pendant un temps au
moins gal t
q
(turn off)
Commutation naturelle - Commutation force
- Chaque fois que l'on dispose, dans le montage, de sources de
tension de signes et de valeurs telles qu'elles puissent assurer les
deux conditions ci-dessus, on dit que le montage fonctionne en
commutation "naturelle" ou "assiste".
- Par contre si, au moment o on dsire effectuer une
commutation, il n'existe dans le montage aucune tension
susceptible de remplir les deux conditions prcdentes, on doit
recourir un circuit annexe dit circuit de "commutation force"
- Pour obtenir le blocage spontan du thyristor au moment
dsir, on va placer une maille de commutation auxiliaire qui
permet d'obtenir un blocage command.
1
er
principe d'extinction
- V
comm
doit avoir un signe tel qu'on puisse obtenir simultanment
l'amorage de T
a
et le blocage spontan de T
p
V
comm
doit tre ngative.
- Au moment de l'envoi de l'impulsion d'amorage sur T
a
, il y'a
circulation d'un courant inverse dans la maille auxiliaire. Supposons
que T
P
s'est bloqu, le schma du montage devient:
- Il faut bloquer T
a
et obtenir l'amorage spontan de D. Pour cela,
il faut que V'
comm
soit ngative.
- V'
comm
= E - V
comm
V'
comm
est > 0 car V
comm
< 0.
- Pour que V'
comm
soit < 0, il faut que V
comm
soit > E. On ne pourra
obtenir cette condition que si V
comm
volue et change de signe en
devenant plus grande que E. Prenons comme V
comm
un condensateur.
- On suppose que I
CH
=C
te
durant la commutation (T<<). (f
minimale
=
300 Hz).
- Le thyristor T
P
est soumis pendant t
inv
une tension ngative
(inverse). Le temps t
inv
doit tre suprieur t
q
.
- C.V
C0
I
CH
.t
q
(C.V
c0
: quantit d'lectricit stocke dans C)
- Variante: Au lieu de placer C en parallle sur le thyristor, on va
le placer en parallle sur l'ensemble source + thyristor:
- - Pour pouvoir bloquer T
P
lors de
l'amorage de T
a
(circulation
d'un courant inverse de maille
fictif en sens inverse de T
P
), il
faut que V
C0
>E lors de l'envoi
de l'impulsion sur T
a
).
- L'excdent de tension par
rapport E qui permet de bloquer
T
P
est (V
C0
-E) C.
(V
C0
E) Ich.t
q
- I
CH
.t
q
est le mme pour les deux
variantes mais pour le deuxime montage, on a CV
C0
=CE+(CV
C0
-E).
La quantit d'lectricit C.E est stocke dans le condensateur
sans tre utilise. Dans le premier montage, le condensateur
fonctionne entre +V
C0
et -V
C0
avec V
C0
E alors que dans le deuxime,
le condensateur fonctionne entre 2E et 0 donc plus cher.

Deuxime principe d'extinction
- Pour provoquer l'extinction du thyristor
principal, on introduit en srie avec celui-ci une f.e.m dont le sens
est tel qu'elle tende faire circuler dans le thyristor un courant
inverse de celui annuler. On dispose une inductance L dans la
maille source, thyristor, charge et c'est aux bornes de cette
inductance que l'on applique le condensateur de commutation.
- Si le condensateur est plac
directement aux bornes de L, il
faut que V
c0
soit > E.
- Du point de vue du temps
d'application de la tension
inverse aux bornes du thyristor
principal, nous pouvons toujours
nous ramener au premier
principe d'extinction.
-Une fois la commutation termine,
le condensateur ne prsente plus
la bonne polarit en vue d'une nouvelle commutation. Pour inverser
cette polarit, on utilise souvent des circuits oscillants.
-
- - La dure de la commutation
noccupe en gnral qu'une
fraction trs faible de la
priode de fonctionnement
du convertisseur. L'tude du
fonctionnement global du convertisseur et du dtail de la commutation
ne peuvent se faire avec la mme chelle de temps.
- Pour palier cette difficult, on limine le temps des quations du
circuit. On utilise l'espace d'tat deux dimensions qui permet de
reprsenter l'volution de i
L
en fonction v
C
. Dans la plupart des cas,
l'inductance L et le condensateur C sont en srie, on a i
L
=i
C
=C.dv
C
/dt.
Il y'a concidence ( un coefficient prs) entre le plan d'tat et le plan de
phase (v
C
, dv
C
/dt).
1
2
1
2
0
0
2
2
C V L I I V
C
L
C
C
. . .


ETUDE DE QUELQUES MONTAGES HACHEURS
Hacheur de WAGNER
- Conditions initiales:
V
c
=V
c0
< 0, I
L
=I
L0
=0,
T
P
conduit,
D
P
bloque car T
P
conduit (V
Dp
=-E),
T
a
bloqu mais peut s'amorcer car V
Ta
=-V
c
=-V
c0
>0,
Premire Squence:
On envoie une impulsion sur T
a
, il s'amorce et on a le schma
quivalent suivant:
- - Le rgime final du circuit
oscillant form par L et C est
(V
c
=0, I
L
=0): C'est l'tat final vers
lequel voluera ce circuit pendant
un temps infini du fait des pertes.
Ces pertes peuvent tre ngliges
au niveau d'une priode (Amortis
faible) du fait que la rsistance du
circuit est ngligeable).
- Tests vrifier:
I
I
V
T
T
D
P
a

>

'

?
?
?



0
0
0
I I I
I I
V
T C H L
T L
D
P


<
?
?
0
0
0 c a r T c o n d u i t
P
-
- Ds qu'un test est vrifi lors de l'volution des variables
d'tat, on arrive la fin de la squence avec de nouvelles conditions
initiales et on doit recommencer la mme dmarche pour les
squences suivantes:
- Le courant crte dans le circuit oscillant sera:
-
L
doit tre suprieur I
CH
.
- Une fois I
Tp
s'annule, c..d I
L
atteint I
CH
, T
P
se bloque et on a alors:
- D restera bloque tant que V
C
n'aura pas atteint +E c..d V
D
=0. On aura
donc la nouvelle squence suivante:
1
2
1
2
0
0
2
2
C V L I I V
L
C
C
C
. . .


> > V
C
L
I V I
L
C
C C H C C H
0 0
T
T
V
P
a
D
P
b l o q u
c o n d u c t e u r
< 0
?

'

V E V V L
d i
d t
I C
D C C
C H
C H
t e
P
+ <

_
,

0 0
0 0 ( ) . (
Deuxime Squence:
- Tests vrifier:
- On aura donc une charge courant constant jusqu' ce que V
C

aura atteint E.
- La dure de l'application de la tension inverse aux bornes du
thyristor principal correspond la dure pendant laquelle V
C
restera
ngative puisque V
Tp
=V
C
.
C I
I I
V V
L C H
C C
.

<

'
0
0
T
T
D
P
a
P
b l o q u
c o n d u c t e u r
b l o q u e

'

-
- Lorsque V
C
aura atteint E, la diode D
P
s'amorce et on aura une
nouvelle squence.
t
C V
I
V V A r c
I
I
I I t
L C
k
I
I
V V A r c
k
V
k
t
C V
I
k
k
I N V
C
C H
C C
C H
C
L C
C
C H
C C C
I N V
C
C H

_
,

_
,

_
,

.
. c o s s i n
. s i n
. c o s s i n .
.
.
m a x
m a x
m a x
0
0 0
0 0 0
0
1
1
1
1
1
2
2
a v e c
a v e c


Troisime Squence:
- T
P
restera bloqu tant qu'on l'amorce pas.
- Circuit oscillant avec comme rgime forc (E, 0).
- Le circuit changera de configuration lorsque I
Ta
=I
L
0.
- V
C
aura atteint . Le thyristor T
a
se bloque et
on aura la configuration suivante:
C I
V E
I I
C
L C H
.

'

T e s t v r i f i e r :
b l o q u
b l o q u b l o q u e
c o n d u c t r i c e

T
T D
D
P
a a
P

'

V E I
L
C
C C H
+ .
-
- V
D
a
est elle > 0. D
a
samorce et on a un
circuit oscillant form par L, C, D
a
et E avec comme conditions
initiales:

b l o q u
b l o q u
c o n d u c t r i c e
s ' a m o r c e t ' e l l e ?

T
T
D
D
P
a
P
a

'

V I
L
C
D C H
a
> . 0
C I
V E I
L
C
I
C C H
L
.
.

+

'

0
Quatrime Squence:- R.F du circuit oscillant (E,0)
- D
a
se bloquera lorsque le courant qui la traverse s'annule et qu'il
aura tendance changer de sens. La tension aux bornes du
condensateur C aura atteint:
- Lorsque D
a
se bloque, cette squence est termine et C aura une
mauvaise polarit ses bornes pour un nouvel blocage de T
p
. La
configuration du circuit aura la forme suivante:
V E I
L
C
C C H
.
-
- T
P
est prt samorcer si on lui envoie une impulsion sur sa
gchette.
Quatrime Squence:
- On envoie une impulsion sur T
P
; il s'amorce car V
Tp
=E > 0
que le systme aura la configuration suivante:
( )
( )

b l o q u
b l o q u
c o n d u c t r i c e
b l o q u e

T V E
T V E E I
L
C
I
L
C
D
D V
P T
a T C H C H
P
a D
p
a
a
>

_
,
>

_
,

<

'

0
0
0
. .

-
- D
P
se bloque presque instantanment car V
Dp
=-E. Il y'a un circuit
oscillant form par C, L, D
a
et T
P
qui permet de changer la polarit de
C avec comme V
C0
final:
- L'volution de V
C
(t) et de I
C
(t) correspond :
( )
V E I
L
C
C
f i n a l
C H
0
+ .
-
- Conclusion:
Nous disposons d'un hacheur dont V
C0
est plus petit que E et
que plus I
CH
est grand, plus V
C0
sera petit donc le pouvoir de
coupure du hacheur sera faible.
HACHEUR DE MAC MURRAY
-

- On amorce T
a
: il peut s'amorcer car V
Ta
=-V
C
=-V
C0
> 0 circuit
oscillant form par T
a
, C, L, T
P
.
- I
T
P
=I
C
H
-I
L
- Ds que I
L
atteint I
CH
, I
Tp
s'annule T
P
se bloque (il faut que
V
C0
soit > I
CH
(L/C) sinon la commutation sera rate). T
P
se bloquant,
il risque de changer l'tat des autres semi-conducteurs.
C I
V V
I
T
D T
T
D T
C C
L
P
a P
a
P P
.
C o n d u c t e u r
B l o q u e c a r C o n d u c t e u r
B l o q u
B l o q u e c a r C o n d u c t e u r
<

'

'

0
0
0
( )
I I t
L C
I V
C
L
L L L C

m a x m a x
s i n .
.
. a v e c e t
1
0
- D
a
s'amorce t'elle ? V
Da
? > 0; D
P
s'amorce t'elle ? V
Dp
? > 0
- T
a
peut t'il se bloquer ? I
Ta
? vers 0
- On suppose que ni D
P
, ni D
a
conduisent qu'on aura une
charge courant constant V
Da
= -V
C
= -V
C0
> 0 D
a
conduit
D
P
reste bloque T
P
reste bloqu.
- i
Da
= i
L
- I
CH
. Ds que i
L
atteint I
CH
, D
a
se bloque. Le temps
d'application de la tension inverse aux bornes de T
P
est t
3
-t
2
(voir
figure suivante). D
a
se bloquant, elle risque de changer l'tat des
autres semi-conducteurs.


b l o q u
b l o q u e
p e u t e l l e s ' a m o r c e r
c o n d u c t e u r : p e u t i l s e b l o q u e r ?

T
D
D V
T
P
a
P D
a
p
? >

'

0
- V
D
p
= - E - V
C
t3
. Si V
D
p
> 0, c..d V
C
t3
> E, D
P
s'amorce. Sinon, V
Dp
< 0
C..d V
Ct3
< E, on aura une charge courant constant jusqu' ce
que V
C
atteigne E.
- Supposons que V
C
t3
> E Ds que D
a
se bloque, D
P
s'amorce et
on aura un circuit oscillant form par E, T
a
, C et L. T
a
se bloque
lorsque I
T
0
- Si on amorce T
i
pendant la roue libre qu'il n y'aura pas
d'apport d'nergie au circuit oscillant form par L, C, T
i
et D
P
.
- L'volution de i
L
(t) et V
C
(t), avant l'inversion du signe de la
tension aux bornes du condensateur (pour qu'il soit prt pour une
nouvelle commutation), correspond :
V E I
L
C
C C H
f i n a l
+ .
-
- La reprsentation de iL(L/C) en fonction de v
C
, dans le plan de
phase est la suivante:
- Si on amorce T
i
pendant la roue libre qu'il n y'aura pas
d'apport d'nergie au circuit oscillant form par L, C, T
i
et D
P
.
- Pour augmenter le pouvoir de coupure du hacheur par l'apport
d'nergie au circuit oscillant, on amorce T
i
juste avant l'amorage de
T
P
. Si dsigne le retard d'allumage de T
P
sur T
i
, doit tre infrieure
pLC de manire augmenter la charge de C sans pour autant
dtriorer les semi-conducteurs.
LES ONDULEURS
- La conversion de frquence occupe actuellement une part
importante dans le domaine de la conversion statique de lnergie
lectrique. La variation de vitesse des machines courant alternatif
en est lun des domaines le plus important. Celle-ci consiste
convertir le rseau triphas frquence constante (50 Hz) en un
autre systme triphas frquence et tension variables.
- Cependant, il existe dautres applications ncessitant une
conversion de frquence, savoir les alimentations sans
interruption, la rcupration dnergie dans le rseau triphas
partir de sources base dnergie renouvelable. Dans ce cas, il faut
convertir une source continue (de tension ou de courant) en un
systme alternatif (monophas ou triphas) frquence constante.
Il ya donc une conversion continue-alternative. Les puissances
mises en jeu peuvent aller de quelques dizaines de VA jusqu
quelques dizaines de MVA.
- Les convertisseurs de frquence triphass quon peut
rencontrer sont en nombre de quatre:
1
er
) Le convertisseur de frquence direct (Ou cycloconvertisseur)
Ce convertisseur est compos de trois convertisseurs de
courant bidirectionnels. La frquence de sortie est limite 15 Hz.
Ce convertisseur est utilis pour alimenter des moteurs
asynchrones ou synchrones de grande puissance et tournant
basse vitesse. Ce type de convertisseur est abandonn en
raison de lvolution spectaculaire des composants semi-
conducteurs de puissance et en particulier des transistors
IGBT qui ont permis la ralisation de ce type de conversion
pour des puissances leves des cots trs comptitifs et des
commandes moins encombrantes, facilement ralisables.
2
me
) Le convertisseur de frquence circuit intermdiaire courant
continu avec commutation naturelle.
Ce type de convertisseurs est constitu de deux convertisseurs
de courant monts en cascade. Lun fonctionne comme
redresseur et lautre fonctionne comme onduleur. Son circuit
intermdiaire est constitu dune bobine permettant de lisser le
courant continu et sparer les deux convertisseurs. Certaines
conditions sont ncessaires pour le fonctionnement en
commutation naturelle de londuleur, savoir lexistence dune
source de tension triphase permettant de produire de la puissance
ractive. Ainsi, ce type de convertisseur est utilis pour
alimenter des machines synchrones ou pour raliser une liaison
lastique entre deux rseaux lectriques.
3
me
) Le convertisseur de frquence circuit intermdiaire courant
continu avec commutation force.
Londuleur de ce type de convertisseur est muni des circuits de
commutation force. Par consquent, ce type de convertisseur
est capable de fonctionner avec nimporte quelle charge
triphase. Il est surtout utilis pour lalimentation des machines
asynchrones dune puissance de quelques centaines de KVA
jusqu quelques MVA.
4
me
) Le convertisseur de frquence circuit intermdiaire tension
continu.
Ce type de convertisseur est constitu lentre dun
redresseur diodes qui alimente le circuit intermdiaire tension
continue constante. Londuleur est constitu dlments
commandables lamorage et au blocage ou de thyristors munis de
leurs circuits de commutation force. Ce type de convertisseur est
utilis pour alimenter des machines asynchrones ou synchrones de
puissance de quelques KVA quelques centaines de KVA.
- Les deux premiers convertisseurs faisaient partie de
lenseignement du 1
er
module dElectronique de Puissance.
- La structure ainsi que le mode de commutation des deux autres
seront abords dans la suite du prsent chapitre.
Principe de fonctionnement des onduleurs
- Un onduleur de tension permet d'imposer une tension E aux
bornes d'une charge quelque soit le signe du courant dans cette
charge. Ceci est obtenu par l'utilisation de deux hacheurs tte-bche.
- A t=0, on amorce T
1
V
CH
=+E et un courant s'tablit dans la charge
avec une loi dpendante de celle-ci (exponentielle si la charge est
inductive (R+L)).
- A l'instant t=t
1
, on ouvre T
1
. Si la charge est inductive le courant
ne peut pas varier instantanment, D
2
s'amorce V
CH
=-E.
-
- Pendant que D
2
conduit, T
2
ne peut pas s'amorcer car V
T2
=-V
D2
<0.
Ds que le courant s'annule, on peut amorcer T
2
. La phase de t
1
t
2

correspond un envoi de l'nergie de la charge vers la source et
c'est une phase de rcupration.
- Si on amorce T
2
juste au moment o le courant s'annule, on
aura une "commande adjacente" (En pratique, on envoie le signal de
gchette sur T
2
ds l'instant t
1
pour s'assurer que ds que le courant
s'annule, le thyristor T
2
s'amorce).
- Si au lieu d'envoyer le signal de gchette l'instant t
1
, on
l'envoie aprs l'annulation du courant dans la charge, on aura une
"commande disjointe". L'instant t
2
dpendra de la charge et que
celle-ci interviendra sur la tension de sortie.
-
- Dans la plupart des cas, la source continue est unique et cela
conduit la structure en pont.
- On envoie sur T
1
et T
4
des signaux complmentaires. De mme,
on envoie sur T
2
et T
3
aussi des signaux complmentaires mais dcals
de
r
par rapport aux prcdents.
- A t
0
=0, i
CH
=0, V
CH
=+E. De t
0
t
1
, T
1
et T
2
conduisent, i
CH
> 0 et
V
CH
=+E. A l'instant t
1
, on ouvre T
2
. Si la charge est inductive, le courant
ne peut pas varier instantanment et c'est la diode D
3
qui s'amorce. La
tension V
CH
=0 et c'est la phase de roue libre.
- A tout instant de cette phase de roue libre, on peut passer une
phase de rcupration en ouvrant T
1
et c'est D
4
qui se met conduire.
La tension V
CH
devient ngative et gale -E. Cette phase se termine
lorsque le courant s'annule (instant t
3
) et c'est T
3
et T
4
qui se mettent
conduire.
- Phases de roue libre : t
1
- t
2
; t
4
- t
5
- Phases de rcupration : t
2
- t
3
; t
5
- t
6
- A l'instant t
4
, on ouvre T
3
et c'est D
2
qui se met conduire et c'est
la deuxime phase de roue libre.
- A tout instant de cette phase, on peut ouvrir T
4
et c'est D
1
qui se
met conduire.
- On dispose d'une tension E; 0; -E
- Si
r
=0, on aura une tension E, -E
ONDULEUR MAC MURRAY
- Les circuits d'inversion de polarit des condensateurs de
commutation ne sont plus indispensables car, lorsque un thyristor a
commut, la tension aux bornes du condensateur a chang de polarit
et il se trouve qu'il est prt commuter l'autre thyristor du mme bras.
Chaque fois qu'il y a une diode tte-bche sur un thyristor, il faut
- installer une inductance pour protger les composants contre les forts
gradients de courant.
- Le coefficient de qualit L/r est en gnral de l'ordre de 10.
- Sur une demi-priode, la chute de tension est de l'ordre de V
C
=15%
(r: rsistance des composants+celle du circuit oscillant L, C).
Q
L
r r
L
C

1
-
- On remarque que plus I
CH
est important, plus l'apport d'nergie de la
source E vers (L, C) est important donc auto-adaptativit.
ONDULEUR EN PONT TRIPHASE
- Avant d'tudier les onduleurs triphass, reprenons l'onduleur
monophas selon une mthode que nous gnraliserons facilement
l'tude des ponts triphass.
( ) ( )
V V V V V V V V V V V
C H A B A M M B A M B M
+
-
ONDULEUR EN PONT A COMMANDE DISJOINTE (TYPE 120)
- Chaque thyristor est command pendant 120. Il y'a donc un
trou de 60 entre les commandes de deux thyristors d'une mme
verticale d'o le nom de "commande disjointe". Les commandes
des thyristors d'une verticale sont dcales de 120 par rapport aux
thyristors de la verticale voisine.
SCHEMA DE LONDULEUR
-
ONDULEUR EN PONT A COMMANDE ADJACENTE
- Dans ce cas, chaque
thyristor est command
pendant 180. Les comm-
-andes de deux thyristors
d'une mme verticale
sont adjacentes alors que
les commandes des
thyristors d'une verticale
sont dcales de 120
par rapport aux thyristors
de la verticale voisine.
-
puisque n (Charge quilibre).
- On impose tout instant, la tension de sortie quelque soit la
charge. La tension entre phases est identique celle d'un onduleur
monophas commande dcale avec
r
=60. D'o un minimum
d'harmoniques et suppression de l'harmonique 3.
V V V
V V V
V V V
V
V V V
A N A O O N
B N B O O N
C N C O O N
N O
A O B O C O
+
+
+

+ +

3
V V V
A N B N C N
+ + 0
convertisseur de frquence circuit intermdiaire
courant continu commutation force
- Ce type de convertisseur consiste redresser le rseau triphas
par un redresseur triphas command en pont. Le courant continu I
d

ainsi obtenu, circulant dans le circuit intermdiaire constitue dune
inductance L
d
, est impos relativement sur deux phases de la charge
(par exemple stator dun moteur asynchrone) au moyen dun onduleur
commutation force. Les condensateurs C servent bloquer les
thyristors de londuleur. Celui-ci est extinction par squence de
phase. La bobine L
d
sert lisser le courant continu I
d
et prend en
charge la diffrence entre les tensions instantanes u
d
I
et u
d
II

respectivement du redresseur et de londuleur. Le schma de principe
est le suivant:
-
-
LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE
- INTRODUCTION
- Une alimentation a pour fonction de dlivrer des tensions
continues (5V, +12V, -12V,...) pour alimenter des circuits
lectroniques et ce partir d'un rseau alternatif (220V, 50Hz) ou
continu.
- Longtemps, on utilisait les alimentations rgulation linaire.
Elles se composent gnralement:
- d'un transformateur fonctionnant la frquence
secteur (50Hz) permettant d'adapter les niveaux de
tension et d'assurer l'isolement galvanique
- d'un redresseur diodes
- d'un filtre LC.
- La rgulation de la tension de sortie s'effectue par le biais d'un
transistor fonctionnant en rgime linaire (appel Ballast).
- La tension V
CE
, aux bornes du transistor, volue de manire
maintenir aussi constante que possible la tension de sortie malgr
les variations de la charge ou de la tension d'entre.
- Le schma synoptique de ces alimentations est le suivant:
- Ces alimentations prsentent plusieurs inconvnients:
- le rendement global de l'ensemble ne dpasse gure
60%. Ceci est du essentiellement aux pertes dans le
transistor Ballast car il y'a existence simultane de V
CE

et I
C
- le transformateur est encombrant car il travaille
frquence faible (50Hz).
- Par contre, ce type d'alimentation prsente l'avantage d'tre
simple raliser.
- Ces inconvnients ont incit les utilisateurs ainsi que les
industriels concevoir d'autres types d'alimentation ayant un bon
rendement et prsentant un faible encombrement.
- Ceci a t rendu possible grce aux normes progrs raliss
ces dernires annes dans le domaine des transistors de puissance:
- d'une part dans le domaine thorique de leur fonctionnement
et dans celui de leurs technologies de ralisation. Ces
nouveaux transistors peuvent commuter rapidement de l'tat
conducteur l'tat bloqu et vice-versa avec la possibilit de
les alimenter directement sous haute tension secteur.
- d'autre part, dans la connaissance de leurs mcanismes de
dfaillance qui a permis la rsolution d'un problme majeur
qui est leur protection contre les court-circuits ou surtensions
occasionnelles.
- Ces transistors de puissance permettent de concevoir et de
raliser aujourd'hui des alimentations peu encombrantes, bon
march et ayant un bon rendement et ce en les faisant fonctionner
en commutation frquence leve (20kHz pour le transistor
bipolaire et au del de 50kHz pour le M.O.S de puissance). La
tension continue d'entre est "dcoupe" et un transformateur
haute
frquence permet d'adapter les niveaux de tension et de raliser
l'isolement galvanique. Ce composant joue un rle trs important
dans la ralisation d'une bonne alimentation dcoupage. En effet, il
permet d'isoler les parasites du rseau qui peuvent avoir une
influence nuisible sur le circuit alimenter (par exemple les
tlviseurs). Le schma synoptique d'une alimentation dcoupage
correspond :
- Ce type d'alimentation prsente plusieurs avantages par rapport
aux alimentations rgulation linaire:
1) un meilleur rendement d aux faibles pertes dans l'interrupteur.
Ces pertes surviennent durant la conduction (V
CE
faible), durant
le blocage (I
C
faible) et durant les commutations.
2) un encombrement rduit grce l'utilisation des
transformateurs haute frquence noyau en ferrite.
V
e
=K.N.S.F.B
M
avec N: Nombre de spires, S: Section du noyau,
F: Frquence, B
M
: Induction maximale.
- L'augmentation de F permet de rduire la section du noyau et le
nombre de spires (malgr une induction maximale faible dans les
ferrites).
- Par contre, elles prsentent l'inconvnient d la pollution du milieu
environnant par l'mission lectromagntique ainsi que la difficult de la
ralisation pratique (rgulation, protection de l'interrupteur, ncessit de
composant rapide et composants ractifs faibles pertes).
DIFFERENTS MODELES
- Il existe de nombreux modles d'alimentation dcoupage qu'on
peut classifier comme suit:
- les alimentations non isoles du secteur: ce sont les montages
hacheurs
- les alimentations isoles grce aux transformateurs noyau en
ferrite.
- Ces dernires peuvent tre classes en deux familles et font appel
plus ou moins de composants et permettent d'obtenir des puissances
plus ou moins importantes avec des rgulations plus ou moins
parfaites.
1) Les convertisseurs accumulation ou en phase bloque
galement appeles sries indirectes ou "FLY-BACK"
L'nergie est stocke dans le transformateur sous forme d'nergie
magntique pendant la phase de conduction du transistor et
cause de la polarit du secondaire et de la prsence dune
diode D, le courant secondaire est nul. Par contre, pendant la
phase de blocage du transistor, l'nergie magntique stocke
dans le transformateur est transmise la charge travers la
diode D et le condensateur de filtrage. Un entrefer relativement
grand est donc ncessaire dans le noyau en ferrite afin d'viter la
saturation.
- Ces alimentations sont les plus simples et les moins
onreuses raliser. Elles sont rserves, pour les faibles
puissances (<200W), pour des tensions de sortie suprieures 10V
et conviennent pour les applications rclamant des tensions de
sortie multiples.
2) Convertisseurs sries-directes ou phase passante galement
appeles "FORWARD"
- L'nergie est transmise la charge pendant la phase de
conduction du transistor et une partie est stocke dans une
inductance de lissage L. Le schma synoptique d'une telle
alimentation est le suivant:
- Pendant la phase de blocage du transistor T
R
, l'nergie stocke
dans L est fournie la charge (D
2
conductrice, D
1
bloque). L'nergie
restante dans le circuit magntique est d'autre part renvoye au
circuit d'entre grce l'enroulement de dmagntisation form par
D
3
et N
3
.
- L'entrefer du circuit magntique du transformateur doit donc tre
trs faible de faon que l'nergie de magntisation soit aussi faible
que possible.
- Pour l'inductance de lissage L, elle est en gnral traverse par
un courant important. Sa valeur doit tre faible de faon ce qu'elle
ait un bon comportement vis vis des variations rapides de la charge
et en mme temps, il est prfrable qu'elle ait une grande valeur de
faon avoir un bon comportement de l'alimentation faible courant
de charge.
- Ces deux exigences tant contradictoires, on utilise des
inductances non linaires qui se saturent ds que l'induction dans le
noyau atteint un certain niveau.
- Dans ce type d'alimentation, on a un bon filtrage ralis par L et
C et les puissances peuvent aller de 100W 1kW.
FLYBACK
- Les alimentations dcoupage type FLYBACK peuvent
fonctionner selon deux faons diffrentes:
-fonctionnement avec dmagntisation complte ou
incomplte.
FLYBACK dmagntisation complte:
- Dans ce type de fonctionnement, le courant secondaire i
D
a le
temps de s'annuler avant la nouvelle mise en conduction du
transistor T
R
, c'est dire que le transformateur se dmagntise
compltement avant une nouvelle accumulation d'nergie.
- L'volution des diffrentes grandeurs au cours du
fonctionnement de l'alimentation est la suivante:
-
- Dtermination la fonction de transfert V
S
=f(E). On prend =t
on
:
La puissance P
S
reprsente la puissance minimale que
doit fournir la source E.
- V
S
ne dpend pas de N
2
/N
1
.
- V
S
est une fonction de la charge R
CH
. Donc on a pas ralis une
source de tension mais plutt une source de puissance qu'il est
ncessaire d'avoir une rgulation.
P
V
R
S
S
C H

2
P
T
E i t d t
E
T
i t d t E I E I
S
T
T
T
M O Y M O Y


1
0 0
1
. . ( ) . . ( ) . . .
I
T
I
t d t
I
T
I
E
L
M O Y
1
1
0
1
2
1
1
1
2 2 2

. . .
.
. . . .
^ ^
^

V
R
E
E
L T
T V E
R T
L
S
C H
S
C H
2
1 1
2 2

. . . . . .
.
.

FLYBACK dmagntisation incomplte:
- Dans ce type de fonctionnement, le transistor est remis en
conduction avant que le courant ne s'annule dans le secondaire. De
ce fait, le transformateur ne se dmagntise jamais compltement.
La forme des courants i
1
(t) et i
2
(t) et de la tension V
CE
(t) sur la figure
prcdente correspondent :