Université de Savoie Licence EEA Module 06 Énergie et convertisseurs d’énergie CHAPITRE 4 HACHEURS 1. Introduction – Intérêt des hacheurs Les hacheurs sont les convertisseurs statiques continu-continu permettant de fabriquer une source de tension continue variable à partir d’une source de tension continue fixe. La figur principe du hacheur. de or 11 Sni* to View Entrée Sortie Convertisseur Continu (DC) – Continu (DC) Figure 4-1 . Schéma de principe du hacheur.
Il est évident que le procédé le plus simple pour transformer une tension continue de valeur fixe en une ension continue réglable est le montage en potentiomètre diviseur de tension décrit sur la figure 4-2. Is RI Module IJ6 Ou encore : RC2+ RC R2)+ a3 R2 n est maximum pour : par exemple, pour RI = R 2 = RC (soit a = on obtient : 2 6 Soit de la puissance gaspillée inutilement ! Ainsi les montages potentiométriques sont utilisés uniquement en électronique de faible puissance (quelques Watts maximum). En électronique de puissance, on fera systématiquement appel à des hacheurs.
On distingue plusieurs types de hacheurs, les deux types de base (que nous nous proposons d’étudier ici) ?tant le montage série et le montage parallèle. Le principe consiste à interrompre périodiquement l’alimentation de la charge par la source. Ce principe est illustré par le schéma de la figure 4-3. Id PAG » 1 qui contrairement à RE RI + R 2 ne dissipe pas (ou peu en pratique) de puissance. 2. Définition du rapport cyclique Le rapport cyclique est défini comme le temps t ON pendant lequel l’interrupteur est fermé divisé par la période de fonctionnement du montage T, soit : a ON.
On définit également le temps pendant lequel Finterrupteur est fermé par : Chp-4 -47- Licence EEA Module U6 t OFF=T-tON. . Hacheurs série et parallèle Comme on fa dit en introduction, les hacheurs sont des convertisseurs statiques qui sont alimentés par des sources de tension continue et produisent aux bornes d’une charge une tension unidirectionnelle de valeur moyenne réglable. On peut imaginer un grand nombre de dispositifs électroniques réalisant cette fonction. On se contentera ici d’indiquer les types de montages les plus utillsés ainsi que quelques applications.
Ces montages utiliseront des interrupteurs unidirectionnels statiques qui seront représentés par le symbole de la figure 4-5. Fieure 4-5. Symbole de Vin directionnel. est la charge est par exemple un moteur à courant continu. id D ud Charge Figure 4-6. Hacheur série. Le fonctionnement du convertisseur se déduit de fanalyse du comportement de Vinterrupteur l. • à t=O, I est enclenché (passant) pendant un temps aT , alors : • entre aT et T (aT < t < T), I est ouvert. On a alors : i=O et le couranti d circule à travers la diode D (diode de « roue libre p).
Donc :ud ( t) = O tant que la diode D conduit, soit tant que le courant id (t) est non nul. • Lorsque id (t ) s’annule, la diode D se bloque et : On distingue donc deux types de fonctionnement selon que le ourant i d ( t) est interrompu ou non. 3. 1. 1 Fonctionnement à courant ininterrompu (figure 4-7) La valeur moyenne de ud PAGFd0F11 couple du moteur M (M- Kl si l’on néglige les pertes mécaniques et les pertes par hystéréris et courants de Foucault). ud(t) id(t) Figure 4-7. Hacheur série. Fonctionnement à courant ininterrompu dans la charge. 3. 1. Fonctionnement à courant dans la charge interrompu (figure 4-8) Figure 4-8. Hacheur série. Fonctionnement à courant interrompu dans la charge. RC suffisamment faible deva 11 t s’annule avant que modifiant la fréquence de commande ( f sans modifier la durée de conduction de l’interrupteur. La solution 1. est de loin la plus utilisée en pratique car elle permet un filtrage aisé de la tension ud( t ) par un filtre passe-bas comme le décrit la figure 4-9. Ce filtre passe- bas permet d’éliminer les harmoniques élevés de ud ( t) . L’étude de ce circuit sera effectuée en TP. Filtre passe-bas Figure 4-9. Hacheur série avec filtre passe-bas en sortie permettant d’obtenir une tension uc(t) quasi constante et égale à LJcO. 3. 2 Hacheur parallèle (élév ion) PAGF60F11 de sortie (C+ charge) reçoit de l’énergie de la source et de ‘inductance I. Pour l’analyse en régime permanent présentée ici, le condensateur de filtrage C a une valeur de capacité suffisamment élevée pour que l’on puisse considérer la tension disponible en sortie constante -50 – Enfin on distingue deux modes de fonctionnement selon que le courant dans l’inductance t) ) est interrompu au non. 3. 2. Fonctionnement à courant de source ininterrompu • Pour O < t < aT , l'interrupteur I est fermé et l'intensité i I ( t ) croît linéairement . di IJ IJ —Il donc il (t) = dt On a. J IJdt T , l'interrupteur est ouvert, l'inductance I se • Pour at < t < émagnétise et le courant i I t décroît PAGF70F11 une période, compte tenu du fait que la valeur de la moyenne de v1 (t ) est nulle, on obtient . 51 - LJniversité de Savoie Licence EEA Module LJ6 -a)Ud0 En considérant un circuit sans pertes, la puissance moyenne délivrée par la source est égale à la puissance moyenne disponible en sortie Dl = moyenne de Psource = U.
Il O —U d O. IdOC]lO 0 Id O = moyenne de id (t)D et donc : d O = 1 — a . Cette relation permet de dimensionner les conducteurs à utiliser. Remarque: on obtient très sim lement la relation liant IJ d O à LJ en considérant VI 0=0. B1 Fonctionnement à courant de source interrompu Ce type de fonctionnement intervient lorsque IJ d O devient tel que le courant i I (t) s’annule durant la phase où l’interrupteur est ouvert. Ce type de fonctionnement étant peu utilisé, il ne sera pas développé dans ce cours. 4.
Régulation de la tension de sortie -52 – Licence EEA Module IJ6 Remarque: on prend l’exemple du hacheur série mais cela n’enlève rien à la généralité du principe de régulation expliqué ici. Dans les hacheurs, la tension de sortie doit en règle générale être régulée pour être constamment égale ? ne tension fixée, compte-tenu du fait que la tension d’alimentation IJ et les caractéristiques de la charge peuvent varier. On rappelle le schéma de principe du hacheur série et le graphe de la tension de sortie avant filtrage sur la figure 4-13. ncore PWM pour « Pulse Width Modulation Le signal de contrôle de l’interrupteur VCTRL devra être élaboré par comparaison entre la tension effectivement disponible IJ d O et la tension moyenne désirée IJ d Le schéma général de la figure 4-14 sera employé. LJdOd UdO Vdiff comparateur VCTRL VDS Figure 4-14. Boucle de régulation du hacheur. A est un amplificateur différentiel qui va servir à amplifier l’écart entre la tension moyenne désirée LI do d et la tension moyenne effectivement disponible.
Cette tension d’écart Vdiff sera ensuite comparée à une tension en dent de scie de période T afin de générer la tension de commande de l’interrupteur VCTRL comme le montre la figure 4-15. • Lorsque Vdiff >VDS : VCTRL = +Vcc , l’interrupteur I est commandé à la fermeture (état ON). • Lorsque Vdiff< VDS : VCTRL = O , l'interrupteur est commandé ? l'ouverture (état OFF). Le fonctionnement de la ré ulation est expliqué ci-dessous : si alors U dod- diff AUJ d0d-Ud0)
