Électronique de Puissance : Hacheurs et Onduleurs — Cours (Bac SMB)

Q: Qu'est-ce que le rapport cyclique d'un hacheur ?

Le rapport cyclique α (0 < α < 1) est la fraction de la période de découpage T pendant laquelle l'interrupteur du hacheur est fermé (t_on). Il vaut α = t_on / T. C'est en faisant varier α, via la commande de l'interrupteur électronique (transistor MOSFET ou IGBT), que l'on règle la tension de sortie moyenne du hacheur.

Q: Quelle est la différence entre un hacheur série et un hacheur parallèle ?

Un hacheur série (dévolteur, ou « buck ») abaisse toujours la tension : Vs = α·Ve, avec Vs ≤ Ve puisque 0 < α < 1. Un hacheur parallèle (survolteur, ou « boost ») élève toujours la tension : Vs = Ve/(1-α), avec Vs ≥ Ve. Les deux convertissent une tension continue en une autre tension continue, mais dans des sens opposés.

Q: Comment un onduleur autonome génère-t-il une tension alternative à partir d'une source continue ?

Un onduleur autonome commute périodiquement des interrupteurs électroniques (transistors montés en pont, H ou en pont complet) pour inverser régulièrement le sens du courant dans la charge, produisant ainsi une tension de sortie alternative à partir d'une source continue. La technique de MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) module la durée d'ouverture/fermeture de ces interrupteurs pour approcher une sinusoïde et régler à la fois l'amplitude et la fréquence de la tension de sortie.

Objectifs d'apprentissage

Identifier le rôle d'un hacheur : convertir une tension continue en une autre tension continue de valeur moyenne différente
Définir le rapport cyclique α = t_on / T et le relier à la commande de l'interrupteur électronique
Exploiter la relation du hacheur série (dévolteur) : Vs = α·Ve
Exploiter la relation du hacheur parallèle (survolteur) : Vs = Ve/(1-α)
Identifier le rôle d'un onduleur autonome : convertir une tension continue en tension alternative
Décrire le principe de la commande en pont (ou pont en H) et de la MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion)
Citer des applications : variation de vitesse d'un moteur, alimentation à découpage, onduleur solaire

Formules et résultats clés

Le hacheur : convertir continu en continu

Un hacheur commute périodiquement (à une fréquence de découpage f, de période T = 1/f) un interrupteur électronique (transistor MOSFET ou IGBT) entre une source de tension continue $V_e$ et une charge, pour délivrer une tension de sortie moyenne $V_s$ réglable. Le réglage se fait via le rapport cycliqueα = t_on / T, fraction de la période pendant laquelle l'interrupteur est fermé.

Hacheur série (dévolteur / « buck »)

V_s = \alpha \times V_e \qquad (0 < \alpha < 1 \ \Rightarrow \ V_s \le V_e)

La tension de sortie moyenne est toujours inférieure ou égale à la tension d'entrée : le hacheur série abaisse la tension. C'est le principe utilisé pour réguler la vitesse d'un moteur à courant continu ou pour charger une batterie sous une tension inférieure à celle de la source.

Hacheur parallèle (survolteur / « boost »)

V_s = \dfrac{V_e}{1-\alpha} \qquad (0 < \alpha < 1 \ \Rightarrow \ V_s \ge V_e)

La tension de sortie moyenne est toujours supérieure ou égale à la tension d'entrée : le hacheur parallèle élève la tension. On le retrouve par exemple pour élever la tension d'un panneau photovoltaïque avant onduleur, ou dans les alimentations de secours.

L'onduleur autonome : convertir continu en alternatif

Un onduleur autonome convertit une tension continue en tension alternative. Il repose sur un pont d'interrupteurs électroniques (montage en pont, ou pont en H) commutés de façon à inverser périodiquement le sens du courant dans la charge. La technique de MLI(Modulation de Largeur d'Impulsion) fait varier la largeur des impulsions de commande au cours d'une période basse fréquence, ce qui permet de reconstituer, en valeur moyenne glissante, une tension de sortie proche d'une sinusoïde, dont on peut régler l'amplitude et la fréquence — c'est ce principe qui permet, par exemple, de faire varier la vitesse d'un moteur asynchrone triphasé.

Erreurs fréquentes

Inverser les deux formules : croire que le hacheur série élève la tension ou que le hacheur parallèle l'abaisse — le nom « série »/« parallèle » réfère au montage de l'interrupteur de commande, pas au sens de conversion ; retenir plutôt « dévolteur » (abaisse) et « survolteur » (élève).

Oublier que 0 < α < 1 : un rapport cyclique de 0 % ou 100 % n'a pas de sens physique pour un hacheur en fonctionnement (il faut alterner ouverture et fermeture).

Confondre un hacheur (continu → continu) et un onduleur (continu → alternatif) : ce sont deux familles de convertisseurs statiques différentes, même si les deux reposent sur la commutation rapide d'interrupteurs électroniques.

Croire que la MLI change la fréquence de découpage des interrupteurs pour obtenir la fréquence de sortie : en réalité, c'est la répartition des largeurs d'impulsions sur une période de découpage rapide et fixe qui, en moyenne, restitue une grandeur de sortie basse fréquence proche d'une sinusoïde.

Négliger le rôle de la diode (hacheurs) ou des diodes de roue libre (onduleurs), indispensables pour assurer la continuité du courant dans les charges inductives lors des commutations.

Exemple corrigé — Réglage d'un hacheur série

Énoncé

On souhaite alimenter un moteur à courant continu qui doit fonctionner sous une tension moyenne de $V_s = 18\ \text{V}$ , à partir d'une batterie fournissant $V_e = 36\ \text{V}$ , via un hacheur série. 1) Calculer le rapport cyclique α nécessaire. 2) Si la fréquence de découpage est $f = 10\ \text{kHz}$ , calculer la durée $t_{on}$ de fermeture de l'interrupteur sur chaque période.

Correction

1) $V_s = \alpha V_e \Rightarrow \alpha = \dfrac{V_s}{V_e} = \dfrac{18}{36} = 0{,}5$ .

2) $T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{10000} = 100\ \mu\text{s}$ , donc $t_{on} = \alpha \times T = 0{,}5 \times 100 = 50\ \mu\text{s}$ .

3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Un hacheur série est alimenté sous une tension d'entrée $V_e = 48\ \text{V}$ , avec un rapport cyclique $\alpha = 0{,}25$ . Calculer la tension de sortie moyenne $V_s$ .

Voir la correction

$V_s = \alpha \times V_e = 0{,}25 \times 48 = 12\ \text{V}$ .

Exercice 2

Moyen

Un hacheur parallèle est alimenté sous $V_e = 24\ \text{V}$ et doit fournir une tension de sortie $V_s = 60\ \text{V}$ . Calculer le rapport cyclique α nécessaire.

Voir la correction

$V_s = \dfrac{V_e}{1-\alpha} \Rightarrow 1-\alpha = \dfrac{V_e}{V_s} = \dfrac{24}{60} = 0{,}4 \Rightarrow \alpha = 0{,}6$ .

Exercice 3

Difficile

Un hacheur série fonctionne à une fréquence de découpage $f = 20\ \text{kHz}$ avec un rapport cyclique $\alpha = 0{,}4$ . Calculer la période T, la durée $t_{on}$ pendant laquelle l'interrupteur est fermé, et la durée $t_{off}$ pendant laquelle il est ouvert.

Voir la correction

$T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{20000} = 50\ \mu\text{s}$ . $t_{on} = \alpha \times T = 0{,}4 \times 50 = 20\ \mu\text{s}$ . $t_{off} = T - t_{on} = 50 - 20 = 30\ \mu\text{s}$ .

3 exercices, c'est un début.

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Questions fréquentes

Qu'est-ce que le rapport cyclique d'un hacheur ?

Le rapport cyclique α (0 < α < 1) est la fraction de la période de découpage T pendant laquelle l'interrupteur du hacheur est fermé (t_on). Il vaut α = t_on / T. C'est en faisant varier α, via la commande de l'interrupteur électronique (transistor MOSFET ou IGBT), que l'on règle la tension de sortie moyenne du hacheur.

Quelle est la différence entre un hacheur série et un hacheur parallèle ?

Un hacheur série (dévolteur, ou « buck ») abaisse toujours la tension : Vs = α·Ve, avec Vs ≤ Ve puisque 0 < α < 1. Un hacheur parallèle (survolteur, ou « boost ») élève toujours la tension : Vs = Ve/(1-α), avec Vs ≥ Ve. Les deux convertissent une tension continue en une autre tension continue, mais dans des sens opposés.

Comment un onduleur autonome génère-t-il une tension alternative à partir d'une source continue ?

Un onduleur autonome commute périodiquement des interrupteurs électroniques (transistors montés en pont, H ou en pont complet) pour inverser régulièrement le sens du courant dans la charge, produisant ainsi une tension de sortie alternative à partir d'une source continue. La technique de MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) module la durée d'ouverture/fermeture de ces interrupteurs pour approcher une sinusoïde et régler à la fois l'amplitude et la fréquence de la tension de sortie.