Représentation du convertisseur DC/DC

Un convertisseur DC/DC a pour vocation d’assurer la fluence d’énergie entre une source de tension continue et une source de courant continu. La représentation symbolique la plus couramment utilisée est donnée Fig. 1.1(a).Une telle représentation peut laisser penser que dans tous les cas de figure, la source de courant Is sera la charge qui, suivant les modes de fonctionnement, absorbera ou restituera de la puissance, alors que la source de tension Ue est l’alimentation, susceptible de fournir ou de stocker de la puissance. Pour certains convertisseurs, on est amené à changer une telle représentation, surtout si la fluence d’énergie ne peut se faire que de la source de courant vers la source de tension 1. Nous ne ferons qu’exposer succinctement le principe de fonctionnement des alimentations à découpage. Pour un exposé détaillé, le lecteur pourra consulter [2], qui constitue le manuel de référence en la matière.(suivant la structure du convertisseur). On se réfère alors à la représentation symbolique donnée Fig. 1.1(b). Suivant le convertisseur DC/DC considéré, nous nous référerons soit à l’une, soit à l’autre de ces représentations.

Représentation des sources

Dans l’étude des convertisseurs DC/DC, nous distinguerons systématiquement l’alimentation (source génératrice d’énergie) de la charge du convertisseur (source réceptrice).
Alimentation En regard des schémas Fig. 1.1(a) et Fig. 1.1(b), l’alimentation peut etre une source de tension, ou bien une source de courant. Par convention, les représentations adoptées pour de telles sources sont telles que celles définies Fig. 1.2.
– source de tension (Fig. 1.2(a) ): nous considérerons une source de tension parfaite, – source de courant (Fig. 1.2(b) ): nous considérerons une source de tension parfaite, en série de laquelle on place une inductance, qui confère à l’ensemble le ((caractère)) source de courant recherché.
Charge Dans la conversion DC/DC, la charge ((type)) est la résistance, seul dipôle susceptible d’absorber de la puissance. On ne peut légitimement considérer un tel dipôle comme une source de tension ou de courant digne de ce nom. Pour cette raison, toute charge résistive est associée à un condensateur, ou à un ensemble constitué d’un condensateur et d’une inductance, de facon à pouvoir considérer le dipôle équivalent qui résulte de cette association comme une source de tension ou de courant, suivant les besoins. Ceci est illustré Fig. 1.3.
– source de tension (Fig. 1.3(a) ): l’association d’une résistance et d’un condensateur en parallèle confère à ce dipôle le caractère d’une source de tension, – source de courant (Fig. 1.3(b) ): l’ajout d’une inductance en série avec la source de tension permet de conférer à l’ensemble le caractère d’une source de courant.
Association des sources La fluence d’énergie entre l’alimentation et la source est réalisée par le convertisseur statique. Nous rappelons que nous ne nous intéressons, dans ce cours, qu’aux convertisseurs dits ((directs)). Ainsi, lors des commutations au sein de ce convertisseur, il existe forcément une séquence de fonctionnement pendant laquelle l’alimentation et la charge sont reliées directement. Ceci exclu totalement certaines possibilités d’association des alimentations et des charges définies ci-dessus, puisqu’on ne peut connecter entre elles que des sources de natures différentes. Les possibilités d’association de ces sources se résument ainsi au nombre de deux, ainsi qu’illustré Fig. 1.4.Nous venons de définir deux types de convertisseurs, dont chacun fera l’objet de la section d’étude suivante.

Fluence d’énergie

Suivant les signes respectifs des grandeurs de sortie du convertisseur, qui définissent la puissance Ps = UsIs absorbée par la source de courant du schéma Fig. 1.5(a), le système se trouvera dans l’un des quatre quadrants du plan (Us,Is) défini Fig. 1.5(b). Dans les quadrants 1 et 3, la fluence d’énergie se fait de la source de tension vers la source de courant, alors que les quadrants 2 et 4 définissent une fluence d’énergie de la source de courant vers la source de tension. Suivant la nature de chacune des sources, le convertisseur DC/DC devra permettre le fonctionnement dans au moins un de ces quadrants.Nous proposons dans un premier temps l’étude de convertisseurs élémentaires, unidirectionnels dans la fluence d’énergie qu’il permettent (convertisseurs ((un quadrant))). Nous démontrerons que l’association de tels convertisseurs élémentaires permet de définir: – des convertisseurs ((deux quadrants)), – des convertisseurs ((quatre quadrants)).

Convertisseurs un quadrant

Nous traitons dans cette partie des convertisseurs unidirectionnels en courant et en tension. Cela implique que la fluence d’énergie ne peut se faire, au sein du convertisseur, que dans un seul sens. Cela revient également à considérer: – des sources de tension unidirectionnelles en courant, dont la tension qu’elles imposent ne peut ˆetre que d’un seul signe, – des sources de courant unidirectionnelles en tension, dont le courant qu’elles imposent ne peut ˆetre que d’un seul signe. Cela conduit à l’étude des convertisseurs DC/DC les plus simples qui puissent ˆetre. Dans ce cadre, on distingue trois familles de convertisseurs statiques (ou hacheurs): – hacheur abaisseur (ou buck), – hacheur élévateur (ou boost), – hacheur abaisseur–élévateur (buck–boost).
Nous donnons également Fig. 1.9 les mécanismes de commutation des interrupteurs:
– amorc¸age de K1 : le sens de parcours des trajectoires suivies dans les plans (UKi,IKi)
est défini par les flèches notées Am. Lorsque K1 est bloqué, celui–ci supporte la tension Ue, alors que K2, à l’état passant, conduit le courant Is. L’amorc¸age de K1 ne sera effectif que lorsque l’interrupteur K2 supportera une tension −Ue. Il est impossible, dans le plan (UK2,IK2), d’obtenir une trajectoire qui traverse le quadrant UK2IK2 < 0. Le blocage de K2 ne peut donc se faire qu’en longeant les axes de la caractéristique statique de K2. Ceci définit une commutation spontanée: annulation du courant dans K2, puis application d’une tension inverse (négative). Le processus de commutation est donc le suivant: • commutation du courant de K2 vers K1. Pendant cette phase, la tension reste nulle aux bornes de K2, et vaut toujours Ue aux bornes de K1. • la tension aux bornes de K1 s’effondre, alors qu’une tension inverse s’établit aux bornes de K2. Au contraire de K2, la commutation de K1 traverse le quadrant UK1IK1 > 0, ce qui est caractéristique d’une commutation commandée. Il s’agit donc d’un amorc¸age commandé de K1 qui entraˆıne le blocage spontané de K2. – blocage de K1 : le sens de parcours des trajectoires suivies dans les plans (UKi,IKi) est défini par les flèches notées Bl. Lorsque K1 est amorcé, celui–ci conduit le courant Is, alors que K2, à l’état bloqué, supporte une tension −Ue. Le blocage de K1 ne sera effectif que lorsque l’interrupteur K2 assumera l’intégralité du courant Is. Il est impossible, dans le plan (UK2,IK2), d’obtenir une trajectoire qui traverse le quadrant UK2IK2 < 0. L’amorcage de K2 ne peut donc se faire qu’en longeant les axes de la caractéristique statique de K2. Ceci définit une commutation spontanée: annulation de la tension inverse aux bornes de K2, puis établissement du courant. Le processus de commutation est donc le suivant: • la tension aux bornes de K2 s’annule, alors qu’une tension positive s’établit aux bornes de K1, • commutation du courant de K1 vers K2. Pendant cette phase, la tension reste nulle aux bornes de K2, et vaut toujours Ue aux bornes de K1. Lors de cette phase, la commutation de K1 traverse le quadrant UK1IK1 > 0, ce qui est caractéristique d’une commutation commandée. Il s’agit donc d’un blocage commandé de K1 qui entraine l’amorcage spontané de K2.

Synthèse

Outre la définition de la structure de base d’un hacheur dévolteur ((un quadrant)), nous venons de mettre en évidence deux points importants.
Le premier est relatif à la nature des commutations au sein de la cellule constituée par K1 et K2 : l’amorcage et le blocage commandés de K1 entrainent respectivement le blocage et l’amorcage spontanés de K2. Nous venons ainsi de définir une structure apte à fonctionner en commutation naturelle. Le second est relatif aux natures de interrupteurs K1 et K2 : – Interrupteurs K1 : cet interrupteur doit supporter une tension positive, et doit pouvoir conduire un courant positif. En outre, on doit ˆetre en mesure de pouvoir commander son amorcage et son blocage. Cet interrupteur devra donc etre de type transistor (bipolaire, MOS, IGBT ou GTO). – Interrupteur K2 : cet interrupteur doit supporter une tension inverse, et doit pouvoir conduire un courant positif. En outre, toutes les commutations de cet interrupteur peuvent etre spontanées. Cet interrupteur sera donc de type diode.
Nous sommes ainsi en mesure de définir plus précisément la structure d’un hacheur abaisseur, que nous donnons Fig. 1.10.
Sur cette représentation, l’interrupteur commandé à l’amorcage et au blocage est un IGBT (noté T). Ses commutations commandées entraineront les commutations spontanées de la diode D.
Relations fondamentales
Afin de définir les relations fondamentales qui régissent le fonctionnement d’un hacheur abaisseur, nous nous référons au schéma Fig. 1.11. Rien n’est fondamentalement changé par rapport au schéma proposé Fig. 1.10. Nous avons simplement précisé la nature de la source de courant. Nous considérons ainsi un circuit condensateur/résistance parallèles, en série duquel on place une inductance pour conférer à l’ensemble le caractère source de courant requis. Ce type de source de courant est en effet la charge ((type)) d’un hacheur abaisseur. Les formes d’ondes des courant et tensions dans le convertisseur, ainsi que dans sa charge sont données à titre d’illustration Fig. 1.12. Suivant les états respectifs des interrupteurs T et D, la tension Us vaut Ue (400V ) ou bien 0V , et est par conséquent constituée de créneaux. On peut difficilement la considérer comme continue. Ses composantes sont les suivantes: – une valeur moyenne, – une onde fondamentale, de fréquence identique à celle de commutation des interrupteurs,