Introduction à l électronique de puissance Synthèse des convertisseurs statiques. Lycée Richelieu TSI 1 Année scolaire 2006-2007 Sébastien GERGADIER

Introduction à l électronique de puissance Synthèse des convertisseurs statiques Lycée Richelieu TSI 1 Année scolaire 2006-2007 Sébastien GERGADIER 28 janvier 2007

Table des matières 1 Synthèse des convertisseurs statiques 5 1.1 Introduction............................ 5 1.2 Sources de tension et courant.................. 5 1.2.1 Source de tension parfaite................ 6 1.2.2 Source de courant parfaite................ 7 1.2.3 Remarques........................ 8 1.2.4 Influence d une inductance sur une source de tension. 9 1.2.5 Remarques........................ 10 1.2.6 Réversibilité des sources d entréeetdesortie..... 10 1.2.7 Rêgles d interconnexion des sources........... 11 1.2.8 Conclusion........................ 13 1.3 Les interrupteurs......................... 13 1.3.1 Les interrupteurs parfaits................ 13 1.3.2 Interrupteurs à semi-conducteurs............ 14 1.3.3 Les différents typesdecomposantsemi-conducteurpossible............................ 15 1.3.4 Régime dynamique / Mode de commutation...... 16 1.3.5 Classification des interrupteurs............. 20 1.4 Structures des convertisseurs.................. 22 1.4.1 Convertisseur direct tension/courant.......... 22 1.4.2 Convertisseur direct courant/tension.......... 24 1.4.3 Structure des convertisseurs indirects.......... 24 1.4.4 Convertisseur indirect tension/tension......... 26 1.4.5 Convertisseur indirect courant/courant......... 26 1.5 Synthèse des convertisseurs statiques.............. 28 1.6 Etude de cas........................... 29 1.6.1 Hacheur non réversibleencourant........... 29 1.6.2 Hacheur réversibleencourant.............. 30 1

Table des figures 1.1 Caractéristique d une source de tension parfaite........ 6 1.2 Représentation d une source de tension parfaite........ 6 1.3 Réalisation d une source de tension............... 7 1.4 Caractéristique d une source de courant parfaite........ 7 1.5 Représentation d une source de courant parfaite........ 8 1.6 Réalisation d une source de courant............... 8 1.7 Influence d une inductance sur une source de tension...... 10 1.8 Règle 1............................... 11 1.9 Règle 2............................... 12 1.10 Règle 3............................... 12 1.11 Règle 4............................... 13 1.12 Cellule de commutation...................... 14 1.13 Convention rcepteur pour les interrupteurs statiques...... 14 1.14 Caractéristiques statiques à2segments............. 15 1.15 Caractéristiques statiques à 3 segments bidirectionnels en courant................................. 16 1.16 Caractéristiques statiques à 3 segments bidirectionnels en tension................................. 16 1.17 Caractéristiques statiques à4segments............. 17 1.18 Commutation commandéed uninterrupteur.......... 18 1.19 Blocage spontanéd uninterrupteur............... 19 1.20 Amorcage spontané d uninterrupteur.............. 19 1.21 Le cycle d un interrupteur..................... 20 1.22 Caractéristique dynamique d interrupteurs 2 segments..... 21 1.23 Caractéristique dynamique d interrupteurs à3segmentsbi- directionnels en courant...................... 22 1.24 Caractéristique dynamique d interrupteurs à3segmentsbi- directionnels en tension...................... 22 1.25 Possibilités d interconnexions d une source de tension et d une source de courant......................... 23 1.26 Configuration de base d un convertisseur tension/courant... 23 1.27 Configuration de base d un convertisseur courant/tension... 24 2

TABLE DES FIGURES 3 1.28 Modification de la nature de la source d entrée ou de sortie pour un convertisseur tension/tension.............. 25 1.29 Modification de la nature de la source d entrée ou de sortie pour un convertisseur courant/courant.............. 25 1.30 Utilisation d un étagetampon.................. 26 1.31 Possibilités d interconnexions de deux sources de tension... 27 1.32 Structure d un convertisseur indirect tension/tension...... 27 1.33 Possibilités d interconnexions de deux sources de courant... 28 1.34 Structure d un convertisseur indirect courant/courant..... 28 1.35 Structure de base d un hacheur.................. 30 1.36 Séquences de fonctionnement et caractéristiques des interrupteurs pour un hacheur non réversible en courant........ 32 1.37 Structure d un hacheur non réversible en courant........ 33 1.38 Séquences de fonctionnement et caractéristiques des interrupteurs pour un hacheur en phase de freinage........... 34 1.39 Structure d un hacheur fonctionnant en phase de freinage... 35 1.40 Structure d un hacheur réversible en courant.......... 35

Préambule Dans ce cours, nous adopterons les notations suivantes : Grandeurs dépendant du temps : lettres minuscules x(t) Grandeurs constantes (moyenne, mini, maxi, efficace,...) : lettres majuscules X Grandeurs complexes : lettres majuscules soulignées X 4

Chapitre 1 Synthèse des convertisseurs statiques 1.1 Introduction L objectif est de réaliser, à partir d un cahier des charges, la synthèse de la structure d un convertisseur statique. Il s agit donc de retrouver, d une façon purement logique et sans faire appel aux habitudes, les structures des convertisseurs connus et de découvrir de nouvelles structures à partir de ce même raisonnement logique. Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs à semiconducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers de régler un transfert d énergie entre un générateur et un récepteur. Ce transfert pourra, dans certains cas, être réversible. Pour tenir compte de cette réversibilité, on préfèrera utilisé les termes de sources d entrée et de source de sortie. En effet, lors d un fonctionnement réversible, la source d entrée joue le rôlederécepteur et la source de sortie joue le rôle de générateur. Le problème de la synthèse d un convertisseur statique se pose donc en les termes de : Effectuer un certain type de conversion d énergie entre une source d entrée et une source de sortie définies par le cahier des charges. Pour réussir ce travail, il faut bien entendu posséder un minimum de connaissance sur les interrupteurs statiques et savoir caractériser parfaitement les sources d entrée et de sortie. 1.2 Sources de tension et courant Les sources d entrée et de sortie sont les seuls éléments connus au début de la synthèse. Deux grandes familles doivent être distinguées : les sources de tension et les sources de courant. 5

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 6 1.2.1 Source de tension parfaite Définition 1 : Une source de tension est dite parfaite lorsqu elle est capable d imposer une tension quelque soit le courant de charge. Cela implique que l impédance série de la source soit nulle ou négligeable devant l impédance de la charge. On peut donc représenter la caractéristique tension/courant d une source de tension parfaite par la figure 1.1. Fig. 1.1 Caractéristique d une source de tension parfaite. Dans la suite du cours, nous utiliserons le symbole de la figure 1.2 pour représenter une source de tension parfaite. Fig. 1.2 Représentation d une source de tension parfaite. Dans le cas où la source est du type continu, on peut imposer la caractérisation de la source en source de tension. Pour cela, il suffit de rajouter un condensateur en parallèle (figure 1.3). Si la source est du type alternatif, la solution qui consiste à placer un condensateur en parallèle pour obtenir une source de tension est difficilement

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 7 Fig. 1.3 Réalisation d une source de tension. applicable. En effet, si la valeur de la capacité du condensateur est élevée, ce dernier constitue un court-circuit pour la source alternative (1/Cω =0).Si la valeur de la capacité est trop faible, on risque de produire le phénomène de résonance. 1.2.2 Source de courant parfaite Définition 1 : Unesourcedecourantestditeparfaitelorsqu elleest capable d imposer un courant quelque soit la tension à ses bornes. Cela implique que l impédance série de la source soit infinie ou très grande devant l impédance de la charge. On peut donc représenter la caractéristique tension/courant d une source de courant parfaite par la figure 1.4. Fig. 1.4 Caractéristique d une source de courant parfaite.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 8 Dans la suite du cours, nous utiliserons le symbole de la figure 1.5 pour représenter une source de courant parfaite. Fig. 1.5 Représentation d une source de courant parfaite. Dans le cas où la source est du type continu ou alternatif, on peut imposer la caractérisation de la source en source de courant. Pour cela, il suffit de rajouter une inductance en série (figure 1.6). Fig. 1.6 Réalisation d une source de courant. 1.2.3 Remarques Dans certains ouvrages, les auteurs donnent d autres définitions pour caractériser les sources parfaites de courant et de tension. Source parfaite de tension Définition 2 : Une source de tension est dite parfaite quand la tension à ses bornes ne peut pas subir de discontinuité du fait de la variation de la charge.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 9 Définition 3 : Une source de tension est dite parfaite lorsqu elle est a une impédance instantanée nulle. Source parfaite de courant Définition 2 : Une source de courant est dite parfaite quand le courant qui la traverse ne peut subir de discontinuité du fait de la variation de la charge. Définition 3 : Une source de courant est dite parfaite lorsqu elle est a une impédance instantanée infinie. Exemples Condensateur : C est une source de tension puisqu une variation instantanée de la tension à ses bornes (dv/dt infini) conduirait à un courant infini, pour la définition 2. L impédance du condensateur Z(p) =1/Cp tend vers 0 pour p tendant vers l infini. Un condensateur a une impédance instantanée nulle. C est donc bien une source de tension au regard de la définition 3. Inductance : C est une source de courant puisqu une variation instantanée du courant dans cette inductance (di/dt infini) conduirait à une tension infinie àses bornes, pour la définition 2. L impédance de l inductance Z(p) =Lp tend vers l infini pour p tendant vers l infini. Une inductance a une impédance instantanée infinie. C est donc bien une source de courant au regard de la définition 3. 1.2.4 Influence d une inductance sur une source de tension Considérons une batterie d accumulateurs (supposée bien chargée) reliée à une charge consommant 10A par un câble et un interrupteur tel que la figure 1.7. L inductance moyenne d un câble est de 1µH.m 1 et le temps d ouverture t on est de 100 nano-secondes. Dispose t on d une source de tension ou de courant pour une longueur de 1m ou de 0.01m? Si la longueur est de 1 m, la surtension provoquée à l ouverture de l interrupteur est :

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 10 Fig. 1.7 Influence d une inductance sur une source de tension. L di 10 dt =1.10 6. = 100 Volts (1.1) 100.10 9 Acausedescâbles de liaison, la charge ne peut pas être alimentée par une source de tension. Si la longueur est de 0.01 m, la surtension provoquée à l ouverture de l interrupteur est : L di dt =0, 10 01.10 6. = 1 Volts (1.2) 100.10 9 Si la fem est de quelques dizaines de volts, on pourra considéré la batterie comme une source de tension. 1.2.5 Remarques On a vu précédemment que même si la source d entrée peut être considérée comme une source de tension, l ensemble des câbles reliant la source d entrée à la charge peut changer la nature de cette source. Par conséquent, en électronique de puissance, il faudra être vigilant au câblage qui introduit des inductances parasites. Cette présence d inductances parasites nécessitera d ajouter un condensateur en parallèle avec la source de tension. 1.2.6 Réversibilité des sources d entrée et de sortie La détermination des réversibilités des sources d entrée et de sortie est fondamentale car elle va nous permettre d en déduire les caractéristiques statiques des interrupteurs utilisés. La tension ou le courant sont dits continus si ils sont unidirectionnels. La tension ou le courant sont dits alternatifs si ils sont périodiques et possèdent une valeur moyenne nulle.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 11 Une source est dite réversible en tension si la tension à ses bornes peut changer de signe. De même, une source est dite réversible en courant si le courant qui la traverse peut s inverser. Exemples : Le circuit d induit d une machine à courant continu est équivalent à une source de courant à cause de l inductance dûs aux bobinages. Si on dispose d une inversion du sens de rotation et d un freinage électrique (inversion du courant d induit), la source sera réversible en tension et en courant. Une batterie d accumulateurs est une source de tension non réversible en tension et réversible en courant (charge et décharge). 1.2.7 Rêgles d interconnexion des sources Au cours de son fonctionnement, le convertisseur statique connecte par l intermédiaire de ses interrupteurs, les sources entre lesquelles il assure et contrôle l échange de l énergie. Pour que ces liaisons puissent se faire, un certain nombre de règles sont à respecter impérativement. Règle 1 Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée mais elle peut être ouverte (figure 1.8). Sinon le courant serait destructeur. Fig. 1.8 Règle 1.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 12 Règle 2 Le circuit d une source de courant ne doit jamais être ouvert mais il peut être court-circuité (figure 1.9). Sinon l ouverture provoque une surtension. Fig. 1.9 Règle 2. Règle 3 Il ne faut jamais connecter entre elles deux sources de même nature (figure 1.10). Fig. 1.10 Règle 3.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 13 Règle 4 On ne peut connecter entre elles qu ne source de courant et une source de tension. Les deux interrupteurs doivent être rigoureusement complémentaires (figure 1.11). Fig. 1.11 Règle 4. 1.2.8 Conclusion Si le convertisseur statique ne dispose que d interrupteurs, on ne sait connecter que des sources de natures différentes. Le plus petit convertisseur possède au moins deux interrupteurs. Le fonctionnement de ces deux interrupteurs doit être rigoureusement complémentaires. On peut alors parler de cellule élémentaire de commutation (figure 1.12). 1.3 Les interrupteurs 1.3.1 Les interrupteurs parfaits Les interrupteurs à semi-conducteur ont un fonctionnement basé surla propriété d unidirectionnalité en courant et en tension de la jonction PN. L association de plusieurs jonctions permet de multiplier leurs possibilités. Dans tous les cas, un interrupteur est susceptible de présenter deux états stables en régime statique : L état passant (ON) : l interrupteur est dit conducteur, ou fermé, ou amorçé; L état bloqué (OFF) : l interrupteur est dit non conducteur, ou ouvert, ou bloqué. En régime statique, l interrupteur se comporte comme une résistance non linéaire, très faible à l état passant, et très élevée à l état bloqué. Considéré

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 14 Fig. 1.12 Cellule de commutation. comme un dipôle avec des conventions récepteur (figure 1.13), sa caractéristique statique I k (V k ) qui représente l ensemble des points de fonctionnement de l interrupteur, comporte deux branches situées entièrement dans les deux quadrants tels que V k I k positifs. L une sur l axe de I k (état passant), l autre sur l axe des V k (état bloqué). Chacune de ces branches pouvant être unidirectionnelle. Fig. 1.13 Convention rcepteur pour les interrupteurs statiques. 1.3.2 Interrupteurs à semi-conducteurs La caractéristique statique, qui est une propriété intrinsèque de l interrupteur, peut dans le cas des interrupteurs à semi-conducteurs, se réduire à un certain nombre de segments du plan I k (V k ).

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 15 1.3.3 Les différents types de composant semi-conducteur possible Interrupteurs à2segments L interrupteur est unidirectionnel en tension et en courant. On distingue donc quatres caractéristiques statiques à 2 segments comme le montre la figure 1.14. Pour deux d entre eux, la tension V k et le courant I k sont toujours de mêmes signes. Pour les deux autres, la tension V k et le courant I k sont toujours de signes contraires. Fig. 1.14 Caractéristiques statiques à 2 segments. Interrupteurs à3segments L interrupteur est bidirectionnel en tension ou en courant. On distingue quatre caractéristiques statiques à 3 segments. Deux caractéristiques statiques pour les interrupteurs bidirectionnels en courant comme l indique la figure 1.15. Deux autres caractéristiques statiques pour les interrupteurs bidirectionnels en tension comme l indique la figure 1.16. Il faut noter que les interrupteurs possèdant des caractéristiques statiques à trois segments peuvent être synthétisés avec les interrupteurs ayant des caractéristiques statiques à deux segments, en les associants en série ou en parallèle.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 16 Fig. 1.15 Caractéristiques statiques à 3 segments bidirectionnels en courant. Fig. 1.16 Caractéristiques statiques à 3 segments bidirectionnels en tension. Interrupteurs à4segments L interrupteur est bidirectionnel en courant et en tension. Cette caractéristique statique est unique et est représentée sur la figure 1.17. De la même façon, un interrupteur possèdant une caractéristique statique à 4 segments peut être réalisé par association en série ou en parallèle de deux interrupteurs possèdant des caractéristiques statiques à 3 segments. 1.3.4 Régimedynamique/Modedecommutation La caractéristique statique courant/tension d un interrupteur est insuffisante pour décrire ses propriétés dynamiques. C est le passage de l état passant à l état bloqué ou inversement, ce qui correspond donc dans le plan I k (V k ) au passage du point de fonctionnement de l interrupteur d un demi-

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 17 Fig. 1.17 Caractéristiques statiques à 4 segments. axe à un demi-axe perpendiculaire. La trajectoire suivie par le point constitue la caractéristique dynamique de commutation de l interrupteur. Il est important de noter que cette caractéristique n est pas une propriété intrinsèque de l élément, contrairement à sa caractéristique statique, mais elle dépend des contraintes imposées par le circuit extérieur. Si l on néglige les phénomènes secondaires (accumulation de charges), l interrupteur étant un élément dissipatif, le trajet du point de fonctionnement ne peut se faire que dans les quadrants tels que V k I k positifs. Aussi bien pour l amorçage que pour le blocage, deux modes de changement d état (ou modes de commutation) des interrupteurs sont à distinguer : la commutation commandée et la commutation spontanée.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 18 Commutation commandée L interrupteur possède, en plus de ses deux électrodes principales, une électrode de commande sur laquelle il est possible d agir pour provoquer son changement d état de manière quasi-instantanée. Physiquement, cette électrode permet de modifier brusquement la structure interne de l élément et par suite faire passer sa résistance d une valeur très faible (état passant) à une valeur très élevée (état bloqué) ou inversement. La caractéristique dynamique devant correspondre à une variation continue de résistance, donc àunrapportv k /I k en permanence positif. On passe donc d un point de fonctionnement statique situé sur un demi-axe àun autre demi-axe à un autre point de fonctionnement situé sur le demi-axe perpendiculaire de même signe que le précédent tel que le montre la figure 1.18. Fig. 1.18 Commutation commandée d un interrupteur. Si les points de fonctionnement statique imposés par la séquence précédent la commutation et la séquence suivante se trouvent sur les deux demi-axes de mêmes signes, cette commutation ne peut être que commandée. On notera que la commutation commandée peut faire apparaître des contraintes sévères pour l élément. Elles dépendent de la caractéristique statique suivie. Si le temps de commutation est élevé, ainsi que la fréquence de répétition, les pertes Joule peuvent être importantes. Commutation spontanée Elle est identifiable dans son principe à celle d une simple jonction PN (Diode). Elle ne dépend que du circuit électrique extérieur : l élément commute naturellement lorsque le point de fonctionnement, se déplaçant sur la

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 19 caractéristique statique, passe par zéro. En simplifiant les phénomènes réels au voisinage du zéro, nous pouvons admettre qu il y a alors une brusque variation de la résistance de l élément et que le point de fonctionnement va continuer à se déplacer sur le demi-axe perpendiculaire et de signe contraire. Le blocage spontané s effectue au passage par zéro du courant I k (figure 1.19). Fig. 1.19 Blocage spontané d un interrupteur. L amorçage spontané s effectue au passage par zéro de la tension V k (figure 1.20). Fig. 1.20 Amorcage spontané d un interrupteur.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 20 Si les points de fonctionnement statique imposés par la séquence précédant la commutation et la séquence suivante se trouvent sur les deux demi-axes contraires, cette commutation ne peut être que spontanée. Ce mode de commutation s effectue avec un minimum de pertes Joule puisque le point de fonctionnement ne quitte pas les axes. Le cycle de fonctionnement Pour caractériser complètement un interrupteur, il faut donc connaître d une part sa caractéristique statique et d autre part ses modes de commutation à l amorçage et au blocage. Au cours d une période, le point de fonctionnement I k (V k ) de l interrupteur décrit un cycle. La figure 1.21 montre le cycle idéalisé d un interrupteur. Fig. 1.21 Le cycle d un interrupteur. 1.3.5 Classification des interrupteurs Les interrupteurs utilisés dans les convertisseurs statiques peuvent être classés en fonction de leurs caractéristiques statiques à deux, trois ou quatre segments et la nature de leurs commutations à l amorçage ou au blocage, commandée ou spontanée. On rappelle qu une commutation commadée ne peut se produire que dans les quadrants 1 et 3, alors qu une commutation spontanée ne peut se produire que dans les quadrants 2 et 4. Interrupteurs à2segments On distingue deux interrupteurs dont les caractéristiques statiques possèdent deux segments orthogonaux. Le premier de ces interrupteurs a la caractéristique statique de la figure 1.14c, et ses commutations d amorçage et de blocage sont spontanés (figure

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 21 1.22a). Le second de ces interrupteurs a la caractéristique statique de la figure 1.14a, et ses commutations d amorçage et de blocage sont commandés (figure 1.22b). Les deux autres cas sont aussi possibles. Fig. 1.22 Caractéristique dynamique d interrupteurs 2 segments. Interrupteurs à3segments Ces interrupteurs se répartissent en deux groupes suivant qu ils sont bidirectionnels en courant et unidirectionnels en tension (figure 1.23), ou bidirectionnels en tension et unidirectionnels en courant (figure 1.24). Les deux autres cas sont aussi possibles. Dans chacun de ces groupes, les interrupteurs ont la même caractéristique statique et ils ne diffèrent donc que par leurs modes de commutation. Il est important denoter qu uninterrupteurà trois segments qui possèderait ses deux commutations commandées ou ses deux commutations spontanées, n exploiterait jamais les trois segments de sa caractéristique statique. Dans ces conditions, un interrupteur à trois segments possède obligatoirement une commutation commandée et une commutation spontanée. Interrupteurs à4segments Tous les interrupteurs à 4 segments possèdent la même caractéristique statique, ils ne diffèrent que par les modes de commutation. Ces interrupteurs sont essentiellement utilisés dans les changeurs directs de fréquence, et sont pratiquement constitués de deux interrupteurs trois segments en série ou en parallèle.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 22 Fig. 1.23 Caractéristique dynamique d interrupteurs à 3 segments bidirectionnels en courant. Fig. 1.24 Caractéristique dynamique d interrupteurs à 3 segments bidirectionnels en tension. 1.4 Structures des convertisseurs 1.4.1 Convertisseur direct tension/courant La source d entrée est une source de tension, la source de sortie est une source de courant. Les différentes possibilités d interconnexion directes de ces deux sources doivent vérifier les 4 règles énoncées au chapitre 1.2.7. Par conséquent, nous savons que l on peut (figure 1.25) :

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 23 Relier dans un certain sens l entrée et la sortie (état a) ; Relier dans l autre sens l entrée et la sortie (état b) ; Les séparer en ouvrant la source de tension et en court-circuitant la source de courant (état c). Fig. 1.25 Possibilités d interconnexions d une source de tension et d une source de courant. On notera que ces trois interconnexions sont nécessaires pour permettre tous les échanges et les réglages d énergie entre la source de tension et la source de courant. Si l on veut réaliser ces trois états sans faire appel à une source à point milieu, la solution la plus simple consiste à faire appel àun montage en pont à quatre interrupteurs (figure 1.26). Fig. 1.26 Configuration de base d un convertisseur tension/courant. Si les interrupteurs K 1 et K 4 sont fermés, cela donne l état a. Si les interrupteurs K 2 et K 3 sont fermés, cela donne l état b. Si les interrupteurs K 1 et K 3 ou K 2 et K 4 sont fermés, cela donne l état c. Ce schéma sera donc la configuration de base de tous les convertisseurs directs tension/courant monophasés. En tenant compte des réversibilités des sources, on pourra le simplifier dans certains cas. De cette étude, on retiendra donc qu un convertisseur direct est un circuit électrique constitué uniquements d interrupteurs. Il est donc tout à fait in-

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 24 capable de stocker de l énergie, le transfert d énergie s effectue directement entre l entrée et la sortie. Si les pertes dans le convertisseur sont négligées, la puissance à l entrée est égale à chaque instant à la puissance àlasortie. 1.4.2 Convertisseur direct courant/tension C est fondamentalement le même problème que celui du convertisseur direct tension/courant puisque l on a fait aucune hypothèse sur le sens de transfert de l énergie. La configuration de base d un convertisseur statique direct courant/tension est celle donnée en figure 1.26. Fig. 1.27 Configuration de base d un convertisseur courant/tension. 1.4.3 Structure des convertisseurs indirects Les sources d entrée et de sortie sont de la même nature. Pour interconnecter deux sources de nature identique, il faudra faire appel àdeséléments d interconnexion supplémentaires ne consommant pas d énergie active. On pourra donc utiliser soit des condensateurs ou alors des inductances. Deux types de solution sont envisageables. Solutions permettant de se ramener à des convertisseurs directs 1. On modifie la nature de la source d entrée ou de la source de sortie. Pour réaliser la conversion directe tension/tension, on place une inductance en série soit avec la source d entrée, soit avec la source de sortie (figure 1.28). On se ramène alors à un convertisseur direct courant/tension ou tension/courant, l inductance L étant extérieure au convertisseur. Pour réaliser la conversion courant/courant, on place un condensateur en parallèle, soit sur la source d entrée, soit sur la source de sortie (figure

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 25 Fig. 1.28 Modification de la nature de la source d entrée ou de sortie pour un convertisseur tension/tension. 1.29). Ici aussi, on se ramène alors à un convertisseur direct tension/courant ou courant/tension, la capacité C étant extérieure au convertisseur. Fig. 1.29 Modification de la nature de la source d entrée ou de sortie pour un convertisseur courant/courant. On fait une conversion indirecte en deux étapes utilisant deux convertisseurs directs. Il n est pas toujours possible de modifier la nature d une source. Dans ce cas : pour réaliser une conversion tension/tension, on pourra utiliser deux convertisseurs directs avec une inductance comme étage tampon entre les deux (figure 1.30a) pour réaliser une conversion courant/courant, on pourra utiliser deux convertisseurs directs avec un condensateur comme étage tampon entre

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 26 les deux (figure 1.30b) Fig. 1.30 Utilisation d un étage tampon. 1.4.4 Convertisseur indirect tension/tension Dans ce convertisseur indirect, les deux sources de tension ne sont jamais connectées simultanément à l élément de stockage mais successivement : l inductance L stocke l énergie fournie par une source de tension (figure 1.31a) ; l inductance L restitue son énergie à l autre source, soit dans un sens (figure 1.31b), soit dans l autre sens (figure 1.31c). Pour réaliser ces différentes connexions, la solution la plus simple consiste à faire appel au montage en pont de la figure 1.32. Ce schéma sera la configuration de base des convertisseurs indirects tension/tension. Cette configuration pourra se simplifier en fonction des réversibilités des sources. 1.4.5 Convertisseur indirect courant/courant Dans ce convertisseur indirect, les deux sources de courant ne sont jamais connectées simultanément à l élément de stockage mais successivement : le condensateur C stocke l énergie fournie par une source de courant (figure 1.33a) ;

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 27 Fig. 1.31 Possibilités d interconnexions de deux sources de tension. Fig. 1.32 Structure d un convertisseur indirect tension/tension. le condensateur C restitue son énergie à l autre source, soit dans un sens (figure 1.33b), soit dans l autre sens (figure 1.33c). Pour réaliser ces différentes connexions, la solution la plus simple consiste à faire appel au montage en pont de la figure 1.34. Ce schéma sera la configuration de base des convertisseurs indirects courant/courant.

SYNTHÈSE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 28 Fig. 1.33 Possibilités d interconnexions de deux sources de courant. Fig. 1.34 Structure d un convertisseur indirect courant/courant. 1.5 Synthèse des convertisseurs statiques Pour faire la synthèse d un convertisseur statique, il faudra procéder comme suit : 1. Déterminer la nature des sources d entrée et des sources de sortie afin d en déduire la configuration de base correspondante. 2. Déduire du cahier des charges les réversibilités en tension et en courant des sources d entrée et de sortie.