Hacheurs 07/04/2002  André BONNET 
Liste des cours

Les hacheurs sont des convertisseurs d'énergie qui font transiter l'énergie électrique d'une source continue vers une autre source continue. Nombreuses sont les applications pour la commande des machines à courant continu et les alimentations à découpage

 1- Hacheur série 

 Hypothèses 

schéma

K est commandé en commutation à la période T avec un rapport cyclique alpha
Le rapport cyclique est défini comme alpha = (temps de conduction) / T


 Équations du circuit 

V = E + L.di/dt
Ua = v + vk Ia = i - id


 Formes d'ondes en conduction continue 


ondes


 Justification des tracés 


 Observations 


 Formes d'ondes en conduction discontinue 

ondes


 Justification des tracés 


 Observations 



 2- Hacheur deux quadrants 

2 quadrants

 Hypothèses 

K1 et K2 sont commandés simultanément avec le même état à la période T et un rapport cyclique alpha


 Équations du circuit 

V = E + L.di/dt
Ua = vd1 + vk2 = vk1 + vd2
V = vd1 - vk1 = vd2 - vk2
Ia = ik1 - id1 = -id2 + ik2


 Formes d'ondes en conduction continue 

ondes


 Justification des tracés 


 Observations 


 Formes d'ondes en conduction discontinue 

ondes

 Justification des tracés 


 Observations 

observations



 3- Hacheur quatre quadrants 

4 quadrants

Pour obtenir une réversibilité quatre quadrants, il suffit d'associer tête bêche deux hacheurs réversibles deux quadrants (K1, K2, D1, D2) et (K3, K4, D3, D4)

Deux stratégies de commande sont utilisées.


 1° stratégie de commande 


Tous les interrupteurs sont commandés de la même manière quelque soit le quadrant de fonctionnement

K1 et K2 sont commandés à la fermeture de 0 à alphaT alors que K3 et K4 sont ouverts
K3 et K4 sont commandés à la fermeture de alphaT à T alors que K1 et K2 sont ouverts
C'est le sens du courant i qui détermine les composants actifs. Par exemple si K3 est commandé à la fermeture avec i > 0, c'est D1 qui conduira. Mais si K3 est commandé à la fermeture avec i < 0, c'est K3 qui sera traversé par le courant i

 Exemples d'états des composants en fonction du sens de courant i 

états

 Remarques 
alphaT correspond au temps de conduction de K1 et K2, au temps de blocage de K3 et K4
Comme les formes d'ondes sont identiques à celles du hacheur deux quadrants, la tension <v> est de même expression :
<v> = Ua.(2alpha -1)
Quelque soit le quadrant, le hacheur contrôle la tension et le courant dans la charge


 2° stratégie de commande 


K1 fonctionne à la fréquence de hachage alors que K2 et fermé en permanence si on souhaite une tension moyenne positive en sortie (K3 et K4 sont bloqués)
K3 fonctionne à la fréquence de hachage alors que K4 et fermé en permanence si on souhaite une tension moyenne négative en sortie (K1 et K2 sont bloqués)

commande

alphaT correspond au temps de conduction de K1 pour <v> >0 
et au temps de conduction de K3 pour <v> <0 
Alors <v> = alpha Ua si K2 =1 et <v> = -alphaUa si K4 = 1

commande


 Remarque 


 4- Technologie des interrupteurs 


 Diodes 

 Temps de recouvrement d'une diode à jonction 

Quand une diode est passante des charges électriques s'accumulent au niveau de la jonction. La quantité de charges ainsi stockée est fonction de la taille du composant et du courant qui le traverse
Pour passer de l'état passant à l'état bloqué il faut évacuer les charges stockées pendant la conduction. Le temps nécessaire pour éliminer les charges stockées s'appelle le temps de recouvrement de la diode

Exemple d'évolution du courant et de la tension aux bornes d'une diode pendant une commutation :

u/i

Le courant inverse pendant la phase de recouvrement tr dépend du circuit extérieur


 Différentes diodes 

Les diodes de puissance sont classées en fonction de leur temps de recouvrement


 Observations 

Dans un hacheur série en conduction continue, à la fermeture du transistor, c'est le courant maximum en régime linéaire du transistor qui correspond au courant de recouvrement inverse de la diode. Ce courant peut être dix fois plus grand que le courant dans la charge
Ce phénomène produit des pertes en commutation dans le transistor qui est en court-circuit sur la source et crée des perturbations électromagnétiques


 Ordre de grandeur des paramètres 

Type de diode Tension inverse maxi (V) Tension de seuil (V) Courant direct maxi (A) Tr (ns)
Standard 2000 1 2000 100 000
Rapide 2000 1,5 2000 1000
Ultra rapide 1500 2,5 1000 100
Schottcky 100 0,5 300 25

 

 Transistors bipolaires 

Les transistors bipolaires utilisent deux jonctions PN. La jonction base émetteur est en direct quand le transistor conduit. Les particularités du recouvrement des diodes est aussi présent avec le transistor bipolaire

bipolaire

 Temps de commutation 

Exemple de formes d'onde dans le cas d'un hacheur série si la diode de roue libre commute instantanément :

commutation 

Par le courant de base, il faut apporter des charges électriques à la jonction base émetteur pendant le temps de stockage ts pour que le courant de collecteur apparaisse
La croissance de ic n'est pas immédiate, il faut tr
Il faut un courant de base négatif pour que les charges accumulées dans la jonction base émetteur disparaissent (durée td) et que le courant de collecteur commence à décroître
La décroissance de ic n'est pas immédiate, il faut tf
Pertes en commutation dans le transistor  Pc = Ua.I0.(tr +tf)/(2.T)
Le temps de stockage et de déstockage td n'ont pas d'effet sur les pertes en commutation mais il limite la fréquence maximale du découpage

Exemple de formes d'onde dans le cas d'un hacheur série si la diode de roue libre commute avec un temps de recouvrement inverse tri :

ondes

A la mise en conduction du transistor et pendant le temps de recouvrement inverse tri de la diode, le transistor est traversé par une forte pointe de courant de collecteur. Les pertes à la fermeture sont d'autant plus faibles que la diode est rapide


 Ordre de grandeur 

Vce de 30v (et beta = 100) à 1500V (et beta = 3) 
Ic de 0,5 à 1000A


 Transistor MOSFET 

Le transistor MOSFET a l'avantage d'une commande relativement simple qui nécessite peu de puissance

mosfet

A la fabrication une diode entre drain et source est aussi intégrée. Cette diode est généralement une diode rapide. Cette diode peut servir dans une structure en pont par exemple
Pour faire commuter le transistor il faut faire varier vgs de 12V à 0V et inversement
Le composant est très rapide tr ~ tf ~ 50ns


Exemple de formes d'ondes dans un hacheur série (avec diode de roue libre parfaite)

ondes

Entre grille et source le transistor se comporte comme un condensateur (Cgs ~ 1nF) qu'il faut charger et décharger à chaque commutation. Les pointes du courant ig doivent être de l'ordre de l'ampère
Les faibles temps de commutation tr et tf permettent de réduire les pertes en commutation ou d'augmenter la fréquence du découpage
Il existe des MOSFETs qui se commandent en 0 / 5V pour éviter une alimentation 12V


 Ordre de grandeur des paramètres 

Vds maxi (V) 50 100 500 1200
Id maxi (A) 500 100 30 5

 

 Transistors IGBT 

Le transistor IGBT combine vu de la grille une entrée de MOSFET avec sa commande en tension relativement simple et vu entre collecteur et émetteur les propriétés du transistor bipolaire aux puissances élevées

igbt

En conduction le seuil est plutôt élevé, Vcesat ~ 1,5V pour les moins rapides et Vcesat ~ 3V pour les ultra rapides
Les temps de commutation sont assez élevés et limitent l'application des IGBT aux fréquences de découpage de l'ordre de 20kHz

Exemple de formes d'ondes dans un hacheur série (avec diode de roue libre parfaite) :

ondes

Le transistor IGBT est particulièrement pénalisé en commutation par un traînage au blocage. Td est environ de 2 à 5µs


 Ordre de grandeur 

Vcemaxi de 400V à 1500V
Ic de 5A à 1000A


 Thyristors 

La mise en oeuvre du thyristor dans les hacheurs est très délicate car l'annulation du courant dans les interrupteurs lors du  blocage n'est pas naturelle. Cependant aux très fortes puissances, le thyristor est irremplaçable. Par composant on peut commuter 2000A sous 2500V ! Exemple d'application : traction électrique. Il faut associer au thyristor un circuit auxiliaire comprenant plusieurs thyristors additionnels, inductances et condensateurs pour parvenir au blocage du composant principal

Exercices

  W3C W3C W3C