Luc Lasne Électronique • puissance de Cours, étude de cas et exercices corrigés Luc Lasne est professeur agrégé à l'université de Bordeaux et ancien éleve de l'Ecole normale supérieure de Cachan 2e édition DU NOD Illustration de couverture: © Nenov Brothers -Fotolia.com © Dunod, Paris, 2011, 2015 ISBN 978-2-10-072399-7 .5 mP T. aromiguil'>TP, 7.50nc; Paris www.dunod.com le Code de Io propriété intelleciuelle n'outori5ant, OJX lefmes de t'onide l. 122·5, 2° et 3' ol, d'u,,. pan, que i., • - ou toprodudions ••ktement rikervêes 6 l'woge privé du cq:>is.te et non destinées ô unt utilitotion collective• et, d'autre pari, que tes onotyH• et '9s courtes crtotions dcms un but d'exemple et d'illustrotton, • touM repr6sentotîon ou rep*r oduction in~role ou portiet.le faite JOns 11 consentement de l'oulieVf ou de oyants droi1 ou oyants œus. est iftooite • (on. l. 122.4). Cen. fept',sentolion ou rltp(oduction, po1 quelque pr~ qu. ce $Olt, constiru. rait donc une contrefaçon tonctionnée par '9s or rides l. 33-5-2 et suivants du Code de Io P<ct><°"' ;ntellec:tvell.. PRÉFACE Avant d'acheter ou de lire un livre, Je lecteur aime bien faire défiler les pages entre ses doigts, respirer l'odeur de l'encre qui s'en échappe et prendre un premier contact avec son contenu. Le livre de Luc Lasne fera alors tout de suite apparaître son intention : fournir au lecteur quantité d'illustrations, de chrono grammes, de graphiques, de schémas, de fiches techniques, non seulement dans la partie cours, mais aussi dans la partie consacrée aux problèmes et à Jeurs solutions. Il n'a pas ménagé sa peine pour illustrer son propos. Son dessein est clair: attirer à la fois l 'œil etl 'esprit du futur lecteur vers une discipline qu'il affectionne. L'objectif est de faire découvrir la finalité de l'électronique de puissance, l'ensemble des conversions de l'énergie électrique et les moyens mis en œuvre pour les réaliser. D'entrée, Je lecteur va découvrir ce qu'est la« conversion de l'énergie électrique», la place qu'occupe l'électronique de puissance dans Je secteur industriel et dans nos activités quotidiennes. Il découvrira les bases et les notions fondamentales de la discipline, centrées sur la nécessité de travailler« en commutation» pour pouvoir atteindre de forts rendements et sur Je fait que certaines modalités dans Je transfert d'énergie électrique de la source vers Je récepteur sont alors à respecter. Luc Lasne met tout son talent de pédagogue pour nous faire découvrir les prin cipes et la synthèse des convertisseurs les plus usuel> à partir de Jeurs caractéris tiques, >ans s'embarrasser de phénomènes inessentiels dans un premier contact avec Je sujet. L'objectif affiché est de bien faire assimiler les bases, elles sont si impor tantes ! Ne nous leurrons pas, cette discipline est difficile mais quel bonheur pour l'étudiant, l'ingénieur, de pouvoir un jour en explorer tous les aspects : l'électro nique de commande, Je convertisseur, Je moteur (convertisseur rotatif) ou la charge, les asservissements associés, et même l'informatique permettant la programmation des stratégies de contrôle et de commutation. Ce sont alors toutes les disciplines de l'EEA qui seront réunies dans l'approche de ces systèmes. ~ Ce cours est abondamment illustré, aussi bien par des exemples concrets que par g des applications numériques. Le recours à des documentations techniques fait ll découvrir au lecteur les réalités du monde des compo>ants (rôle de la température, 1 des tensions inverses, des courants moyens ou de pointe tolérables ...) . Les données ~ numériques concernent généralement des convertisseurs ayant à transférer de petites f~ puissances, mais cela n'enlève rien à la généralité du propos. Et pour un premier contact, on reste à une échelle ... disons humaine. -e. N'oublions pas que l'électronique de puissance est née du besoin de redresser de -=/ forts courants, de commander des moteurs électriques, l'activité ayant été rnajoritai- ) rement industrielle ; les puissances converties pouvant dépasser plusieurs dizaines " de MW. Au fil du temps se sont développés les outils portatifs, l'électroménager, les V Préface dispositifs industriels basse énergie, nos chargeurs de téléphone portable ... et bien d'autres objets dont la liste serait difficile à énoncer ! Ceci a eu pour conséquence Je développement parallèle de convertisseurs de faible puissance qui ont envahi notre univers. Si dans ces systèmes les ordres de grandeur des puissances converties vont du Watt (ou même moins !) à quelques kW pour l' éloctroménager, les principes de conversion restent les mêmes que pour les fortes puissances et présentent J'avantage d'être« à portée de main » du lecteur qui s'y intéressera. L'emploi de ces convertisseurs est ainsi illustré par des problèmes rédigés à cet effet. Pour illustrer Je fonctionnement des redresseurs, l'étude d'un pont PD2 sur plusieurs types de charges classiques est présentée. Pour compléter et illustrer Je cours sur les hacheurs, ce sont plusieurs circuits qui sont explorés, du hacheur d'une perceuse à main à l'interface de commande d'un« bras de pont», sujet trop souvent délaissé mais qui a fait l'objet d'études spécifiques de la part des chercheurs, compte tenu de la situation particulière du transistor «du haut». Ainsi Je rôle du «Driver » est démystifié. Pour illustrer l'usage d'un onduleur, un modèle simplifié de chauf fage par induction est proposé. Un esprit curieux en comprendra aisément Je fonc tionnement. Cet ouvrage est à mettre entre les mains de tous ceux qui désirent avoir un large panorama de l'Électronique de Puissance. Il est vrai qu'un seul ouvrage ne suffirait pas pour cerner l'ensemble des problèmes rencontrés dans cette discipline, mais celui-ci permet d'acquérir une «vision » et aussi une certaine manière de raisonner permet1ant au lecteur de se plonger par la suite dans les ouvrages les plus spécialisés. Jean-Claude GIANDUZZO Enseignant-<:hercheur en Physique et Électronique de l'université de Bordeaux VI TABLE DES MATIÈRES Préface V Avant-propos XI Remerciements XIII lntrod uction XV Chapitre 1 • Généralités et notion de « convertisseur à découpage » 1.1 Notions de base et «découpage» 1.2 Classification des convertisseurs statiques 5 1.3 Généralités sur l'architecture des convertisseurs 6 Chapitre 2 • Bases théoriques et régimes électriques 13 2.1 lois de base et conventions des dipôles électriques 13 2.2 Récepteurs électriques linéaires 15 2.3 Régime continu et régimes variables 16 2.4 Valeurs caractéristiques des grandeurs périodiques 18 2.5 Régime sinusoïdal (AQ monophasé 19 2.6 Régime sinusoïdal (AQ triphasé 22 2. 7 Régimes déformés et harmoniques 23 Chapitre 3 • Présentation générale des circuits de l'élearonique de puissance 31 3 .1 Convertir l'alternatif en continu 31 3.2 Convertir l'alternatif en alternatif (à fréquence fixe) 35 3.3 Convertir le continu en continu (de valeur différente) 37 3.4 Convertir le continu en alternatif 38 ~ g Chapitre 4 • Diodes et conversion AC/OC non commandée 41 1ll 4.1 Présentation de la conversion AC/OC non commandée 41 4.2 le composant de base: la diode 42 ~ ~ 4.3 Redressement à diode simple (mono-alternance) 44 l 4.4 Redressement à diode double (double alternance) 48 4.5 Procédés de« lissage» ou de filtrage 52 .:! ' Chapitre S • Thyristors et conversion AC/OC commandée 57 ) 5.1 Présentation de la conversion AC/OC commandée 57 " VII Table des matières 5.2 Le composant commandé : le thyristor 58 5.3 Redressement commandé simple 62 5.4 Redressement commandé double 66 5.5 Transferts de puissance des montages redresseurs 71 Chapitre 6 • Triacs et conversion AC/AC directe 75 6.1 Présentation de la conversion AC/AC directe 75 6.2 Composant commandé bipolaire en courant: le TRIAC 76 6.3 Conversion AC/AC directe: le gradateur 79 6.4 Conversion AC/AC indirecte 88 Chapitre 7 • Transistors de puissance et conversion OC/OC 89 7 .1 Présentation de la conversion OC/OC 89 7.2 Composants commandés à l'amorçage et au blocage 93 7 .3 Montages hacheurs non isolés non réversibles 97 7.4 Montages hacheurs isolés 111 7.5 Montages hacheurs réversibles 117 Chapitre 8 • Conversion OC/AC 123 8.1 Présentation de la conversion OC/AC 123 8.2 Principes et structures de base des onduleurs 123 8.3 Stratégie de commande« PWM »des onduleurs 138 Chapitre 9 • Principes de synthèse des convertisseurs statiques 145 9.1 Notions importantes sur l'architecture des convertisseurs 145 9.2 Principes généraux de la synthèse des convertisseurs 1 50 9.3 Exemple: synthèse complète d'un convertisseur OC/OC 10 W 153 Chapitre 1 O • Pertes et évacuation thermique liées aux composants de puissance 161 10.1 Généralités sur les pertes dans les composants de puissance 161 10.2 Expressions particulières des pertes liées aux composants 165 10.3 Notions de thermique générale 1 73 10.4 Di«ipotinn thPrmiquP don< IP< r.nmpn<ont< dP pul«onr.P 1 78 Chapitre 11 • Circuits intégrés de puissance et régulateurs intégrés 183 11 .1 Redresseurs intégrés 1 83 11 .2 Ponts complets intégrés, applications et particularités 184 11 .3 Régulateurs OC intégrés polyvalents 189 Chapitre 12 • Problème : Redresseur P02 sur différents types de charges 1 99 12.1 Présentation du circuit 200 12.2 Redresseur sur charge résistive 200 VIII Table des matières 12.3 Redresseur sur charge inductive 201 12.4 Redresseur sur charge capacitive 202 12 .5 Redresseur à sortie filtrée 202 12.6 Redresseur sur charge active 203 12.7 Correction : Redresseur sur charge résistive 203 12.8 Correction : Redresseur sur charge inductive 207 12.9 Correction : Redresseur sur charge capacitive 210 12.1 OCorrection : Redresseur à sortie filtrée 213 12.1 lCorrection: Redresseur sur charge active 214 Chapitre 13 • Problème : Hacheur BUCK pour motel.I' de perceuse-visseuse 217 13 .1 Présentation du circuit 217 13.2 Questions préalables 219 13.3 Exploitation des mesures 220 13.4 Calcul des pertes et de l'autonomie 221 13.5 Architecture du convertisseur 222 n .n CorrPr.tion : C)uP<tinn< prf.alahlf>< 222 13.7 Correction : Exploitation des mesures 226 13.8 Correction : Calcul des pertes et de l'autonomie 228 13.9 Correction : Architecture du convertisseur 229 Chapitre 14 • Problème : Petit hacheur BOOST régulé en tension 233 14.1 Présentation du circuit 234 14.2 le hacheur B005T 235 14.3 Étude de la conduction interrompue 236 14.4 Analyse de la commande et de la régulation de tension 236 14.5 Étude des commutateurs et des pertes 238 14.6 Correction : le hacheur BOOST 238 14.7 Correction : Étude de la conduction interrompue 243 14.8 Correction : Analyse de la commande et de la régulation de tension 246 14.9 Correction : Étude des commutateurs et des pertes 248 ~ g Chapitre 1 5 · Problème: Hacheur réversible et problématique ll 1 de commande de grille 251 15.1 Hacheur réversible en courant 252 ~ ~ 15.2 Problématique de commande du bras de pont 253 l 15.3 Commande de type« BOOTSTRAP » 255 15 .4 Driver « opto·isolé » à alimentation flottante 256 .:! 15.5 Correction : Hacheur réversible en courant 258 ' ) 15.6 Correction : Problématique de commande du bras de pont 261 " IX Table des matières 1 5.7 Correction : Commande de type « BOOTSTRAP » 263 1 5.8 Correction : Driver« opto·isolé »à alimentation flottante 265 Chapitre 16 • Problème : Onduleur monophasé à commande décalée pour chauffage par induction 269 16.1 Étude de la commande décalée 270 16.2 Bobine de chauffage par induction 271 16.3 Étude des commutateurs et du rendement 273 16.4 Onduleur à résonance et variation de puissance 273 16.5 Correction : Étude de la commande décalée 275 16.6 Correction : Bobine de chauffage par induction 279 16.7 Correction : Étude des commutateurs et du rendement 281 16.8 Correction : Onduleur à résonance et variation de puissance 282 Chapitre 17 • Problème: Convertisseur SEPIC 12V / lA intégré 285 17 .1 Étude de la structure SEPIC 286 1 7.2 Étude d'une réalisation pratique intégrée 288 17 .3 Correction : Étude de la structure SEPIC 297 17.4 Correction: Étude d'une réalisation pratique intégrée 301 Bibliographie et liens 309 Index 311 X AVANT-PROPOS L'électronique de puissance est une science appliquée qui traite de la« conversion statique de l'énergie électrique». Elle représente une« branche» de l'électronique qui regroupe l'ensemble des technologies permettant d'opérer des «changements de forme » sur les courants et les tensions porteurs d'énergie électrique. Actuellement, Je parc technologique associé à cette matière est très vaste et il est important de noter que les circuits correspondants sont présents dans la quasi-totalité des appareils élec triques domestiques et industriels. Pourtant, il n'existe qu'un nombre relativement réduit de structures permettant de réaliser l'ensemble des conversions et un procédé particulier, appelé« découpage», fédère même aujourd'hui Jeurs fonctionnements. Il est donc possible d'aborder cette matière de façon très structurée, en assimilant au départ les principes et notions de base qui permettent, par la suite, d'étudier et de comprenclre l'intégralité cle.< circuit< ~horclé.<. Cet ouvrage a ainsi été conçu pour proposer aux étudiants, aux élèves ingénieurs, ou à toute personne intéressée par cette matière, une approche organisée, progressive et un peu «inédite». La particularité de ce livre réside en effet dans la place impor tante faite à l'étude de circuits etd 'applications réelles. En parallèle avec les chapitres dédiés au cours brut, Je chapitre 3 propose une découverte synthétique et illustrée des circuits classiques de conversion. Les cluipitres 12 à 17 sont constitués d'études de cas illustrantetcomplétantles structures de conversions étudiées etleurs commandes. Cette seconde édition a été l'occasion de rajouter deux chapitres très« concrets» : Je chapitre 11 présente de façon technologique les circuits intégrés de puissance qui sont aujourd'hui d'une importance croissante dans les circuits électriques de petites et moyennes puissances, et Je cluipitre 17 illustre ce propos à travers une étude de cas complète s'intéressant à la version intégrée du hacheur SEPIC. Chacune de ces études de cas est présentée sous la forme d'un problème corrigé, que Je lecteur pourra traiter en tant que préparation à un examen, ou simplement ~ parcourir pour découvrir Je fonctionnement du circuit traité, les grandeurs étant g exposées sous la forme d'oscillogrammes, de mesures et de documentation réels. ll C'est donc en regroupant un cours conventionnel, des synthèses pédagogiques, 1 des développements expérimentaux et des études de cas rédigés sous forme de ~ problèmes corrigés que cet ouvrage propose de découvrir, de façon assez complète, J~ l'électronique de puissance. Ce cours s'adresse de façon très générale aux étudiants des« sciences de l'ingé -e. nieur » et plus généralement des sciences physiques. À ce titre, il convient aux J-=/ formations de type IUT, BTS, aux cycles universitaires Licence et Masters, ainsi qu'aux écoles d'ingénieurs de formation généraliste ou spécialisée, mais aussi aux " préparations aux concours de l'enseignement CAPET, CAPES et Agrégation. XI