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Cours BTS électrotechnique : Hacheur parallèle. ... On utilise un convertisseur boost lorsqu'on désire augmenter la tension disponible d'une source continue.


un extrait du document

CONVERTISSEURS CONTINU - CONTINU :
HACHEURS et ALIMENTATIONS A DECOUPAGES

II. LE HACHEUR PARALLELE (survolteur)


Introduction

Définition
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Applications
On utilise un convertisseur boost lorsqu'on désire augmenter la tension disponible d'une source continue. Les systèmes alimentés par batterie d'accumulateurs utilisent souvent plusieurs accumulateurs en série afin de disposer d'un niveau de tension suffisamment élevé. La place disponible étant souvent limitée, il n'est pas toujours possible de disposer d'un nombre suffisant d'éléments. Un convertisseur boost permet d'augmenter la tension fournie par les batteries et ainsi diminuer le nombre d'éléments nécessaires pour atteindre le niveau de tension désiré. Les véhicules hybrides ainsi que les systèmes d'éclairage sont deux exemples typiques d'utilisation des convertisseurs boost.

Les convertisseurs boost sont utilisés dans des applications de faible puissance comme les systèmes d'éclairage portatifs. Une diode électroluminescente blanche nécessite une tension de 2,7 V à 3,6 V environ pour fonctionner, un convertisseur boost permet d'augmenter la tension fournie par une pile de 1,5 V afin de réaliser une lampe torche faible consommation.
Les convertisseurs boost peuvent aussi délivrer des tensions bien plus élevées afin d'alimenter les tubes à cathode froide présents dans le rétro-éclairage des écrans à cristaux liquides ou les flash des appareils photo par exemple.
Une automobile hybride comme la Toyota Prius utilise un moteur électrique, nécessitant une tension de 500 V. Sans convertisseur boost, cette automobile devrait embarquer 417 éléments d'accumulateurs NiMH connectés en série pour alimenter ce moteur. Cependant, la Prius n'utilise que 168 éléments ainsi qu'un convertisseur boost afin de passer la tension disponible de 202 à 500V. Un autre convertisseur se charge de la variation de vitesse du moteur.
(Source : Wikipedia)


Fonctionnement du hacheur parallèle

Schéma du montage











E est une source de tension continue idéale.
K est un interrupteur _________________ à ______________ et à la ______________, soit par exemple un ________________________. Il est ____________________ en courant.
La charge voit sa tension lissée par le _________________________.
Le courant dans la charge est nommé iCh ; le courant délivré par la source de tension est nommé iS.
L’inductance L permet le lissage du _________________________.
Le hacheur est constitué de deux interrupteurs électroniques, K et la diode D, de l’inductance L, du condensateur C ainsi que du circuit de commande de K et d’un éventuel circuit de stabilisation (ces deux derniers éléments étant non représentés sur le circuit et non étudiés dans ce chapitre).


Analyse du fonctionnement
On se limitera à l’étude du cas de la ________________________.
L’interrupteur K est commandé _____________________ avec une période de modulation T.
Sur cette période, on appelle ___ la durée de fermeture et ___ la durée d ouverture.
On a évidemment : T = ___________
On appelle rapport cyclique la grandeur ± = ___; toujours compris entre __ et __ (la valeur 1 étant interdite).
En première approximation, on suppose que la tension aux bornes de la charge, uCh, est idéalement ____________ par le _____________________ C.

Phases de fonctionnement :
Séquence 1 :
A l’instant t = 0, on ___________ le transistor K. La diode D est _________, donc le transistor conduit seul : uK = __ (hypothèse d’un interrupteur parfait).
On obtient le schéma équivalent suivant :
 SHAPE \* MERGEFORMAT 
La loi des mailles implique uL = ________________

Donc : uL =

Le courant iS augmente :



La loi des mailles implique uD = ce qui confirme que la diode est ____________ tant que le transistor est passant.
Pour l’inductance, les grandeurs électriques sont telles que :
 SHAPE \* MERGEFORMAT 
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

On remarque immédiatement que cette phase de fonctionnement interdit au rapport cyclique de prendre la valeur __, sinon, le courant de source croîtrait de manière ___________.

Séquence de commutation :
A l’instant t = tf, la commande impose le _____________ du transistor K. Le courant dans l’inductance est alors maximal : iS(tf) = _______
Le blocage du transistor implique l’interruption brutale du courant dans l’inductance aux bornes de laquelle apparaît un _______________ telle que : uL =

Dès que uD = la diode s’_______________ et le courant _______________ du transistor vers la diode.
A la fin de la séquence de commutation, la diode ____________________ et iD(tf) = _____

Séquence 2 :
A l’instant t = tf, la diode conduit seule et iS(tf) = ISmax
uD = ___ (hypothèse d’un interrupteur parfait).
On obtient le schéma équivalent suivant :
 SHAPE \* MERGEFORMAT 
La loi des mailles implique uL = _________________

Donc : uL =

Le courant iS diminue :




Pour l’inductance, les grandeurs électriques sont telles que :
 SHAPE \* MERGEFORMAT 
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Remarques :
La valeur du courant en fin de séquence 2 est minimale : iS(0) = ______
Lors de la séquence 2, l’inductance doit ____________ l’énergie stockée lors de la séquence 1. Ceci implique que la tension à ses bornes est nécessairement ____________ lors de cette séquence : donc , il s’agit bien d’un hacheur _____________.

Séquence de commutation :
A l’instant t = T, on _____________ le transistor K alors que iS(T) = _______
La diode D et le transistor K sont ___________ ensemble, cela provoque un _____________ du condensateur de sortie :

 SHAPE \* MERGEFORMAT 

Lorsque iD = __, la diode se __________, le transistor conduit ____, on retrouve alors la séquence 1.
Observation des oscillogrammes :


Etat de la commande


Schémas équivalents



Tension aux bornes de l’inductance




Courant de source et courant traversant l’inductance


Tension aux bornes de la charge





Tension aux bornes du transistor




Courant dans le transistor



Tension aux bornes de la diode



Courant dans la diode




Etat des interrupteurs électroniques




Valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge
La valeur moyenne de la tension aux bornes de l’inductance doit être _________. Cette tension à la forme d’onde suivante.

Le calcul de la valeur moyenne de uL(t) implique d’introduire A+ l’aire de la partie positive et A- l’aire de la partie négative :

=
= 0 => -
Soit :




D’où l’expression de la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge:



Comme ________ , on retrouve que _____________ : le hacheur est bien __________________.


Ondulation de courant dans l’inductance
La tension aux bornes de l’inductance vérifie la relation suivante :

Si l’on suppose le courant de forme triangulaire alors cette relation devient :

Pendant le temps de fermeture, tf du transistor :

Donc l ondulation du courant, ”iS = vérifie la relation suivante :


On remarque évidemment que plus l inductance est grande, plus l ondulation du courant est ______.


Ondulation de tension dans la charge
La tension aux bornes de la charge est égale à la tension aux bornes du condensateur :
Pour le condensateur, on a les relations caractéristiques suivantes :


La deuxième relation implique que, si uC est périodique, =
Or, par la loi des nœuds, on a : iD = et =
On en déduit que :
Pendant le temps de fermeture, tf du transistor : iC = iCh
D’où l’expression de l’ondulation de tension dans la charge :


On obtient évidemment que l’ondulation de la tension aux bornes de la charge est d’autant plus faible que la capacité du condensateur est _____________.


Transformateur de tension continue-continue
Les hacheurs permettent de transformer une source de tension continue en une source de tension continue de valeur différente. A ce titre, on peut considérer qu’il s’agit de _____________________ ________________________. Le hacheur série est transformateur de tension continue-continue ____________ et le hacheur parallèle est transformateur de tension continue-continue ________________.


Alimentation à découpage flyback
Schéma du montage
Pour transformer le hacheur précédent en alimentation à découpage, il est nécessaire d’insérer une ___________________________ entre l’interrupteur et le filtre de sortie. Nous allons remplacer l’inductance par deux inductances couplées, bobinées sur le même noyau. On obtient alors le schéma ci-dessous. La magnétisation de l’inductance est réalisée par _________________, alors que la démagnétisation est réalisée par _______________________.
Dans une alimentation à découpage, la tension secteur est tout d’abord redressée et filtrée, puis hachée à fréquence élevée (quelques dizaines à quelques centaines de kilohertz). Cette tension hachée traverse le primaire d’un transformateur HF (____________________________) dont le secondaire fournit après redressement et filtrage la tension continue demandée.
Comme le transformateur fonctionne en _____________________, cela permet de réduire son dimensionnement comme le montre la relation de Boucherot : U1 = ____________________. L’augmentation de la fréquence de fonctionnement permet de réduire la ____________ du circuit magnétique et donc la taille du transformateur.

 SHAPE \* MERGEFORMAT 
A noter que, comme pour le hacheur, la partie commande de l’interrupteur K (un transistor généralement) n’est pas représentée sur le schéma ; pas plus que la partie régulation de tension qui consiste en un asservissement de la valeur de la tension de sortie.

N1 et N2 sont les nombres de spires respectivement du primaire et du secondaire du transformateur.

L1 et L2 sont les inductances respectivement du primaire et du secondaire du transformateur.

La source E est généralement fournie par le réseau via un circuit _______________.


Comparaison Alimentation linéaire - Alimentation à découpage
ParamètreAlimentation
linéaireAlimentation
à découpagePuissance fournie100 W100 WRendement39 %82 %Puissance consommée
sur le secteur
256 W
122 WPuissance dissipée
dans l’alimentation
156 W
22 WTemps de maintien en cas
de coupure secteur
2 ms
30 msTension résiduelle
crête-à-crête
5 mV
150 mVVolume2.4 dm31 dm3Masse4 kg0.8 kgGénération de perturbations
électromagnétiques
quasi-nulle
élevée
Avantages de l’alimentation à découpage :
_________________________________________________________________.
_________________.
__________.

Inconvénients de l’alimentation à découpage :
_____________________________________.
L’énergie étant stockée dans l’inductance couplée et dans le condensateur de sortie, ceux-ci deviennent encombrants pour des puissances supérieures à 200 W, et l alimentation Flyback devient alors moins intéressante.


Analyse du fonctionnement
Le transistor est commandé périodiquement avec un période T :
Pour 0 d" t *CJOJQJ\hù¿5>*CJOJQJ\h±R†5>*CJOJQJ\h±R†OJQJhù¿OJQJh±R†CJOJQJh²M"CJOJQJh²M"h±R†CJaJz{| ¡³´µ¶·¸¹º»¼½¾ë”×;z¡¢£½÷õçõÝØØØØØØØØØØØØØØØØØõõÝ$a$

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L’inductance couplée stocke de l'énergie tant que l'interrupteur est fermé, puis ____________ cette énergie par le secondaire quand l'interrupteur est ouvert.

Formes d’ondes :
On déduit de ce qui précède les formes d’onde suivantes :

Commande de l’interrupteur



Tension aux bornes du primaire du transformateur.





Courants primaire et secondaire du transformateur.






Calcul de la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge :
La valeur moyenne de la tension aux bornes du primaire (inductance pure) doit être _______ :
= ___ =>
Soit :





Quelques ressources web :

Les alimentations à découpage : http://sitelec.free.fr/cours/decoupage.pdf
Fonctionnement de l’alimentation d’un ordinateur : http://www.cooling-masters.com/articles-36-0.html








Cours BTS électrotechnique : Hacheur parallèle.

 PAGE 10
http://physique.vije.net/BTS/index2.php?page=hacheur_p


-

-


































uCh(t)

iS(t)

uL(t)

iS

uCh

uD

uK = 0

uL

E

C

Charge

H

+

t

+

K

 EMBED Designer.Drawing.8 

iC

iD = 0

iCh

iK

+

+

iC

iD = iS

iCh

iK = 0

iS

uCh

uD = 0

uK

uL

E

C

Charge

iS(t)

iCh

iK

uL(t)

t

0

iS

ISmax

E - uCh

t

t

0

0

ISmin

iC

iD

E

uL(t)

H

D

iS(t)







0

iS(0)

E

-

-

 EMBED Designer.Drawing.8 

+














i2(t)


K
Ouvert

K
Ouvert

K Fermé

K Fermé





að.ðT

að.ðT

2T


T

T

0

0



t (s)

t (s)


i1(t)

u1(t)

N2

N1

 EMBED Designer.Drawing.8 

 EMBED Designer.Drawing.8 

-

-

+

+

iC

u2

iCh

i1

i2

uCh

uD

uK

u1

E

C

Charge

AD

-

D


K



-



-

E

tf = að.ðT

+

T


iD(t)

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