Présentation
Auteur(s)
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François BERNOT : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Docteur en sciences pour l’ingénieur - Professeur des universités à l’école d’Ingénieurs de Tours
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Lire l’articleINTRODUCTION
Il faut comprendre les notions présentées dans cette introduction générale comme un guide de conception, auquel il faudra se référer régulièrement dans le traitement de tout projet. Il synthétise l’essentiel des règles usuelles, qui seront présentées dans cette rubrique « électronique de puissance », et, surtout, il permet de distinguer l’accessoire de l’essentiel. Le lecteur expérimenté y trouvera, par conséquent, le recul qu’il attend, tandis que le débutant devra s’y référer régulièrement, pour prendre de la hauteur par rapport aux notions qu’il apprend.
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La rubrique « électronique de puissance » est composée de deux parties distinctes.
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La première partie présente les éléments nécessaires à la compréhension des grandes fonctions de l’électronique de puissance. Elle n’a pas vocation d’être exhaustive, mais plutôt de répondre concrètement aux questions que se pose un utilisateur ou un concepteur, à partir d’un problème réel. Un article complet est réservé aux composants semi-conducteurs électroniques de puissance, dont les performances sont souvent décisives dans les choix structurels. Un autre article est consacré aux perspectives d’avenir dans le domaine, sous un aspect essentiellement scientifique.
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La deuxième partie détaille une succession d’applications concrètes, qui reflètent l’essentiel des problèmes rencontrés aujourd’hui. Elle s’appuie sur les éléments de cours précédents, pour aller plus loin dans l’analyse (sécurités, asservissements...). Elle détaillera souvent le fonctionnement des charges alimentées (voiture, batterie...), afin de bien saisir les raisons des choix techno-logiques.
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Cet article introductif est composé de deux paragraphes.
Le premier introduit la thématique de la conversion de puissance à découpage, en s’appuyant sur une analogie hydraulique. Puis, il pose le problème sous son angle général, en présentant les diagrammes de flux d’énergie et en dressant un inventaire des structures de conversion de puissance.
Le deuxième présente la théorie générale du découpage, avec les cellules de commutation. Puis, il dresse l’inventaire des montages existants, en abordant leur protection.
le lecteur pourra se reporter aux références bibliographiques [1] à [11].
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- Version courante de janv. 2020 par Bruno ALLARD
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1. Principes généraux de la conversion de puissance à découpage
La problématique du découpage se retrouve chaque fois qu’un fluide est véhiculé dans une canalisation ou qu’une régulation simple doit être mise en œuvre. L’hydraulique, le pneumatique, le chauffage... utilisent, par exemple, ces notions de façon naturelle depuis très longtemps. La spécificité de l’électronique de puissance provient des fréquences de découpage élevées utilisées et de la grande compacité des équipements. Pour arriver à comprendre le fonctionnement de ces structures, il est important de s’appuyer sur des notions plus générales, comme l’analogie hydraulique ou les diagrammes de flux d’énergie, que nous allons présenter.
1.1 Comparaison entre les modes de contrôle proportionnel et à découpage
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Le domaine de l’électronique de puissance commence là où se termine celui de l’amplification analogique. Cette dernière technique consiste à contrôler le transfert de la puissance dans un dispositif, en agissant sur la résistance équivalente des vannes électroniques. Lorsque le débit doit être changé, l’ouverture de ces « clapets » est ajustée à la valeur adéquate. Au contraire, dans un convertisseur à découpage, les interrupteurs sont commutés régulièrement, depuis des états passants vers des états bloqués. Le contrôle du flux énergétique, par les rapports de conduction de ces interrupteurs, se fait alors théoriquement sans perte. La souplesse d’utilisation peut être similaire dans les deux cas. Précisons, pour la technique à découpage, la limitation de la bande passante en deçà de la moitié de la fréquence de commutation, en application du théorème de Shannon.
Il est possible d’effectuer une analogie hydraulique entre ces deux principes : régulation proportionnelle et commande par découpage. La figure 1 illustre cette comparaison à l’aide d’une baignoire percée. Nous pouvons y comparer l’action des deux robinets, analogique et à découpage. Le débit de celui de gauche (analogique) est réglé par une action progressive sur la manette, tandis que celui de droite (à découpage) est ajusté en ouvrant puis en fermant complètement la vanne, de façon régulière.
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Les pertes de charge...
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