Électronique de puissance

Objectifs de formation

Ce tutoriel s’adresse aux étudiants qui assembleront plus tard des modules d’électronique de puissance prêts à l’emploi pour réaliser des installations. Vous ne développez pas de nouveaux modules et n’optimisez pas les modules. Vous êtes capable de choisir des modules adaptés aux installations. Vous connectez et dimensionnez des modules en tenant compte du rendement et des coûts. Vous trouvez les défauts dans les installations et identifiez, en cas de panne, l’endroit où se situe le défaut.

Les composants de l’électronique de puissance ne sont traités que superficiellement. Leur comportement est expliqué, mais il n’est pas déduit de la physique. On n’explique pas, par exemple, pourquoi une bobine présente un champ et par quelles mesures à l’intérieur de la bobine ce champ peut être réduit. On examine en revanche comment agissent les champs et en particulier comment fonctionne le couplage magnétique, afin de pouvoir prendre des mesures de CEM dans l’installation.

Vous connaissez les montages de base de l’électronique de puissance et savez à quel endroit d’une installation vous avez besoin de quel montage.

À la fin du tutoriel, vous savez calculer les pertes des composants d’électronique de puissance. Vous ne considérez pas seulement les composants isolés, mais leur interaction en tant que système global. Vous savez déterminer des rendements. Vous avez une idée des coûts. À l’aide de ces paramètres, vous pouvez évaluer et optimiser des solutions. Vous connaissez des montages de base de convertisseurs de puissance tels que les onduleurs et les hacheurs élévateurs.

Le tutoriel se concentre sur une classe de puissance faible à moyenne, inférieure à 1 MW. Vous travaillerez plus tard dans des entreprises qui développent ou installent des produits de la transition énergétique pour les ménages, comme les voitures électriques ou les installations photovoltaïques.

Électronique de puissance et transition énergétique

L’électronique de puissance est une technologie clé de la transition énergétique. Elle traite de la modification de la tension et du courant avec un rendement élevé. C’est important pour toutes les formes de conversion et de distribution de l’énergie. On trouve l’électronique de puissance dans presque tous les domaines de la transition énergétique, comme les éoliennes, les installations photovoltaïques, l’électromobilité, les réseaux, etc.

Le défi

Dans ce tutoriel, nous considérons des circuits avec une tension d’entrée et une tension de sortie. La tension d’entrée est souvent imposée, par exemple par le réseau ou par une batterie haute tension dans une voiture électrique. La tension de sortie varie selon l’application et le point de fonctionnement. Nous avons besoin de circuits dont la tension de sortie diffère de la tension d’entrée. En général, les tensions de sortie doivent pouvoir varier en fonctionnement.

D’une manière générale, la tension de sortie comme la tension d’entrée peuvent être continues ou alternatives. Le niveau de la tension continue ou la valeur de crête de la tension alternative peuvent différer entre l’entrée et la sortie. La fréquence des signaux alternatifs n’est pas non plus toujours la même à l’entrée et à la sortie. Nous considérons au total 4 cas de convertisseurs de puissance :

Quatre types de convertisseurs : convertisseur continu-continu, onduleur, redresseur et convertisseur alternatif-alternatif — DC/DC-Wandler = convertisseur continu-continu · Wechselrichter = onduleur · Gleichrichter = redresseur · AC/AC-Umrichter = convertisseur alternatif-alternatif · Ein = entrée · Aus = sortie

En électronique de puissance, un critère décisif pour une bonne solution est le rendement. Il indique quelle part de la puissance d’entrée fournie par la source est disponible à la charge. Dans un bon convertisseur, seulement 1 % environ de la puissance d’entrée est perdu sous forme de chaleur. On parle alors de pertes de 1 % dans le convertisseur ou d’un rendement de 99 %. Il se calcule ainsi :

\[ \begin{gathered} \text{Exemple : } P_{\mathrm{Ein}} = 100\,\mathrm{W} \\[6pt] P_{\mathrm{Aus}} = 99\,\mathrm{W} \\[6pt] \text{Pertes : } P_{\mathrm{Leistungssteller}} = 1\,\mathrm{W} \\[6pt] \text{Rendement } \eta = \frac{P_{\mathrm{Aus}}}{P_{\mathrm{Ein}}} = \frac{99\,\mathrm{W}}{100\,\mathrm{W}} = 99\,\% \end{gathered} \]

(Indice Ein : entrée, Aus : sortie, Leistungssteller : convertisseur.)

Prise USB sur l’allume-cigare

Un exemple quotidien d’électronique de puissance est la fourniture d’une tension USB sur l’allume-cigare d’une voiture. La tension de l’allume-cigare est d’environ 14 V, la tension USB est de 5 V. Ce sont deux tensions continues. Derrière l’allume-cigare se trouve la batterie de la voiture comme source. Vous voulez recharger un smartphone sur la tension USB. Vous branchez donc une charge (smartphone) qui tire un courant (par ex. 1 A) de la tension USB. Nous modélisons le smartphone par une résistance ohmique.

\[ \begin{gathered} U_{\mathrm{USB}} = 5\,\mathrm{V} \\[6pt] I_{\mathrm{Last}} = 1\,\mathrm{A} \\[6pt] \text{Modélisation de la résistance de charge } R_{\mathrm{Last}} = \frac{5\,\mathrm{V}}{1\,\mathrm{A}} = 5\,\Omega \end{gathered} \]

Batterie de voiture U_Batt = 14 V et charge USB R_Last avec U_USB = 5 V, pas encore reliées — Batt = batterie · Last = charge

(Indice Last : charge.)

La tension de la source est supérieure à la tension de la charge. Nous devons réduire la tension de la source. Dans les bases de l’électrotechnique, nous avons utilisé pour cela une résistance série.

Résistance série R_Vor entre la batterie U_Batt = 14 V et la charge R_Last avec U_USB = 5 V — Batt = batterie · Vor = série · Last = charge

Nous devons régler la résistance série de sorte que la tension de sortie convienne. Il faut pour cela que la différence entre 14 V et 5 V chute aux bornes de la résistance série. Le courant de charge traverse la résistance série. On a :

\[ R_{\mathrm{Vor}} = \frac{U_{\mathrm{Quelle}} - U_{\mathrm{USB}}}{I_{\mathrm{Last}}} = \frac{9\,\mathrm{V}}{1\,\mathrm{A}} = 9\,\Omega \]

Simulation

(Indice Vor : résistance série, Quelle : source.)

Si nous montons simplement une résistance série fixe de 9 Ω, nous n’avons résolu le problème que pour un seul courant de charge de 1 A. Supposons maintenant que quelqu’un utilise notre circuit avec un autre smartphone qui tire un courant de charge de 2 A. On a alors :

\[ U_{\mathrm{Vor}} = R_{\mathrm{Vor}} \cdot I_{\mathrm{Last}} = 9\,\Omega \cdot 2\,\mathrm{A} = 18\,\mathrm{V} \]

Il ne reste plus de tension pour la charge ; la résistance série est beaucoup trop grande. Elle a en effet été dimensionnée pour le courant I = 1 A. La « bonne » nouvelle résistance série vaut :

\[ R_{\mathrm{Vor}} = \frac{U_{\mathrm{Quelle}} - U_{\mathrm{USB}}}{I_{\mathrm{Last}}} = \frac{9\,\mathrm{V}}{2\,\mathrm{A}} = 4{,}5\,\Omega \]

Il nous faut donc une résistance série réglable dont la valeur change selon le courant de charge.

Approches inadaptées

Imaginez que nous disposions d’un composant dont la résistance est réglable par une tension de commande. Vous pouvez régler librement la résistance entre 100 mΩ et 1 MΩ. Il suffit pour cela de faire varier une tension de commande entre 0,5 V et 2 V.

\[ \begin{gathered} \text{Tension de commande } U_{\mathrm{Steuer}} = 0{,}5\,\mathrm{V} \rightarrow R = 1\,\mathrm{M\Omega} \\[6pt] \text{Tension de commande } U_{\mathrm{Steuer}} = 2\,\mathrm{V} \rightarrow R = 100\,\mathrm{m\Omega} \\[6pt] \text{Tension de commande } U_{\mathrm{Steuer}} = [0{,}5\,\mathrm{V} \ldots 2\,\mathrm{V}] \rightarrow R \text{ prend des valeurs intermédiaires} \end{gathered} \]

Un transistor se comporte à peu près comme décrit ci-dessus. Avec cette résistance réglable, nous pouvons résoudre le problème. Si nous montons le transistor comme résistance série, nous pouvons obtenir une résistance série adaptée à chaque courant de charge. Pour cela, nous devons mesurer (d’une manière ou d’une autre) le courant de charge et adapter la tension de commande. Ce type de solution s’appelle un régulateur linéaire (régulateur série) ; le transistor y fonctionne en permanence dans sa zone linéaire, comme dans un étage de sortie de classe A.

Examinons les pertes et le rendement de cette solution lors d’une charge avec un courant de 1 A :

\[ \begin{gathered} I_{\mathrm{Last}} = 1\,\mathrm{A} \\[6pt] U_{\mathrm{USB}} = 5\,\mathrm{V},\ U_{\mathrm{Vor}} = 9\,\mathrm{V} \\[6pt] P_{\mathrm{Vor}} = U_{\mathrm{Vor}} \cdot I_{\mathrm{Last}} = 9\,\mathrm{V} \cdot 1\,\mathrm{A} = 9\,\mathrm{W} \\[6pt] P_{\mathrm{Last}} = U_{\mathrm{USB}} \cdot I_{\mathrm{Last}} = 5\,\mathrm{V} \cdot 1\,\mathrm{A} = 5\,\mathrm{W} \\[6pt] P_{\mathrm{Ges}} = P_{\mathrm{Last}} + P_{\mathrm{Vor}} = 14\,\mathrm{W} \\[6pt] \text{Rendement } \eta = \frac{P_{\mathrm{Last}}}{P_{\mathrm{Ges}}} = \frac{5\,\mathrm{W}}{14\,\mathrm{W}} = 35{,}7\,\% \end{gathered} \]

Seulement 35,7 % de la puissance prélevée sur la batterie de la voiture arrive dans le smartphone. Une solution avec un rendement aussi faible est totalement inacceptable dès que beaucoup de puissance est en jeu. On peut encore se le permettre dans un petit circuit de charge USB, mais pas dans la transition énergétique. Imaginez qu’un poste de transformation de quartier, qui abaisse 10 kV à 400 V ou 230 V, n’ait qu’un rendement de 35,7 %. Un tel poste alimente un petit quartier en énergie. Plus de la moitié de la centrale ne travaillerait alors que pour couvrir les pertes du poste, et moins de la moitié de l’énergie arriverait dans les foyers.

Approche adaptée

Il doit exister de meilleures solutions. Elles existent, et c’est l’objet de ce tutoriel. Le meilleur circuit se présente ainsi :

Solution d’électronique de puissance : les interrupteurs S1 et S2 génèrent la tension intermédiaire U_Z, filtre L et C, charge R_L avec U_USB — Schalter = interrupteur · Batt = batterie · Last = charge

La tension de la batterie est d’abord transformée en une tension intermédiaire à l’aide de deux interrupteurs. À partir de la tension continue, nous produisons d’abord une tension « hachée ». La valeur moyenne de la tension hachée est de 5 V. Son évolution temporelle est représentée par la courbe supérieure de la figure suivante. La tension se compose de portions à 14 V et à 0 V. Si l’interrupteur S1 est fermé et S2 ouvert, U_Z vaut 14 V. Si l’interrupteur S2 est fermé et S1 ouvert, U_Z = 0 V.

Pendant 35,7 % du temps la tension vaut 14 V et pendant 64,3 % du temps elle vaut 0 V. On obtient ainsi en moyenne temporelle la tension USB de 5 V. Dans les chapitres suivants, nous étudierons en détail les interrupteurs afin de mieux comprendre cet étage.

Évolution temporelle de la tension hachée u_Z(t) entre 0 V et 14 V et de la tension de sortie lissée u_USB(t) autour de 5 V

La tension est ensuite filtrée par une bobine et un condensateur. Pour comprendre l’effet de filtrage, nous devons d’abord étudier plus en profondeur la bobine et le condensateur. En sortie, on obtient une tension lissée qui fluctue légèrement autour de 5 V. On ne sait pas encore d’où viennent ces évolutions de tension. Vous les comprendrez à la fin du tutoriel.

Considérons à nouveau les pertes. Un interrupteur idéal ne présente aucune perte. Soit la tension aux bornes de l’interrupteur vaut 0 V (état fermé), soit le courant vaut 0 A (état ouvert). Tension et courant ne sont jamais présents simultanément. On a toujours P = U ∙ I = 0 W.

Les bobines et condensateurs idéaux ne présentent pas non plus de pertes. Ils ne présentent que de la puissance réactive et pas de puissance active, voir Bases de l’électrotechnique / Courant alternatif. Si aucune puissance active n’est dissipée dans les composants, toute la puissance d’entrée est théoriquement disponible en sortie, avec un rendement de 100 %. Ce n’est évidemment pas le cas en pratique ; nous y reviendrons plus en détail. En pratique, un tel circuit présente un rendement d’environ 98 % à 99 %. Voilà qui est utile pour la transition énergétique.

L’électronique de puissance s’occupe principalement de systèmes de forte puissance dans lesquels la tension de charge ne correspond pas à la tension de la source. Les critères classiques d’évaluation de ces solutions sont :

Rendement
Coûts
Coûts système (par ex. refroidissement)
Encombrement
Facteur de puissance / puissance réactive

Nous évaluerons et optimiserons les solutions selon ces critères.