Électronique de puissance : convertisseurs à semi-conducteurs, alimentations à découpage et commande MLI
Un chargeur de téléphone tient dans la main et chauffe à peine. Il y a quarante ans, son équivalent était un lourd transformateur suivi d'un régulateur qui brûlait la moitié de l'énergie. Le secret est le découpage : au lieu de freiner le courant, des transistors l'interrompent et le rétablissent des centaines de milliers de fois par seconde. Bobines et condensateurs lissent ensuite le résultat. Un transistor complètement ouvert ou complètement fermé ne dissipe presque rien. Cinq planches pour comprendre comment on convertit l'énergie électrique avec un rendement de 95 % et plus.
L'électronique de puissance transforme l'énergie électrique d'une forme à une autre. Le redresseur passe de l'alternatif au continu. Le hacheur change une tension continue en une autre. L'onduleur fabrique de l'alternatif à partir du continu. Le gradateur règle une tension alternative. Tous utilisent des interrupteurs à semi-conducteurs : diodes, thyristors, transistors MOS, IGBT, et depuis peu des transistors au carbure de silicium (SiC) ou au nitrure de gallium (GaN), plus rapides. Ils sont commandés en modulation de largeur d'impulsion (MLI) : la fraction du temps où l'interrupteur est fermé, le rapport cyclique D, règle la tension moyenne. Les inductances et les condensateurs stockent l'énergie le temps d'une période de découpage et lissent le résultat.
| Conversion | Convertisseur | Exemples |
|---|---|---|
| alternatif → continu | redresseur à diodes ou à thyristors, correcteur de facteur de puissance | entrée de tout chargeur, alimentation d'ordinateur |
| continu → continu | hacheur abaisseur, élévateur, inverseur, à transformateur (flyback) | alimentation des processeurs, chargeur de batterie, panneaux solaires |
| continu → alternatif | onduleur en MLI | variateur de moteur, véhicule électrique, onduleur solaire |
| Interrupteur | Tension et courant typiques | Fréquence de découpage typique |
| MOSFET silicium | jusqu'à quelques centaines de volts, dizaines d'ampères | 100 kHz à 1 MHz |
| IGBT | 600 V à 6,5 kV, centaines d'ampères | 2 à 30 kHz |
| Thyristor | jusqu'à 10 kV, milliers d'ampères | 50 Hz (fréquence du réseau) |
| SiC, GaN | de 100 V à plus de 1 kV | jusqu'à plusieurs mégahertz |
Commuter plutôt que freiner : où passent les pertes
Pour obtenir 6 V à partir de 12 V, un régulateur linéaire fait chuter les 6 V de trop dans un transistor qui conduit tout le courant : il dissipe autant de puissance qu'il en fournit, et son rendement ne peut dépasser Vs/Ve. Un transistor qui commute n'est jamais dans cet état intermédiaire, sauf pendant les brefs instants de basculement. Fermé, il ne dissipe que RDS(on)·I² : ce sont les pertes par conduction. Pendant chaque basculement, tension et courant coexistent quelques dizaines de nanosecondes : ce sont les pertes par commutation, proportionnelles à la fréquence. Monter en fréquence permet de réduire la taille des bobines et des condensateurs, mais fait grimper ces pertes : tout l'art du concepteur est de trouver le compromis.
Le hacheur abaisseur : la moyenne d'un signal carré
Le hacheur abaisseur (buck) relie la sortie à l'entrée pendant une fraction D de chaque période, puis la laisse en roue libre à travers une diode. La bobine L s'oppose aux variations du courant, le condensateur C à celles de la tension. En régime établi, la tension moyenne aux bornes de la bobine est nulle : Vs = D·Ve, quelle que soit la charge. C'est la conduction continue. Si la charge consomme trop peu, le courant de la bobine retombe à zéro avant la fin de la période et y reste. On passe en conduction discontinue, et la tension de sortie monte au-dessus de D·Ve.
Élever et inverser : quand la bobine pousse
Dans le hacheur élévateur (boost), l'interrupteur court-circuite la bobine sur l'entrée : son courant augmente et elle accumule de l'énergie. À l'ouverture, elle ajoute sa propre tension à celle de l'entrée et pousse le courant vers la sortie à travers la diode : Vs = Ve/(1 − D). Le hacheur inverseur (buck-boost) déverse cette énergie dans une sortie isolée de l'entrée, de signe opposé : |Vs| = Ve·D/(1 − D), plus petite ou plus grande que Ve. Les formules idéales promettent un gain infini quand D tend vers 1. En réalité, la résistance r du bobinage, traversée par un courant de plus en plus fort, limite le gain et fait chuter le rendement.
La commande MLI et le filtre LC : répondre à un ordre
Le rapport cyclique est fabriqué par un modulateur : un comparateur confronte une tension de commande Vc à une porteuse en dents de scie ou en triangle. La sortie est haute tant que Vc dépasse la porteuse, donc D = Vc/Vporteuse. Le hacheur simulé ici est synchrone : la diode est remplacée par un second transistor, et le courant de la bobine peut s'inverser. Quand on change brusquement Vc, la tension moyenne du hacheur suit aussitôt, mais le filtre L-C de sortie réagit comme un ressort chargé d'une masse : il oscille à sa fréquence propre avant de se stabiliser. La charge R joue le rôle de l'amortisseur. Pour éviter ces oscillations, l'alimentation réelle mesure sa sortie et corrige D en permanence : c'est la régulation, qui doit être conçue en tenant compte de cette résonance.
Onduler, redresser, refroidir
Trois questions que pose tout convertisseur raccordé au monde réel. Comment fabriquer une sinusoïde avec des interrupteurs qui ne savent faire que des créneaux ? Que fait au réseau électrique un simple redresseur suivi d'un condensateur ? Et où part la chaleur des pertes, qui finit toujours par décider de la taille de l'appareil ?
Un onduleur en pont complet alimente une charge à partir d'une tension continue de 400 V. On compare une sinusoïde de référence à 50 Hz, d'amplitude relative m (l'indice de modulation), à une porteuse triangulaire mf fois plus rapide. En commande bipolaire, la sortie bascule entre +400 V et −400 V. En commande unipolaire, chaque bras a sa propre comparaison, et la sortie passe par 0 : les harmoniques se regroupent alors autour de 2mf au lieu de mf. La charge inductive (moteur, filtre) lisse le courant, qui devient presque sinusoïdal.
Presque tous les appareils branchés sur le secteur commencent par un pont de diodes suivi d'un gros condensateur. Le condensateur se charge jusqu'à la crête de la tension, 325 V, puis alimente seul la charge en se déchargeant lentement. Les diodes ne conduisent que pendant les brefs instants où la tension du réseau dépasse celle du condensateur. Le courant pris au réseau est fait de pointes étroites et intenses, riches en harmoniques 3, 5, 7… Le facteur de puissance, rapport de la puissance utile au produit Veff·Ieff, tombe loin de 1. Au-delà de 75 W, les normes européennes imposent un correcteur de facteur de puissance, en général un hacheur élévateur commandé pour absorber un courant sinusoïdal.
Les pertes deviennent de la chaleur dans la puce du transistor. Elle doit traverser le boîtier, l'interface thermique et le radiateur avant de rejoindre l'air ambiant. Chaque étape oppose une résistance thermique, en kelvins par watt, comme une résistance électrique s'oppose au courant : les écarts de température s'additionnent comme des tensions. La puce et le radiateur ont aussi une capacité thermique : la puce chauffe en quelques dixièmes de seconde, le radiateur en plusieurs minutes. La température de la jonction ne doit jamais dépasser 150 °C, sous peine de destruction ; chaque dizaine de degrés en moins double à peu près la durée de vie.
Repères historiques
- 1902Peter Cooper Hewitt invente le redresseur à vapeur de mercure, ancêtre des convertisseurs de puissance.
- 1957General Electric commercialise le thyristor, issu des travaux des laboratoires Bell : l'électronique de puissance devient l'affaire des semi-conducteurs.
- 1976Slobodan Ćuk présente le convertisseur qui porte son nom et développe la modélisation moyenne des hacheurs.
- 1977L'Apple II est l'un des premiers ordinateurs grand public à utiliser une alimentation à découpage.
- 1979International Rectifier lance le HEXFET, transistor MOS de puissance.
- années 1980B. Jayant Baliga, chez General Electric, met au point l'IGBT, qui s'impose dans les variateurs et la traction électrique.
- 2001Premières diodes Schottky au carbure de silicium commercialisées.
- années 2010Les transistors au nitrure de gallium miniaturisent les chargeurs ; le carbure de silicium équipe les véhicules électriques.
Ce qu'il faut retenir
Découper
Un interrupteur parfait ne dissipe rien. Les pertes réelles viennent de la conduction (R·I²) et des basculements (proportionnelles à la fréquence). Le rendement d'un hacheur dépasse couramment 90 %, quand un régulateur linéaire est limité à Vs/Ve.Convertir
Le rapport cyclique fixe le rapport des tensions : D pour l'abaisseur, 1/(1 − D) pour l'élévateur, D/(1 − D) pour l'inverseur, en conduction continue. Les pertes résistives limitent le gain ; la conduction discontinue le modifie à faible charge.Commander et refroidir
La MLI règle la tension moyenne ; le filtre LC lisse mais résonne, d'où la régulation. L'onduleur MLI fabrique une sinusoïde dont les harmoniques sont repoussées vers la fréquence de découpage. La chaleur suit une loi d'Ohm thermique.Pour aller plus loin : modèles et calculs de contrôle
Planche 1. Commutation sur charge inductive : à la fermeture, le courant monte pendant que la tension reste à V, puis la tension tombe à courant constant, chaque phase durant la moitié du temps de basculement ; symétrique à l'ouverture. RDS(on) = 50 mΩ, VF = 0,7 V. Énergies intégrées numériquement.
Planches 2 à 4. Hacheurs simulés exactement : sur chaque intervalle, le circuit est linéaire, et son évolution est calculée par l'exponentielle de sa matrice d'état, sur 32 sous-pas par intervalle. Quand le courant de la bobine s'annule, la diode se bloque et le courant reste nul jusqu'à la fermeture suivante. Interrupteurs et diodes idéaux, sauf la résistance r de la bobine en planche 3. Simulation jusqu'au régime établi, plus de dix constantes de temps.
Planche 5. Onduleur : 65 536 points par période, transformée de Fourier rapide ; courant calculé harmonique par harmonique. Redresseur : Runge-Kutta, 4 000 pas par période, 40 périodes, condensateur préchargé. Thermique : réseau à deux nœuds, calcul exact par exponentielle de matrice.