Choisir le bon hacheur : guide complet des types et applications

À propos des types de hacheurs, la plupart des applications d'électronique de puissance utilisent des éléments de commutation soit complètement ouverts, soit complètement fermés. Leurs pertes sont ainsi faibles, rendant le circuit très efficace. Cependant, le courant fourni à la charge peut être discontinu, nécessitant une fréquence de commutation élevée ou un lissage pour de meilleurs résultats. C'est là qu'intervient le hacheur pour stabiliser le système.

Dans cet article, nous discuterons de la classification des hacheurs selon plusieurs caractéristiques telles que le processus de commutation, et plus encore.

1. Qu'est-ce qu'un circuit hacheur ?

Un hacheur (ou équivalent DC d'un transformateur AC) est un dispositif électrique à semi-conducteur. Il convertit une tension d'entrée DC fixe (V_s) en une tension de sortie DC variable (V_o). La valeur de sortie peut être inférieure ou supérieure à la tension source.

2. Comment fonctionne le hacheur ?

Généralement, un circuit hacheur comprend une charge, une résistance et une diode semi-conductrice, comme le montre le diagramme ci-dessous.

Schéma d'un circuit hacheur

Il fonctionne à haute vitesse pour connecter la source à la charge, puis déconnecter la charge de la source. D'après le diagramme, le principe de fonctionnement est :

• L'interrupteur SW est le hacheur, qui à haute vitesse peut être ON ou OFF. On peut ainsi connecter ou déconnecter la charge de V_s (source d'alimentation). L'ouverture et la fermeture périodiques contrôlent la tension de sortie.
• État ON : tension source = tension charge. État OFF : tension charge = zéro.

3. Types de hacheurs

Nous classons les hacheurs selon leurs caractéristiques :

Selon leur principe de fonctionnement

C'est la meilleure façon de classifier un hacheur. Deux types :

Hacheur à liaison AC

Ici, il y a inversion de tension : un onduleur convertit une tension DC en AC. Le AC passe par un transformateur abaisseur ou élévateur. Enfin, un redresseur convertit la sortie du transformateur en DC.

Hacheur DC

Les hacheurs DC agissent comme des transformateurs abaisseurs/élévateurs sur tension DC. Ils peuvent transformer une tension DC constante en valeur plus basse ou plus haute selon le type.

Selon le processus de commutation

Hacheur à commutation naturelle

Fonctionne sur circuits AC : la tension d'alimentation vient d'une source AC. Lorsqu'une tension négative traverse le SCR ou thyristor, celui-ci se bloque.

Hacheur à commutation forcée

Fonctionne sur circuits DC. La commutation s'obtient en abaissant le courant du SCR sous sa valeur de maintien ou en polarisant inversément le SCR. Exemples : hacheur Morgan et hacheur Jones.

Selon les pertes de puissance au moment de la commutation

Hacheur à commutation dure

Les circuits hacheurs à commutation dure utilisent leur capacité de fonctionnement standard.

Hacheur à commutation douce

Les hacheurs à commutation douce utilisent des circuits résonants LC pour allumer/éteindre le dispositif à tension ou courant nul.

Selon les valeurs de tension de sortie

La classification ici repose sur les tensions de sortie.

Hacheur élévateur (Boost)

La tension source est inférieure à la tension de sortie moyenne DC (V_o > V_s). Le flux de puissance va de la charge vers la source. Le courant de charge a une source de f.e.m. et est inductif.

Hacheur abaisseur

La tension source est supérieure à la tension de sortie moyenne DC (V_s > V_o). Le flux de puissance va de la source vers la charge.

Classification selon l'opération par quadrants

Les circuits hacheurs limitent le sens du courant car ce sont des dispositifs statiques à semi-conducteurs. Mais on peut modifier leur fonctionnement dans quatre quadrants, donnant cinq types de hacheurs.

Les quatre quadrants du hacheur

Hacheur Classe A / Type A

Fonctionne seulement dans le premier quadrant. Tension de charge (V_O) et courant de charge (i_O) toujours positifs. Transfert de puissance source vers charge, exemple : hacheur abaisseur.

Hacheur Classe B / Type B

Fonctionne dans le second quadrant. Courant de charge négatif, tension de sortie positive. Courant négatif (i_o) : transfert puissance charge vers source. Exemple : hacheur élévateur.

Hacheur Classe C / Deux quadrants Type A / Type C

Connexion parallèle de hacheurs Classe B et A. Fonctionne en premier ou second quadrant. Agit comme hacheur abaisseur au premier quadrant, élévateur au second.

Hacheur Classe D / Deux quadrants Type B / Type D

Fonctionne dans les quadrants 1 et 4. Transfère puissance charge→source ou source→charge. Tension de sortie moyenne réversible, mais sens du courant de charge non réversible.

Hacheur Classe E / Type E

Fonctionne dans les quatre quadrants (hacheur universel). Nécessite quatre diodes et quatre hacheurs/interrupteurs semi-conducteurs. Charge inductive requise. Polarité de f.e.m. de charge inversée aux quadrants 3 et 4.

Applications du hacheur

Le circuit hacheur s'utilise dans :

• Chargeurs de batteries
• Élévation de tension DC
• Filtres à condensateurs commutés
• Contrôle d'éclairage et de lampes
• Entraînement moteurs brushless/couple/pas-à-pas dans actionneurs

Moteur pas-à-pas

• Entraînements à fréquence variable
• Systèmes de traitement du signal
• Avions et vaisseaux spatiaux
• Contrôleurs de vitesse moteurs DC
• Systèmes de traction ferroviaire
• Conversion énergie solaire
• Voitures électriques à batterie
• Alimentations à découpage (convertisseurs DC/DC)
• Amplificateurs électroniques Classe D

Conclusion

En résumé, plusieurs industries technologiques adoptent les hacheurs pour les systèmes de transit rapide. Les circuits hacheurs offrent haute efficacité, réponse rapide, capacités de régénération et contrôle fluide. On peut aussi utiliser des dispositifs semi-conducteurs de puissance comme les IGBT ou thyristors à commutation forcée.

C'est tout pour aujourd'hui, nous espérons que vous avez appris beaucoup sur les hacheurs. Pour toute clarification ou question, contactez-nous, nous trouverons la solution ensemble.