Onduleurs PWM : Solution optimale pour divers types de charges

Les onduleurs PWM (modulation de largeur d'impulsion) ont remplacé les anciens types d'onduleurs. C'est pourquoi ils trouvent une large gamme d'applications en temps réel. Dans la plupart des cas, les entreprises les utilisent pour créer des circuits électroniques de puissance. Les onduleurs PWM utilisent généralement des MOSFET, d'où leur appellation courante d'onduleurs PWM MOSFET. En effet, la plupart des onduleurs modernes appliquent la technologie PWM pour produire une tension de sortie AC à diverses fréquences et amplitudes. Dans cet article, nous discuterons du fonctionnement d'un onduleur PWM, des circuits qu'il intègre et des différents types de modulation PWM.

Qu'est-ce qu'un onduleur PWM ?

En bref, c'est un onduleur qui utilise la technologie de modulation de largeur d'impulsion pour fonctionner. Les onduleurs PWM maintiennent la tension de sortie à la tension AC nominale, indépendamment de la charge connectée. Ils y parviennent en modulant la largeur des impulsions de la tension de sortie.

Principe de fonctionnement de l'onduleur PWM

Dans les onduleurs conventionnels, la tension de sortie varie avec les changements de charge. Un onduleur PWM corrige la tension de phase de sortie en utilisant la valeur de la charge connectée à la sortie.

Il fonctionne en réinjectant une partie du signal de sortie vers le circuit intégré de contrôle PWM. Ce contrôleur utilise la tension de rétroaction pour rectifier la largeur d'impulsion générée au niveau de l'oscillateur.

L'ajustement de la largeur d'impulsion élimine toute variation possible du signal de sortie. Ainsi, la forme d'onde de la tension de sortie reste constante, quelles que soient les variations de charge.

Quels circuits sont utilisés dans l'onduleur PWM ?

En observant le schéma d'un onduleur PWM, on y trouve plusieurs circuits fonctionnels :

Circuit de détection du courant de charge de la batterie

Ce circuit maintient le courant de charge de la batterie à sa valeur nominale, évitant les fluctuations qui réduiraient sa durée de vie.

Circuit de détection de tension de la batterie

Il détecte la tension nécessaire pour charger la batterie si celle-ci est déchargée. Il assure aussi la charge de maintien (trickle charge) une fois la batterie pleine.

Circuit de détection du secteur AC

Il détecte la présence du secteur. Si présent, l'onduleur passe en mode charge ; sinon, il bascule en mode batterie.

Circuit de démarrage progressif (Soft Start)

Il retarde la charge de 8 à 10 secondes après le retour de l'alimentation, protégeant les MOSFET contre les surtensions du secteur.

Circuit de commutation (Change Over)

Il bascule entre les modes de fonctionnement (charge ou batterie) selon la disponibilité du secteur.

Circuit d'arrêt d'urgence (Shut Down)

Il surveille le fonctionnement de l'onduleur et l'arrête en cas d'anomalie détectée via les divers circuits capteurs.

Circuit de contrôle PWM

Il contrôle la tension de sortie de l'onduleur. Souvent basé sur un seul CI comme le LM494 ou le KA3535, qui intègre toutes les fonctions PWM nécessaires.

Circuit de charge de la batterie

Il gère le processus de charge, recevant les entrées du circuit de détection secteur et du circuit capteur de batterie.

Circuit oscillateur

Il génère la fréquence de commutation. Généralement intégré au CI de contrôle PWM.

Circuit driver (étage de puissance)

Il pilote les transistors de puissance (MOSFET/IGBT) en fonction du signal de commutation de l'onduleur. Similaire à un préamplificateur de puissance.

Types de modulation PWM

Un onduleur PWM fonctionne avec deux signaux : le signal de référence et le signal porteur. La comparaison de ces signaux génère les impulsions de commutation. Il existe plusieurs techniques :

Modulation de largeur d'impulsion simple (SPWM - Single Pulse Width Modulation)

Une seule impulsion par demi-période. L'onde porteuse est triangulaire, le signal de référence est carré. La comparaison génère l'impulsion de grille. Inconvénient : harmoniques d'ordre supérieur élevés.

Modulation de largeur d'impulsion multiple (MPWM - Multiple Pulse Width Modulation)

Plusieurs impulsions par demi-période remplacent l'impulsion unique. Cela réduit les harmoniques. La fréquence de sortie est régulée en contrôlant la fréquence de la porteuse. Principalement utilisé pour les onduleurs pilotant des moteurs à fréquence variable, améliorant la qualité de la forme d'onde.

Modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM sinusoïdale)

Le signal de référence est une onde sinusoïdale (au lieu de carrée), la porteuse reste triangulaire. La sortie est une forme d'onde sinusoïdale. L'indice de modulation contrôle la valeur RMS de la tension.

Deux inconvénients majeurs :

1. Impossible de produire une tension de sortie aussi élevée que la tension secteur.
2. Pour obtenir un PWM purement sinusoïdal, il faut inclure de très petites impulsions quand le pic de l'onde de modulation approche le pic de la porteuse — quasi impossible à cause des temps de commutation des dispositifs. L'industrie élimine donc ces petites impulsions pour l'efficacité.

Modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale modifiée

Le signal porteur n'est appliqué que pendant les premiers et derniers intervalles de 60° de chaque demi-période. Cette modification améliore les caractéristiques harmoniques de la sortie, réduit les pertes de commutation et augmente la composante fondamentale.

Conclusion

En conclusion, les onduleurs PWM utilisent la technologie de modulation de largeur d'impulsion pour réguler la sortie à une valeur nominale, indépendamment de la charge. Grâce à leur efficacité, ils ont de nombreuses applications industrielles, par exemple dans les contrôleurs de vitesse de moteurs DC PWM, où la variation de fréquence de la tension appliquée contrôle la vitesse du moteur.

Ceci conclut notre aperçu du fonctionnement de l'onduleur PWM. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à nous contacter.