Électronique de puissance - Choppers
Un hacheur utilise une vitesse élevée pour se connecter et se déconnecter d'une charge source. Une tension continue fixe est appliquée par intermittence à la charge source en déclenchant en continu l'interrupteur d'alimentation ON / OFF. La période de temps pendant laquelle l'interrupteur d'alimentation reste sur ON ou OFF est appelée les temps d'état ON et OFF du hacheur, respectivement.
Les hacheurs sont principalement utilisés dans les voitures électriques, la conversion de l'énergie éolienne et solaire et les régulateurs de moteur à courant continu.
Symbole d'un hachoir
Classification des hachoirs
En fonction de la tension de sortie, les hacheurs sont classés comme -
- Hacheur Step Up (convertisseur boost)
- Step Down Chopper (convertisseur Buck)
- Step Up / Down Chopper (convertisseur Buck-Boost)
Step Up Chopper
La sortie de tension moyenne (V o ) dans un hacheur élévateur est supérieure à l'entrée de tension (V s ). La figure ci-dessous montre une configuration d'un hacheur élévateur.
Formes d'onde de courant et de tension
V 0 (sortie de tension moyenne) est positif lorsque le hacheur est activé et négatif lorsque le hacheur est désactivé, comme indiqué dans la forme d'onde ci-dessous.
Où
T ON - intervalle de temps lorsque le hacheur est activé
T OFF - intervalle de temps lorsque le hacheur est OFF
V L - Tension de charge
V s - Tension de source
T - Période de coupe = T ON + T OFF
V o est donné par -
$$ V_ {0} = \ frac {1} {T} \ int_ {0} ^ {T_ {ON}} V_ {S} dt $$Lorsque le hacheur (CH) est allumé, la charge est court-circuitée et, par conséquent, la tension de sortie pour la période TONest zéro. De plus, l'inducteur est chargé pendant ce temps. Cela donne V S = V L
$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S}, $ $ \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = \ frac {V_ {S}} {L} $
Par conséquent, $ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} $
Δi = est le courant crête à crête de l'inductance. Lorsque le hacheur (CH) est OFF, la décharge se produit à travers l'inducteur L. Par conséquent, la somme des V s et V L est donnée comme suit -
$ V_ {0} = V_ {S} + V_ {L}, \ quad V_ {L} = V_ {0} -V_ {S} $
Mais $ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} -V_ {S} $
Ainsi, $ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} -V_ {S} $
Cela donne, $ \ Delta i = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $
L'équivalence de Δi de l'état ON à Δi de l'état OFF donne -
$ \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $, $ V_ {S} \ left (T_ {ON } + T_ {OFF} \ right) = V_ {0} T_ {OFF} $
$ V_ {0} = \ frac {TV_ {S}} {T_ {OFF}} = \ frac {V_ {S}} {\ frac {\ left (T + T_ {ON} \ right)} {T}} $
Cela donne la sortie de tension moyenne comme,
$$ V_ {0} = \ frac {V_ {S}} {1-D} $$L'équation ci-dessus montre que V o peut varier de V S à l'infini. Cela prouve que la tension de sortie sera toujours supérieure à la tension d'entrée et, par conséquent, augmente ou augmente le niveau de tension.
Descendre le hachoir
Ceci est également connu sous le nom de convertisseur buck. Dans ce broyeur, la sortie de tension moyenne V O est inférieure à la tension d'entrée V S . Lorsque le hacheur est activé, V O = V S et lorsque le hacheur est désactivé, V O = 0
Lorsque le hacheur est en marche -
$ V_ {S} = \ gauche (V_ {L} + V_ {0} \ droite), \ quad V_ {L} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {di} {dt} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = V_ {s} + V_ {0} $
Ainsi, la charge de courant crête à crête est donnée par,
$ \ Delta i = \ frac {V_ {s} -V_ {0}} {L} T_ {ON} $
Schéma
Où FD est une diode de roue libre.
Lorsque le hacheur est désactivé, une inversion de polarité et une décharge se produisent au niveau de l'inducteur. Le courant passe à travers la diode de roue libre et l'inducteur vers la charge. Cela donne,
$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} .................................. ...... \ gauche (i \ droite) $$Réécrit comme - $ \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} $
$$ \ Delta i = V_ {0} \ frac {T_ {OFF}} {L} ............................. ...... \ gauche (ii \ droite) $$L'équation des équations (i) et (ii) donne;
$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $
$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {OFF}} {T_ {ON}} $
$ \ frac {V_ {S}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {ON} -T_ {OFF}} {T_ {ON}} $
L'équation ci-dessus donne;
$$ V_ {0} = \ frac {T_ {ON}} {T} V_ {S} = DV_ {S} $$L'équation (i) donne -
$ \ Delta i = \ frac {V_ {S} -DV_ {S}} {L} DT $, de $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $
$ = \ frac {V_ {S} - \ gauche (1-D \ droite) D} {Lf} $
$ f = \ frac {1} {T} = $ fréquence de découpage
Formes d'onde de courant et de tension
Les formes d'onde de courant et de tension sont données ci-dessous -
Pour un hacheur abaisseur, la tension de sortie est toujours inférieure à l'entrée de tension. Ceci est illustré par la forme d'onde ci-dessous.
Hachoir Step Up / Step Down
Ceci est également connu sous le nom de convertisseur buck-boost. Il permet d'augmenter ou de réduire le niveau d'entrée de tension. Le diagramme ci-dessous montre un hacheur buck-boost.
Lorsque le hacheur est mis en marche, l'inductance L se charge par la tension source V s . Par conséquent, V s = V L .
$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S} $$ $$ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {S}} {L } T \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {DV_ {S}} {Lf} $$Parce que -
$ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $ et $ f = \ frac {1} {T} ....................... ....................... \ gauche (iii \ droite) $
Lorsque le hacheur est éteint, la polarité de l'inducteur s'inverse et cela provoque sa décharge à travers la diode et la charge.
Par conséquent,
$$ V_ {0} = - V_ {L} $$ $$ L \ frac {di} {dt} = - V_ {0} $$$ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = - V_ {0} $, donc $ \ Delta i = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} ..... ........................... \ gauche (iv \ droite) $
L'évaluation des équations (iii) et (iv) donne -
$ \ frac {DV_ {S}} {Lf} = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $, $ DV_ {S} = - DV_ {S} = - V_ {0} T_ { OFF} f $
$ DV_ {S} = - V_ {0} \ frac {T-T_ {ON}} {T} = - V_ {0} \ left (1- \ frac {T_ {ON}} {T} \ right) $ , $ V_ {0} = - \ frac {DV_ {S}} {1-D} $
Parce que $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {T-T_ {OFF}} {1-D} $
Cela donne,
$ V_ {0} = \ frac {DV_ {S}} {1-D} $
D peut varier de 0 à 1. Lorsque, D = 0; V O = 0
Lorsque D = 0,5, V O = V S
Quand, D = 1, V O = ∞.
Par conséquent, dans l'intervalle 0 ≤ D ≤ 0,5, la tension de sortie varie dans la plage 0 ≤ V O <V S et nous obtenons un fonctionnement par étapes ou Buck. Alors que, dans l'intervalle 0,5 ≤ D ≤ 1, la tension de sortie varie dans la plage V S ≤ V O ≤ ∞ et nous obtenons un fonctionnement intensif ou Boost.