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Circuits d'électronique de puissance

Apprenez l'électronique de puissance avec des QCM, dont des questions de calcul : redresseurs monophasés et triphasés, valeur moyenne du redressement double alternance, condensateurs de lissage et ondulation, commande de phase des thyristors et angle d'amorçage, commutation naturelle, facteur de puissance des courants déformés, rapports de conversion des convertisseurs buck, boost et buck-boost, équilibre volt-seconde, ondulation du courant de la bobine, modes de conduction continue et discontinue, ondulation de la tension de sortie, redressement synchrone et temps mort, pertes de commutation, rendement à faible charge, convertisseurs flyback et forward, onduleurs en demi-pont et en pont complet, PWM sinusoïdale et indice de modulation, tension composée des onduleurs triphasés, surmodulation, fréquence de la porteuse, circuits bootstrap, correction du facteur de puissance, vitesse de synchronisme et glissement des moteurs asynchrones, commande V/f, force contre-électromotrice des moteurs à courant continu, moteurs sans balais, récupération d'énergie et rapport de transformation des transformateurs.

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Circuits d'électronique de puissance : points clés

Les semi-conducteurs de puissance ne peuvent pas, à eux seuls, convertir l'énergie. Diodes, thyristors, MOSFET et IGBT sont associés à des bobines, des condensateurs et des transformateurs pour former des circuits, puis commutés aux bons instants pour transformer l'alternatif en continu, le continu en continu d'une autre tension et le continu en alternatif. Ce thème traite des bases de ces circuits de conversion d'énergie et des moteurs qu'ils entraînent.

Il commence par les redresseurs monophasés et triphasés, la valeur moyenne du redressement double alternance, l'estimation de l'ondulation avec un condensateur de lissage, la commande de phase des thyristors et l'angle d'amorçage, la commutation naturelle et le facteur de puissance des courants déformés. Il établit ensuite les rapports de conversion des convertisseurs buck, boost et buck-boost à partir de l'équilibre volt-seconde de la bobine, puis fait calculer l'ondulation du courant de la bobine, la limite entre modes de conduction continue et discontinue, l'ondulation de la tension de sortie, le chemin du courant pendant le temps mort avec le redressement synchrone, les pertes de commutation et le rendement à faible charge. Les convertisseurs isolés ne sont abordés qu'au niveau du fonctionnement des convertisseurs flyback et forward. La seconde partie traite des onduleurs en demi-pont et en pont complet, de la PWM sinusoïdale et de l'indice de modulation, de la tension composée des onduleurs triphasés, de la surmodulation, du choix de la fréquence de la porteuse, de l'erreur de tension due au temps mort, du dimensionnement du condensateur de bootstrap et de la correction du facteur de puissance de type élévateur, et se termine par la vitesse de synchronisme et le glissement des moteurs asynchrones, la commande V/f, la force contre-électromotrice et le couple des moteurs à courant continu, les moteurs sans balais, la récupération d'énergie à la décélération et le rapport des courants d'un transformateur idéal. Il sert aussi d'introduction à l'électronique de puissance et aux machines électriques telles qu'elles sont traitées dans l'épreuve « machines » de l'examen japonais d'ingénieur électricien en chef de classe 3 (Denken 3) et dans l'épreuve « machines électriques » de l'examen coréen d'ingénieur en électricité (jeongi gisa). Les valeurs des questions de calcul, y compris celles des choix erronés, ont été vérifiées par calcul en Python (NumPy). La structure et les caractéristiques des composants comme les MOSFET, les IGBT, le SiC et le GaN, les pilotes de grille, les circuits d'amortissement et la commutation douce sont traitées dans « Semi-conducteurs de puissance », la comparaison des LDO et des régulateurs à découpage dans « Circuits analogiques et électroniques », les circuits alternatifs, le triphasé, le rapport de tension des transformateurs et la transformation d'impédance dans « Bases des circuits électriques et de l'électromagnétisme », les boucles de régulation des convertisseurs DC-DC et la commande en cascade des moteurs dans « Bases de l'automatique », la PWM et le rapport cyclique dans « Systèmes embarqués et firmware », et les onduleurs des véhicules électriques dans « Semi-conducteurs automobiles et sécurité fonctionnelle ».

Toutes les questions sur Circuits d'électronique de puissance (40)
  1. On applique une tension alternative à un pont redresseur monophasé à quatre diodes. Quelle description du chemin du courant pendant une alternance est correcte ?
  2. Quelle description de la sortie d'un pont redresseur triphasé, qui redresse un réseau triphasé avec un pont de six diodes, est correcte ?
  3. Une tension alternative sinusoïdale de 100 V efficaces est redressée par un pont de diodes idéal (redressement double alternance). Sans condensateur de lissage, quelle valeur est la plus proche de la tension de sortie moyenne ?
  4. On fait l'estimation en supposant que le condensateur fournit tout le courant de charge pendant une période d'ondulation complète. Une tension alternative de 50 Hz passe par un redressement double alternance, puis est lissée par un condensateur de lissage de 10 000 µF, et un courant constant de 2 A circule dans la charge. Quelle est la valeur approximative de l'ondulation crête à crête de la tension de sortie ?
  5. Dans une commande de phase avec une source alternative et des thyristors, quelle description de l'évolution de la tension de sortie moyenne quand on augmente l'angle d'amorçage (angle de commande) α est correcte ?
  6. Une source monophasée de 200 V efficaces alimente une charge résistive par un redresseur double alternance monophasé à thyristors, en commande de phase. Quelle valeur est la plus proche de la tension de sortie moyenne pour un angle d'amorçage de 60° ?
  7. Dans un gradateur à thyristors relié à une source alternative, quelle explication de la raison pour laquelle le thyristor se bloque sans aucune action de blocage par la gâchette est correcte ?
  8. Dans une alimentation dont le courant d'entrée n'est pas sinusoïdal mais riche en harmoniques, le facteur de puissance n'est pas égal à 1 même si le fondamental du courant est en phase avec la tension. Quelle explication est correcte ?
  9. Dans un hacheur abaisseur (convertisseur buck), quelle description du chemin du courant de la bobine pendant que l'interrupteur est bloqué est correcte ?
  10. Pour un hacheur élévateur (convertisseur boost) idéal avec une tension d'entrée de 5 V et un rapport cyclique de l'interrupteur de 0,6, quelle est la tension de sortie en mode de conduction continue ?
  11. Pour un hacheur abaisseur-élévateur idéal (convertisseur buck-boost inverseur) avec une tension d'entrée de 12 V et un rapport cyclique de 0,6, quelle est l'amplitude de la tension de sortie en mode de conduction continue ?
  12. Quel est le fondement correct de l'établissement de la tension de sortie idéale Vout = D × Vin d'un convertisseur buck ?
  13. Pour un convertisseur buck idéal avec une tension d'entrée de 12 V, une tension de sortie de 3 V, une inductance de 15 µH et une fréquence de découpage de 300 kHz, quelle est l'ondulation crête à crête du courant de la bobine en mode de conduction continue ?
  14. Quelle description du mode de conduction continue (CCM) d'un convertisseur DC-DC est correcte ?
  15. Dans un convertisseur buck idéal (à roue libre par diode) avec une tension d'entrée de 12 V, une tension de sortie de 3 V, une inductance de 15 µH et une fréquence de découpage de 300 kHz, on réduit progressivement le courant de charge. Quel est le courant de sortie minimal qui maintient le mode de conduction continue (la limite avec le mode de conduction discontinue) ?
  16. On suppose que toute la composante alternative de l'ondulation du courant de la bobine (0,6 A crête à crête) circule dans le condensateur de sortie d'un convertisseur buck. Avec une fréquence de découpage de 300 kHz et une capacité de sortie de 25 µF (ESR négligée), quelle est l'ondulation crête à crête de la tension de sortie ?
  17. Dans un convertisseur DC-DC à faible tension de sortie, quel est l'objectif principal du redressement synchrone, qui remplace la diode de roue libre par un MOSFET ?
  18. Dans un convertisseur buck à redressement synchrone, quelle description du chemin du courant de la bobine pendant le temps mort, où les MOSFET haut et bas sont tous deux bloqués, est correcte ?
  19. On suppose que la puissance perdue pendant une transition vaut en moyenne la moitié de tension × courant. Pour un composant de puissance qui commute 400 V et 10 A, avec des temps de transition à l'amorçage et au blocage de 50 ns chacun et une fréquence de découpage de 100 kHz, quelle valeur est la plus proche des pertes de commutation ?
  20. Dans un convertisseur DC-DC, quelle combinaison de la raison principale de la forte baisse du rendement à très faible courant de charge et d'une contre-mesure est correcte ?
  21. Dans une alimentation qui produit du continu à partir du secteur alternatif, quelle est la raison principale de l'emploi de convertisseurs isolés, qui isolent l'entrée de la sortie par un transformateur ?
  22. Quelle description du fonctionnement d'un convertisseur flyback est correcte ?
  23. Dans un convertisseur forward, quelle explication de la nécessité d'un enroulement de démagnétisation du transformateur (ou d'un circuit d'écrêtage) est correcte ?
  24. Pour la PWM sinusoïdale d'un onduleur, quelle description de la façon dont les interrupteurs sont rendus passants et bloqués est correcte ?
  25. Pour des onduleurs qui produisent un alternatif monophasé à partir d'une tension continue E, quelle comparaison de la tension de sortie d'un demi-pont (deux interrupteurs) et d'un pont complet (quatre interrupteurs) est correcte ?
  26. Un bras d'onduleur alimenté sous 600 V continus est commandé en PWM sinusoïdale avec un indice de modulation de 0,8. Quelle est l'amplitude (valeur crête) du fondamental de la tension de sortie du bras par rapport au point milieu de la source continue ?
  27. Un onduleur triphasé alimenté sous 400 V continus est commandé en PWM sinusoïdale avec un indice de modulation de 1. Quelle valeur est la plus proche de la valeur efficace du fondamental de la tension composée de sortie ?
  28. Dans un onduleur en PWM sinusoïdale, quelle description de ce qui se passe quand on porte l'indice de modulation au-delà de 1 (surmodulation) est correcte ?
  29. Dans un onduleur PWM qui entraîne un moteur, quelle description de l'effet d'une augmentation de la fréquence de la porteuse est correcte ?
  30. Dans un onduleur PWM de type source de tension, quelle description de l'effet du temps mort sur la tension de sortie est correcte ?
  31. La tension de commande de grille est de 10 V, et l'on néglige les courants autres que celui de la charge de grille. Un MOSFET côté haut ayant une charge de grille de 100 nC est commandé par un circuit bootstrap. Quelle est la capacité minimale qui limite à 0,5 V ou moins la chute de tension du condensateur de bootstrap lors d'un amorçage ?
  32. Dans le circuit de correction du facteur de puissance (circuit PFC) de type élévateur d'une alimentation fonctionnant de 100 à 240 V alternatifs, quelle explication de la raison pour laquelle la tension continue de sortie est souvent réglée à environ 380 à 400 V est correcte ?
  33. Quelle est la vitesse de synchronisme d'un moteur asynchrone à quatre pôles alimenté par un réseau triphasé à 50 Hz ?
  34. Un moteur asynchrone à quatre pôles alimenté à 60 Hz tourne avec un glissement de 0,05. Quelle est la vitesse du rotor ?
  35. Quelle explication de la raison pour laquelle un moteur asynchrone fonctionnant en moteur ne peut pas tourner exactement à la vitesse de synchronisme est correcte ?
  36. Lorsqu'on fait varier la vitesse d'un moteur asynchrone avec un onduleur, quelle est la raison principale pour laquelle on maintient à peu près constant le rapport tension/fréquence (V/f) ?
  37. On applique 24 V à un moteur à courant continu dont la résistance d'induit vaut 0,5 Ω et la constante de force contre-électromotrice 0,1 V/(rad/s), et le courant d'induit vaut 8 A. Quelle est alors la vitesse angulaire de rotation ?
  38. Quelle description d'un moteur à courant continu sans balais (moteur BLDC) est correcte ?
  39. Quelle combinaison de ce qui peut se produire quand on décélère rapidement, en abaissant la fréquence, un moteur asynchrone entraîné par un onduleur, et de la contre-mesure est correcte ?
  40. Lorsqu'un transformateur idéal convertit la tension primaire en une tension secondaire plus basse, quelle description de la relation entre les courants primaire et secondaire est correcte ?

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