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Convertisseur vs onduleur : redresseur, convertisseur DC-DC et onduleur comparés

En électronique de puissance, les circuits qui changent la forme de l’énergie électrique sont nommés d’après le sens de la conversion. Un redresseur (convertisseur AC-DC) convertit l’alternatif en continu, un convertisseur DC-DC (hacheur) convertit du continu en continu sous une autre tension, et un onduleur convertit le continu en alternatif. Au sens large, on les appelle parfois tous convertisseurs de puissance. Les climatiseurs et les variateurs de moteurs industriels combinent couramment les deux extrémités : un redresseur transforme d’abord l’alternatif en continu, puis un onduleur le retransforme en alternatif de fréquence et de tension réglables.

CritèreCircuit redresseur (AC vers DC)Convertisseur DC-DC (DC vers DC)Onduleur (DC vers AC)
Sens de la conversionAC → DCDC → DC sous une autre tensionDC → AC de fréquence et de tension réglables
Interrupteurs principauxDiodes ; thyristors si la sortie doit être commandéeUn interrupteur comme un MOSFET plus une diode (en redressement synchrone, un MOSFET remplace la diode)IGBT ou MOSFET, chacun avec une diode antiparallèle
Circuits de basePont monophasé de 4 diodes, pont triphasé de 6 ; suivi d’un condensateur de lissageHacheurs abaisseur, élévateur et abaisseur-élévateur formés d’un interrupteur, d’une inductance, d’une diode et d’un condensateur ; topologies à transformateur (comme le flyback) quand une isolation est nécessaireDemi-pont (2 interrupteurs), pont complet (4), pont triphasé (6)
Ce qui fixe la sortieLa tension alternative d’entrée (avec des thyristors, réglée par l’angle d’amorçage α)Le rapport cyclique D de l’interrupteurL’indice de modulation m de la MLI (tension) et la fréquence de l’onde modulante (fréquence de sortie)
Équations idéales de sortieEn monophasé double alternance, la moyenne vaut environ 0,9 × la valeur efficace (environ 90 V pour 100 V) ; avec un condensateur de lissage, elle s’approche de la crête d’environ 141 VEn conduction continue, abaisseur Vout = D·Vin et élévateur Vout = Vin/(1 − D)En PWM sinusoïdale, l’amplitude du fondamental de la sortie d’un bras vaut m·E/2 (E est la tension continue) ; la valeur efficace de la tension composée triphasée vaut environ 0,61·m·E
Ce qui reste en sortieUne ondulation à deux fois la fréquence du réseau (double alternance), réduite par le condensateur de lissageUne ondulation à la fréquence de découpage, réduite par l’inductance et le condensateurDes harmoniques autour de la fréquence de la porteuse, réduites par l’inductance des enroulements du moteur ou par un filtre LC
Problèmes côté entréeLe courant de charge du condensateur se concentre près des crêtes de tension, et ce courant riche en harmoniques dégrade le facteur de puissance ; la correction du facteur de puissance (PFC) l’amélioreDans un convertisseur abaisseur, le courant d’entrée est pulsé : le condensateur d’entrée est donc importantUn fort courant d’ondulation circule côté continu ; freiner rapidement un moteur renvoie de l’énergie qui fait monter la tension continue
Usages typiquesL’étage d’entrée des adaptateurs secteur et des alimentations d’appareils, l’étage d’entrée des variateurs de moteursAlimentations de cœur des CPU et des SoC, rails tirés d’une batterie ou du 12 V, pilotes de LEDVariation de vitesse des moteurs (climatiseurs à onduleur, trains, véhicules électriques), onduleurs photovoltaïques, alimentations sans interruption (ASI)

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Circuit redresseur (AC vers DC)
Pour produire, à partir du secteur alternatif, le continu dont ont besoin l’électronique et les batteries. Au-delà d’une certaine puissance, un étage de correction du facteur de puissance suit souvent, pour rapprocher le courant d’entrée d’une sinusoïde.
Convertisseur DC-DC (DC vers DC)
Lorsqu’une tension continue doit être convertie efficacement en une autre tension. L’exemple typique est la production des basses tensions nécessaires aux circuits intégrés à partir d’une batterie ou d’une alimentation de 12 V ou 48 V.
Onduleur (DC vers AC)
Pour produire de l’alternatif à partir du continu, notamment pour faire varier la vitesse d’un moteur en changeant la fréquence, ou pour raccorder au réseau alternatif l’énergie de cellules solaires ou de batteries.

Questions fréquentes

Comment emploie-t-on les noms convertisseur et onduleur ?

Au sens strict, un appareil qui convertit l’alternatif en continu s’appelle un convertisseur (ou redresseur), et un appareil qui convertit le continu en alternatif un onduleur ; les parties convertisseur et onduleur d’un variateur de moteur emploient les noms de cette façon. En revanche, les circuits qui changent la forme de l’énergie sont aussi souvent appelés collectivement convertisseurs (convertisseurs de puissance), comme dans convertisseur DC-DC : le sens doit donc être déduit du contexte.

Pourquoi un onduleur peut-il changer la vitesse d’un moteur ?

Parce que les moteurs à courant alternatif comme les moteurs asynchrones tournent à une vitesse fixée par la fréquence de la tension appliquée. La vitesse de synchronisme d’un moteur asynchrone à 4 pôles est de 1500 min⁻¹ à 50 Hz et de 1800 min⁻¹ à 60 Hz (120f/nombre de pôles) : abaisser la fréquence avec un onduleur ralentit le moteur, et l’augmenter l’accélère. En changeant la fréquence, on maintient à peu près constant le rapport tension/fréquence (V/f) pour que le flux magnétique du moteur reste constant.

Pourquoi la sortie d’un redresseur est-elle difficile à utiliser seule comme tension continue ?

La sortie d’un pont de diodes qui se contente de redresser le sens pulse entre 0 et la crête, à deux fois la fréquence du réseau. Un condensateur de lissage comble les creux et la rapproche d’une tension continue. L’ondulation vaut à peu près courant de charge ÷ (fréquence d’ondulation × capacité) : en double alternance à 50 Hz, avec 2 A et 10 000 µF, elle vaut 2 ÷ (100 × 0,01) = 2 V.

La sortie d’un onduleur est-elle sinusoïdale ?

La tension de sortie elle-même est un train d’impulsions obtenu en commutant la tension continue. La PWM sinusoïdale compare une référence sinusoïdale à une porteuse triangulaire pour faire varier la largeur des impulsions, si bien que le fondamental obtenu en moyennant les impulsions est une sinusoïde. Dans un moteur, l’inductance des enroulements lisse le courant ; là où une tension sinusoïdale est exigée, on ajoute un filtre LC.

Vérifier vos connaissances

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 ?

  1. AEnviron 90 V
  2. B100 V
  3. CEnviron 141 V
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Réponse : A. Environ 90 V

La crête de la sinusoïde vaut Vm = √2 × 100 ≈ 141 V. La valeur moyenne de l'onde redressée en double alternance vaut (2/π) × Vm = (2√2/π) × V ≈ 0,90 × 100 ≈ 90 V. 100 V est la valeur efficace de l'onde redressée en double alternance, identique à celle de l'entrée. En redressement simple alternance, les alternances négatives manquent, et la moyenne vaut la moitié, soit environ 45 V.

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 ?

  1. AEnviron 1 V
  2. BEnviron 2 V
  3. CEnviron 4 V
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Réponse : B. Environ 2 V

En redressement double alternance, la période d'ondulation vaut une demi-période du réseau, 1/(2 × 50 Hz) = 10 ms. Si le condensateur fournit 2 A pendant ce temps, il cède une charge de 2 A × 10 ms = 20 mC, et la tension baisse de ΔV ≈ I/(2fC) = 20 mC ÷ 10 000 µF = 2 V. En réalité, la recharge suivante commence un peu avant la crête, si bien que l'ondulation est un peu plus faible que cette estimation. En redressement simple alternance, la période d'ondulation est de 20 ms, ce qui donne environ 4 V dans les mêmes conditions.

Quel est le fondement correct de l'établissement de la tension de sortie idéale Vout = D × Vin d'un convertisseur buck ?

  1. AEn régime établi, le courant de la bobine revient à sa valeur de départ à chaque période, donc la tension aux bornes de la bobine a une moyenne nulle sur une période
  2. BEn régime établi, le courant du condensateur de sortie est toujours nul, donc la tension du condensateur reste constante, que l'interrupteur conduise ou non
  3. CPendant que l'interrupteur conduit, aucune tension n'apparaît aux bornes de la bobine, donc la tension de sortie est égale à la tension d'entrée
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Réponse : A. En régime établi, le courant de la bobine revient à sa valeur de départ à chaque période, donc la tension aux bornes de la bobine a une moyenne nulle sur une période

La variation du courant de la bobine est déterminée par l'intégrale dans le temps de la tension à ses bornes (V = L di/dt). En régime établi, le courant revient à la même valeur à chaque période, donc la tension aux bornes de la bobine a une moyenne nulle sur une période (équilibre volt-seconde). Dans un convertisseur buck, la bobine voit (Vin − Vout) quand l'interrupteur conduit et −Vout quand il est bloqué, donc (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) donne Vout = D × Vin. Les rapports de conversion du convertisseur boost et du convertisseur buck-boost s'obtiennent de la même manière.

  1. Pour la PWM sinusoïdale d'un onduleur, quelle description de la façon dont les interrupteurs sont rendus passants et bloqués est correcte ?
  2. 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 ?
  3. Quelle est la vitesse de synchronisme d'un moteur asynchrone à quatre pôles alimenté par un réseau triphasé à 50 Hz ?

Questions d'entraînement sur Circuits d'électronique de puissance

Termes clés expliqués

Circuit redresseur
Circuit qui convertit l'alternatif en un courant circulant dans un seul sens (continu). On distingue notamment le redresseur simple alternance, qui supprime les alternances négatives avec une diode, le redresseur double alternance, qui oriente les deux alternances dans le même sens avec un pont de quatre diodes, et le pont redresseur triphasé, qui redresse un réseau triphasé avec six diodes. La sortie contient une ondulation ; un condensateur de lissage ou une inductance la rapproche donc du continu. Avec des thyristors à la place des diodes, l'angle d'amorçage permet de régler la tension de sortie.
Convertisseur DC-DC
Circuit qui convertit une tension continue en une autre tension continue. Il utilise un interrupteur, une inductance et un condensateur ; il existe des abaisseurs (buck) et des élévateurs (boost).
Onduleur
Appareil qui convertit une puissance continue en une puissance alternative de fréquence et d'amplitude quelconques. Des interrupteurs de puissance (IGBT ou MOSFET) montés en pont sont commutés en PWM pour créer une tension alternative. Il sert à la variation de vitesse des moteurs, à la traction des véhicules électriques, aux onduleurs photovoltaïques et aux alimentations sans interruption (ASI). Il n'a rien à voir avec l'inverseur (porte NON) des circuits logiques, qui inverse 0 et 1, appelé « inverter » en anglais comme l'onduleur.
Condensateur de lissage
Condensateur placé en parallèle sur la sortie d'un redresseur ou d'un circuit analogue pour réduire l'ondulation de tension et rapprocher la sortie du continu. Il se charge quand la tension est haute et fournit du courant à la charge quand elle est basse. On utilise de gros condensateurs électrolytiques à l'aluminium dans les redresseurs à la fréquence du secteur, et notamment des condensateurs céramiques en sortie des alimentations à découpage. En redressement double alternance, l'ondulation crête à crête s'estime par courant de charge ÷ (2 × fréquence du réseau × capacité).
PWM sinusoïdale
Méthode PWM permettant à un onduleur de produire une sortie alternative quasi sinusoïdale. Une sinusoïde à la fréquence de sortie souhaitée (la modulante) est comparée à une onde triangulaire de fréquence bien plus élevée (la porteuse) ; l'interrupteur haut conduit tant que la modulante est la plus grande, l'interrupteur bas tant qu'elle est la plus petite. Le rapport entre l'amplitude de la modulante et celle de la porteuse est l'indice de modulation ; tant qu'il vaut 1 ou moins, le fondamental de la tension de sortie lui est proportionnel. La surmodulation au-delà de 1 augmente les harmoniques de rang faible.
Hacheur abaisseur (convertisseur buck)
Convertisseur DC-DC qui produit une tension continue inférieure à son entrée à l'aide d'un interrupteur, d'une diode (ou d'un second interrupteur), d'une bobine et d'un condensateur. La sortie se règle par la fraction du temps pendant laquelle l'interrupteur conduit (le rapport cyclique D) ; la tension de sortie idéale en mode de conduction continue vaut D × la tension d'entrée. C'est le convertisseur non isolé le plus répandu : il alimente les cœurs des CPU et des SoC et produit les différents rails à partir de 12 V ou de 5 V.
Correction du facteur de puissance
Circuit d'un appareil alimenté par un réseau alternatif qui façonne le courant d'entrée en une sinusoïde de même forme et de même phase que la tension, rapprochant le facteur de puissance de 1 (circuit PFC). La solution courante place un convertisseur boost après le redresseur et commande son interrupteur pour que le courant d'entrée soit proportionnel à la tension redressée ; la sortie est une tension continue d'environ 380 à 400 V, supérieure à la tension d'entrée crête. Il réduit les courants harmoniques d'un redresseur à simple lissage par condensateur, et un convertisseur DC-DC isolé placé en aval produit les tensions nécessaires à partir de ce continu.
Moteur asynchrone (moteur à induction)
Moteur à courant alternatif dans lequel les enroulements triphasés du stator créent un champ tournant et le rotor tourne sous l'effet de la force entre ce champ et les courants induits dans les conducteurs du rotor. Le rotor tourne un peu moins vite que le champ (la vitesse de synchronisme), et ce retard relatif s'appelle le glissement. Simple et robuste, il est très utilisé dans les pompes, les ventilateurs, les machines-outils et le matériel ferroviaire. Faire varier la fréquence avec un onduleur permet de régler sa vitesse sur une large plage.

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