Les onduleurs

Les onduleurs sont des appareils électroniques capables de convertir le courant continu en courant alternatif. Ils sont indispensables quand il s’agit de resituer sous la forme d’un courant alternatif de l’énergie stockée dans un accumulateur ou produite par un panneau solaire.

Il existe différentes méthodes pour réaliser cette conversion. Le but de cet article est de présenter ces méthodes au travers de démontages.

Les fonctions

En entrée, l’onduleur est connecté à une source continue. La tension de cette source peut varier en fonction du temps : par exemple, la tension d’un accumulateur diminue avec l’état de décharge et la puissance demandée.

En sortie, l’onduleur fournit une tension alternative utilisable par les consommateurs, très souvent proche de celle du réseau électrodomestique : 230V/50Hz en France.

L’onduleur doit donc effectuer deux opérations, dans n’importe quel ordre :

1. Adapter la tension d’entrée à la tension de sortie.
2. Transformer une tension continue en une tension alternative. Schématiquement, pousser les électrons dans une direction puis une autre.

D’autre part, quelques protections doivent être ajoutées :

• Protection de l’onduleur
  • contre les surcharges
  • contre une tension d’entrée incorrecte
  • contre l’inversion des polarités
• Protection de la source
  • contre la surcharge
  • contre la décharge profonde
• Protection de l’utilisateur
  • contre les courts-circuits en sortie

Voyons comment sont implémentées ces fonctions et protections dans deux types d’appareils :

• Un onduleur pour voiture/camping-car au design minimaliste
• Une alimentation sans interruption pour matériel informatique

Méthode 1 : adaptation tension puis conversion DC/AC

C’est la méthode choisie par l’onduleur d’entrée de gamme MeanWell A301-300. Pour ceux qui ne connaissent pas, MeanWell est un poids lourd du marché des alimentations établi à Taïwan.

Caractéristiques techniques sont :

• Tension d’entrée : 10-15 VDC
• Tension de sortie : 230VAC/50Hz
• Puissance de sortie : 300W
• Forme d’onde : “sinus modifié” (c’est-à-dire créneau)

Démontage

Le chassis est en aluminium extrudé, qui assure à la fois la tenue mécanique et la dissipation thermique. C’est hyper costaud et facile à démonter.

De gauche à droite :

• Le ventilateur, qui se déclenche si nécessaire
• Les fils rouge et noir en entrée
• Le circuit électronique qui va retenir notre attention
• La prise électrique de sortie au format français

Si on se débarrasse totalement du chassis, on voit mieux les différents blocs fonctionnels :

• Orange : alimentation DC-DC pour réhausser la tension d’entrée de 10-15VDC à 300VDC.
• Jaune : séparation basse tension/haute tension de l’alimentation DC-DC.
• Bleu : pont en H pour générer une tension alternative de forme carrée, d’amplitude 300V crète-à-crète et de fréquence 50Hz.
• Vert : contrôle de l’alimentation DC-DC, du pont en H et surveillance de l’alimentation (surcharge, température).

Détaillons le fonctionnement de chaque bloc.

Le contrôle

La partie contrôle est alimentée par un régulateur de tension 5V LM7805 qui prend sa source à l’entrée de l’onduleur. Elle repose sur un microcontrôleur 8-bits Elan EM78P458APJ-G cadencé à 4 MHz qui offre 2 PWM 10 bits, 1 ADC 8 bit, 7-8 entrées/sotries digitales. C’est un composant d’entrée de gamme car le programme s’écrit dans une ROM flashable une fois, l’ADC a une résolution de 8 bits à comparer aux 12 bits des Arduino et chaque instruction nécessite deux cycles d’horloge.

Ce microcontrôleur est directement relié :

• Aux diodes rouges et vertes de la façade
• Au contrôle du ventilateur
• Au capteur de température (sigle NTC sur la photo)
• A un buzzer pour émettre des alertes
• A un potentiomètre dont j’ignore la fonction

A droite du microcontrôleur, on distingue 3 optocoupleurs. Deux vont vers le pont en H pour contrôler son oscillation, un retourne le statut du pont en H (probablement la présence tension) au microcontrôleur.

Tout en haut se trouve une empreinte pour l’option sortie USB. L’énergie provient du régulateur de tension LM7805. L’ajout de ce port semble facile à réaliser si on dispose d’outils pour travailler la façade en aluminium. Il faudra aussi prévoir un dissipateur sur le LM7805.

Le convertisseur DC-DC

La tension d’entrée de 10-15VDC doit être réhaussée pour pouvoir former une onde “pseudo-sinus” de 23OVAC. La manière la plus simple de réhausser une tension continue est de la faire osciller à très haute fréquence dans un transformateur élévateur puis de la filtrer pour la rendre de nouveau continue. Il faut alors 3 blocs :

1. Le hacheur

Voici une vue du dessous avec les principaux composants électroniques reportés :

La tension d’entrée alimente les bus rouge (+) et noir (-). Elle est filtrée par deux condensateurs représentés par des cercles bleus. Le pôle (+) alimente le point central du transformateur élévateur représenté par le carré jaune. Le pôle (-) alimente deux paires de transistors MOSFETS : une en haut et une en bas. Les paires sont en parallèle. Le signal jaune issu du microcontrôleur va faire conduire alternativement la paire du haut puis la paire du bas. Le courant sort de ces paires par les bus blancs qui viennent exciter le transformateur dans un sens puis dans l’autre.

Les transistors sont des ST Microelectronics P65NF06 capables d’encaisser 60A et 60V max, soit 120A par paire. C’est surdimensionné.

2. Le transformateur élévateur

Il réhausse la tension hachée d’entrée comme un simple transformateur. La fréquence de hachage élevée permet d’utiliser un transformateur de faibles dimensions au prix de pertes plus importantes dans les transistors du hacheur.

3. Le filtre

La tension élevée en sortie de transformateur doit être redressée et lissée pour devenir continue. Le point du milieu du transformateur est relié au pole (-) symbolisé par la piste noire. Les deux extrémités du transformateur sortent une tension alternative sur les bus blancs. Elle est redressée par quatre diodes représentées par les carrés gris. On obtient un bus (+) rouge et un bus noir (-) filtrés par un condensateur représenté par le cercle bleu.

Loi d’entrée sortie

On a vu que la tension d’entrée peut varier entre 10 et 15V. Voici comment évolue la tension de sortie du convertisseur DC-DC.

Le ratio est de 1V en entrée pour 25V en sortie. Autrement dit, il n’y a aucune régulation. Je vous avais prévenu, c’est un design minimaliste.

Le pont en H de sortie

Le pont en H de sortie génère un “pseudo-sinus” à partir de la tension continue de 300V. Voici le routage, moins facilement lisible que les autres mais pas insurmontable pour autant :

La phase et le neutre de la sortie sont représentés par la piste brune et la piste bleue. Elles sont toutes les deux encadrées par deux transistors MOSFETS : un connecté au (+) en rouge, et l’autre connecté au (-) en noir. Quand un transistor tire la phase vers le (-), un autre tire le neutre vers le (+) puis inversement. Ces inversions sont répétées 50 fois par seconde pour générer un signal carré de 300V crète-à-crète.

Les signaux de commande des MOSFETS sont en jaune. Il y a trois optocoupleurs : les deux latéraux pilotent chacun une paire de MOSFETS. Il ne faut pas que les deux MOSFETS de la paire conduisent ensemble donc un transistor représenté par une ellipse noire inverse le signal de commande d’un transistor de chaque paire. Les optocoupleurs sont pilotés par le microcontrôleur.

Hypothèse : le 3ème optocoupleur permet de reporter une surcharge.

On constate qu’il n’y a pas de module pour atténuer ou augementer la tension issue du convertisseur DC/DC. Autrement dit, la tension de sortie du convertisseur dépend de la tension d’entrée.

La tension de sortie générée

Le pseudo-sinus

A travers la dénomination “pseudo-sinus”, on s’attend à ça :

et on obtient ça :

Ce qui se traduit par des grésillements dans les appareils utilisés voire un échauffement légèrement plus important. En effet, le signal créneau est un signal sinusoïdal avec de nombreuses harmoniques et les appareils qui ne les exploitent pas ou qui les filtrent vont les dissiper sous forme de chaleur. Est-ce grave ?

La tension

Nous avons vu précédemment que la tension de sortie du convertisseur est proportionnelle à sa tension d’entrée. En effectuant des mesures comparatives avec le courant domestique, on obtient les tensions de sortie équivalentes suivantes :

La tension délivrée par Enedis étant comprise entre 207V et 253V, on déconseillera de faire fonctionner l’onduleur avec une tension d’entrée supérieure à 13,6V.

Les protections

• Surcharge : comme il n’y a aucun shunt sur le circuit imprimé, je suppose que la mesure est faite à l’aide d’une sortie du transformateur puis remonte au microcontrôleur via l’optocoupleur du milieu.
• Tension d’entrée hors plage : la tension d’entrée remonte au microcontrôleur.
• Surchauffe : le microcontrôleur relève la température grâce à une thermistance.
• Inversion de polarités : bonne question, et étant donné que je n’ai rien vu, je ne ferai pas de test pour vérifier. La manière la plus courante est de mettre une diode entre les bornes d’entrée : en cas de court-circuit, elle devient passante et fait fondre le fusible que le concepteur aura placé en amont.

Conclusion

Cette topologie d’onduleur permet d’avoir un appareil compact, léger et peu couteux à fabriquer. En contrepartie, il ne conviendra pas à toutes les applications. Si vous avez besoin d’alimenter une charge avec une tension similaire au réseau domestique, il faudra prendre un convertisseur “pur sinus” plus cher (et plus difficile à expliquer).

La suite dans un article à venir.

Historique

• 2022-01-30 : Création