Onduleur vs commande PWM : Rôles distincts, combinaison puissante
Les onduleurs et la modulation de largeur d'impulsion (PWM) sont souvent mentionnés ensemble, mais ils remplissent des fonctions fondamentalement différentes. Un onduleur est une topologie de puissance (conversion DC→AC) ; le PWM est une technique de commande (modulation du cycle de travail des commutateurs). Les onduleurs modernes utilisent presque toujours du PWM en interne.
Onduleur : La topologie de conversion de puissance
Fonction principale
Convertir DC (batterie, solaire, bus DC) → AC (réseau, moteur, charge).
Topologie de base en pont en H (Monophasé)
Vdc+ │ ┌┴┐ Q1 Q2 ┌┴┐ │ ├───────────┤ │ │ │ │ │ CHARGE ├─────────────┤CHARGE │ │ │ │ └┬┘ Q4 Q3 └┬┘ │ │ Vdc-
Les commutateurs (IGBT, MOSFET, FET SiC/GaN) alternent pour synthétiser l'AC.
Spécifications clés de l'onduleur
- Sortie : Tension (RMS), Fréquence (50/60 Hz ou variable), THD (<3–5 % raccordé réseau).
- Topologies : 2 niveaux, 3 niveaux (NPC, type T), multiniveaux (CHB, MMC) pour MT/HT.
- Isolation : Transformateur (BF ou HF) ou sans transformateur (avec contrôle de fuite).
- Applications : Solaire PV, onduleurs, traction VE, variateur vitesse, micro-réseau, HVDC.
PWM : La technique de commande
Principe de base
Faire varier le cycle de travail (D = t_on / T_sw) d'une onde carrée à fréquence fixe pour contrôler la tension moyenne ou le courant moyen délivré à une charge.
PWM dans les onduleurs (SPWM, SVPWM)
- Porteuse : Onde triangulaire haute fréquence (2–20 kHz typique, 50–200 kHz pour SiC/GaN).
- Référence : Onde sinusoïdale (fréquence fondamentale).
- Comparaison : Ref > Porteuse → commutateur ON ; sinon OFF.
- Résultat : Train d'impulsions dont la composante fondamentale suit la référence sinusoïdale.
PWM au-delà des onduleurs (DC-DC, Moteur, LED)
| Application | Rôle du PWM | Fréq. typique |
|---|---|---|
| Convertisseur Buck/Boost | Réguler Vout/Vin via cycle de travail | 100 kHz – 2 MHz |
| Vitesse moteur CC | Tension moyenne → vitesse | 20–100 kHz |
| Gradateur LED | Courant moyen → luminosité | 1–10 kHz (éviter scintillement) |
| Ampli audio Classe-D | PWM encode audio ; passe-bas reconstruit | 300 kHz – 1 MHz |
Relation : PWM à l'intérieur de l'onduleur
Source DC → [Condensateur bus DC] → [Pont onduleur + Driver grille PWM] → Sortie AC ↑ Contrôleur PWM (MCU/FPGA/DSP) - Génère signaux grille - Implémente SPWM / SVPWM / MPC - Boucles commande tension/courant - Sync réseau (PLL), protections
Distinctions clés résumées
| Aspect | Onduleur | Commande PWM |
|---|---|---|
| Domaine | Matériel puissance (topologie, magnétiques, commutateurs) | Traitement signal / algorithme de commande |
| Sortie | Puissance AC (kW–MW) | Signaux logiques grille (0/15 V) |
| Focus conception | Rendement, THD, thermique, EMI, fiabilité | Résolution, temps mort, minimisation harmoniques, latence |
| Peut exister sans l'autre ? | Oui (onde carrée, résonant, PAM) | Oui (DC-DC, moteur, LED, Classe-D) |
Tendances modernes
- Commande prédictive modèle (MPC) : Remplace tables PWM par optimisation temps réel.
- Large bande (SiC/GaN) : Permet PWM 100–500 kHz → magnétiques plus petits, rendement supérieur.
- PWM numérique : FPGA/DPWM avec résolution sous-nanoseconde, temps mort adaptatif.
En résumé : L'onduleur est le muscle (étage de puissance) ; le PWM est le système nerveux (commande). Il faut les deux pour un variateur haute performance.