Le réseau électrique fonctionne au courant alternatif. Dans un scénario parfait, la charge serait purement résistive. Cependant, en raison de moteurs présents dans les maisons et les usines, la charge est en fait inductive.
Une différence de phase apparaît entre le courant du réseau et le courant de la charge. Cela peut être conçu comme un simple circuit RL. Comme le montre la Figure 1, les différents types de puissance sont appelés puissance réelle, puissance réactive et puissance apparente.
Figure 1
La puissance réactive représente l'énergie électrique stockée dans une bobine qui, par la suite, est transportée de nouveau vers le réseau. Les bobines idéales ne consomment pas d'énergie électrique, mais génèrent en revanche un courant électrique important. La puissance réelle est la puissance consommée en raison de la charge résistive, et la puissance apparente correspond à la puissance électrique à laquelle le réseau doit pouvoir résister. L'unité de puissance réelle est le watt, tandis que celle de la puissance apparente est le VA (Volt-Ampère)
On fait souvent l'analogie avec le verre de bière et la mousse de la bière. Vous finissez par boire la puissance réelle. Le verre correspond à la puissance apparente et doit être assez grand pour contenir le liquide et sa mousse.
Le problème lié à la puissance réactive n'est pas seulement technique : celle-ci peut avoir un impact économique considérable. En effet, la compagnie d'électricité doit construire un réseau capable de transporter l'énergie apparente, en facturant seulement la puissance réelle. Un trop grand écart de différence ne serait pas viable. Le rapport entre puissance réelle et puissance apparente est appelé « facteur de puissance ». Le facteur de puissance doit se rapprocher autant que possible de « 1 » Des composants électroniques, appelés correcteurs du facteur de puissance sont utiles à cette fin. Les pays adoptent souvent des projets de loi visant à renforcer la conformité des appareils électroniques aux normes toujours plus strictes, afin d'obtenir un bon label énergétique.
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Les convertisseurs CA/CC traditionnels utilisent surtout des redresseurs à pont pleine onde avec un simple filtre de condensateur pour s'alimenter sur la ligne de courant alternatif. Par conséquent, l'onde de courant de la ligne est une impulsion étroite, et le facteur de puissance est faible (0,5-0,6) en raison de la distorsion harmonique élevée du courant (voir la Figure 2).
Figure 2
Il existe plusieurs méthodes pour améliorer le correcteur du facteur de puissance. Pour des puissances plus faibles, une solution passive avec des composants discrets suffit dans la plupart des cas. Comme vu précédemment, une charge est surtout inductive. Le fait de lui associer des condensateurs en parallèle permet d'améliorer le facteur de puissance. Si jamais les applications nécessitent quelques dizaines de watts supplémentaires, une correction active du facteur de puissance s'avère indispensable. La topologie la plus courante est la topologie élévateur, pouvant être divisée en 2 sous-catégories :
- Mode de transition ou mode conduction critique pour quelques dizaines de watts, jusqu'à plusieurs centaines de watts
- Mode conduction continue pour quelques centaines de watts jusqu'à plusieurs milliers de watts.
La Figure 3 montre l'implémentation de la correction du facteur de puissance (PCF) devant le condensateur de masse en tant que circuit de convertisseur élévateur.
Figure 3
L'objectif est de façonner le courant d'entrée de manière sinusoïdale, pour le conformer à la tension sinusoïdale d'entrée. Une référence sinusoïdale interne est générée. Cette référence est comparée au signal externe ; lorsque l'erreur est trop grande, le MOSFET est désactivé. Puis, lorsque le courant passe à zéro, le MOSFET est de nouveau activé. Le mode de transition a une période d'activité fixe et présente une courbe, comme dans la Figure 4.
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Figure 4 : onde de courant d'inducteur et temporisation MOSFET : mode de transition
Le système fonctionne très près de la frontière entre le mode de courant continu et discontinu. C'est pour cela qu'il est appelé PFC en mode de transition. Les amplitudes du courant sont élevées, et le courant de crête est deux fois supérieur au courant moyen. Il est donc nécessaire, pour les puissances élevées, d'obtenir un courant se rapprochant de la courbe d'une onde sinusoïdale. La solution réside dans le mode de conduction continue, qui applique une fréquence fixe limitant les variations du courant (voir la Figure 5). Il s'agit de la conception la plus complexe, mais qui permet d'atteindre un facteur de puissance de 0,99.
Figure 5 : onde de courant d'inducteur et temporisation MOSFET : mode de conduction continue
D'autres méthodes existent, comme le temps d'arrêt fixe (FOT, Fixed Off Time), où la modulation se produit lors du temps de mise en marche. Dans certains cas, cette méthode peut fournir des résultats semblables à ceux du mode de courant continu, mais avec une implémentation similaire à celle du mode de transition. Lorsque la puissance doit être augmentée et qu'un simple mode de transition ne suffit plus, la solution peut se présenter sous forme de PFC intercalé. Ce genre de solution nécessite plus de composants, mais sa conception est bien plus facile.