ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
LES INTERRUPTEURS SEMI-CONDUCTEURS
I- Pr sentation:
Les syst mes utilis s en lectrotechnique permettent de transformer la nature de l nergie lectrique
et de convertir l nergie lectrique en une autre forme d nergie (m canique, thermique, chimique,
lumineuse, &). L lectronique, lautomatique et linformatique sint ressent essentiellement au
traitement du signal (ou de linformation).
Les syst mes de l lectrotechnique traditionnelle (machines tournantes, clairage, chauffage,
climatisation, &) permettant la conversion de l nergie lectrique, ne peuvent pas toujours tre
reli s directement une source lectrique. Il faut alors avoir recours un dispositif, jouant le r le
dinterface, permettant dadapter (de transformer) les caract ristiques de la source afin dassurer le
bon fonctionnement (et dintroduire des moyens de r glage de transfert d nergie). Ce dispositif est
un convertisseur lectrique.
Lorsque linterface est r alis e par des moyens purement lectroniques (semi conducteurs), elle est
alors appel e convertisseur statique. Ces convertisseurs statiques peuvent se trouver aussi bien
discipline technologique associ e ces r alisations est appel e lectronique de Puissance. Elle
permet:
Une utilisation plus souple et plus adapt e de l nergie lectrique,
Une am lioration de la gestion, du transport et de la distribution de l nergie lectrique,
Une r duction des masses et des volumes, mais aussi du bruit.
Un convertisseur statique est un dispositif, base de semi-conducteurs, qui transforme de l nergie
lectrique disponible, en une forme appropri e pour alimenter une charge.
Energie
Syst me
Electrotechnique
Energie
Commande, Controle
Information
Signal
Syst me
Electronique
(Automatique,Informatique)
Alimentation
Information
Signal
Figure 1. Compl mentarit de l lectrotechnique par rapport l lectronique, lautomatique et Informatique
I- Fonctions de base et terminologie des convertisseurs statiques:
L nergie lectrique est disponible soit sous forme alternative (r seau de distribution lectrique,
alternateurs) soit sous forme continue (batterie daccumulateurs, g n ratrice courant continu,
cellules photovolta ques, pile combustible, &). La charge peut n cessiter une alimentation en
alternatif ou en continu. Il existe donc quatre fonctions de base des convertisseurs statiques. Ces
convertisseurs transforment directement l nergie lectrique, sont appel s mono- tages.
1
Un convertisseur statique est dit r versible lorsque l nergie, peut transiter (en g n ral, tre
contr l e) de mani re bidirectionnelle, cest dire aussi bien dans un sens que dans lautre. Les
notions dentr e et de sortie ne sont alors plus videntes.
Un convertisseur non r versible transf re l nergie dune source vers une charge utilisatrice.
Figure 2. R versibilit (et non r versibilit ) des convertisseurs statiques.
A- Conversion Alternatif Continu (AC/DC):
Le convertisseur jouant le r le dinterface entre une source alternative et une charge aliment e en
continu, est appel : Redresseur (Rectifier).
Le plus souvent, il est aliment par le r seau fr quence industrielle. La tension (ou le courant) de
sortie peut tre, ou non, r glable par rapport la grandeur dentr e (tension ou courant).
B- Conversion Continu Continu (DC/DC):
Le convertisseur jouant le r le dinterface entre une source continue et une charge aliment e en
continu, est appel : Hacheur (Chopper).
C- Conversion Continu Alternatif (DC/AC):
Le convertisseur jouant le r le dinterface entre une source continue et une charge aliment es
suivant le type de charge, ce convertisseur est appel onduleur autonome ou assist . Dans le
dernier cas, le convertisseur est compos de thyristors, sa structure est la m me que le redresseur
r versible (AC-DC / DC-AC).
D- Conversion Alternatif Alternatif (AC/AC):
Ces convertisseurs permettent dobtenir une tension alternative variable de fr quence constante ou
variable, partir dune source alternative. Trois types sont possibles:
1. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative variable.
Cest le gradateur
2
2. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative de valeur
efficace variable et de fr quence variable inf rieure la fr quence de la source.
Cest le cyclo-convertisseur.
3. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative de valeur
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efficace variable avec tension et fr quence variable. La fr quence de la tension de sortie peut tre
sup rieure ou inf rieure la fr quence de la source.
Cest un convertisseur alternatif-continu-alternatif: un redresseur command est utilis pour
obtenir une tension continu variable; et un onduleur est utilis pour obtenir, partir la tension
continu, une tension de sortie tension et fr quence variable.
II- Applications des convertisseurs statiques:
1- Applications domestiques:
- Alimentation des appareils lectroniques (TV, PC, magn toscopes, &).- lectrom nager
(aspirateur, r frig rateur, lave-linge, lave-vaisselle, robots culinaires, &).- clairage. - Chauffage.-
Appareil lectroportatif (perceuse, &).- Actionneurs domotiques (volets roulants, stores lectriques,
&).
Lutilisation de l lectronique de puissance prend de plus en plus dimportance pour deux raisons
principales:
Les co ts de fabrication diminuent (facteur primordial dans les domaines de la grande s rie),
les contraintes sur les niveaux de perturbations et le rendement augmentent.
2- Applications industrielles:
- Pompes, compresseurs. -Variation de vitesse. -Chariots lectriques. -Chauffage par induction.
- Grues. - Fours ( arcs, r sistance).- Appareils de soudage.- lectrolyse.- Onduleurs de secours.
3- Transport:
R seaux de bord davion, commande lectrique.
Traction lectrique (trains, m tros, voitures lectriques, &).
Propulsion lectrique des navires, g n ration d lectricit bord des navires.
G n ration de l nergie lectrique par des cellules photovolta ques, les stations spatiales.
4- Production et Distribution de l lectricit :
Compensateur de puissance r active et filtrage actif (augmenter le facteur de puissance dune
installation et limiter les harmoniques de courant sur le r seau).
Dispositif de stockage de l nergie.
Les applications les plus puissantes des convertisseurs statiques concernent le transport courant
continu - haute tension (CC-HT).
III. Constitution des convertisseurs statiques:
Une conversion d nergie doit tre faite avec le meilleur rendement, pour les raisons suivantes:
difficult d vacuer (dissiper) les pertes si elles sont trop importantes,
le co t des dispositifs dissipateur de chaleur est important,
la fiabilit dun composant (dun syst me) diminue quand sa temp rature augmente,
3
il faut assurer une autonomie suffisante des appareils fonctionnant sur piles ou batteries,
il est n cessaire de conserver un bilan conomique satisfaisant.
Dans le cas o les semi-conducteurs de puissance peuvent tre consid r s comme des interrupteurs
parfaits, l'analyse du principe de fonctionnement des convertisseurs de puissance est videmment
grandement facilit e.
IV. Les interrupteurs semi conducteurs:
Dans ce chapitre, nous allons d crire simplement les principales caract ristiques externes des
composants. Ils peuvent tre class s en trois groupes :
1. Diodes. tats ferm ou ouvert contr l s par le circuit de puissance.
2. Thyristors. Ferm par un signal de commande, mais doit tre ouvert par le circuit de puissance.
3. Interrupteurs commandables l'ouverture et la fermeture. Ouverts et ferm s par un signal de
commande.
La cat gorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants :
Transistors Bipolaires Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs);
Transistors effet de champ Metal-Oxyde-Semi conducteur (MOSFETs);
Thyristors command s l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors);
Transistors bipolaires grille isol e (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs);
Thyristors MOS Command s (MOS-Controlled Thyristors - MCTs).
1. Diodes
les diff rentes diodes existantes,
La figure ci dessous d crit
le symbole de la diode et sa
caract ristique statique iD= f(VD). Lorsque la diode est polaris e en direct, elle commence
conduire partir dune faible tension de seuil Vseuil directe de l'ordre de 1V. Lorsque la diode est
polaris e en inverse, seul un faible courant de fuite n gligeable (quelques mA) circule jusqu'
atteindre la tension d'avalanche. En fonctionnement normal, la tension inverse ne doit pas atteindre
la tension d'avalanche.
Figure 3. Structure, Symbole, Caract ristiques r elle et id ale dune diode jonction PN.
2.Thyristors
La figure 4 d crit le symbole du thyristor et sa caract ristique statique iA=f(VK). Le courant
principal circule de l'anode (A) vers la cathode (K). En polarisation directe, le thyristor poss de
deux caract ristiques selon qu'il est command ou non. Il peut supporter une tension directe positive
sans conduire comme d crit sur la figure 4 ( tat off).
Lorsque le thyristor est polaris en direct, il peut tre plac dans l' tat on en appliquant une
impulsion de courant positive sur la g chette (G). La caract ristique iA=f(VK) r sultante est
d crite sur la figure 4 ( tat on).
4
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Lorsque le thyristor commence conduire, le courant de g chette peut tre annul . Le thyristor ne
peut alors plus tre plac l' tat off par la g chette et se comporte comme une diode. Il se bloque
seulement au moment o le courant iA sannule.
En polarisation inverse, des niveaux de tension inf rieurs la tension d'avalanche inverse, seul un
courant de fuite n gligeable circule dans le thyristor.
Figure 4. Structure, Symbole, Caract ristiques r elle et id ale dun thyristor.
Dans les documentations des fabricants de composants, il existe diff rents types de conceptions des
thyristors comme lindique la figure 5.
Figure 5. Diff rentes repr sentations des thyristors sur le march
3. Transistor MOSFET
Le transistor MOSFET est un interrupteur unidirectionnel en tension et bidirectionnel en courant.
A lavantage dune commande relativement simple qui n cessite peu de puissance. En lectronique
de puissance, il est utilis comme l ment de commutation et par cons quent pr sente deux tats
distincts.
Figure 6. Structure dun transistor MOSFET canal N et enrichissement, Symbole, Caract ristique.
5
4. Transistors IGBT
Les concepteurs ont voulu avoir les avantages suivants :
Tension lev e l tat ouvert,
Tension faible l tat ferm ,
Facile commander,
Bonnes performances dynamiques.
Figure 7. Structure dun transistor IGBT, Symbole et Caract ristiques.
Les IGBT sont tr s r pandus dans les syst mes de conversion con us depuis les ann es 1990. Il est
utilis dans le domaine des moyennes et fortes puissances.
Ce composant est command en tension. Lamor age est identique celui du MOSFET.
Ces composants sont de plus en plus utilis s dans les syst mes modernes de traitement de l nergie
lectrique, comme les onduleurs, les redresseurs MLI, les convertisseurs multi-niveaux, &
5- Thyristors GTO
Par rapport au thyristor classique, le thyristor GTO est en plus commandable louverture par un
courant, iG, n gatif.
Ce composant enti rement commandable est trois segments la diff rence des transistors
pr c dents.
Du point de vu de sa commande, la g chette est parcourue en permanence lors de la phase de
conduction, par le courant iG. Sa commande est donc plus difficile mettre en oeuvre que pour les
composants grille isol e.
Un autre inconv nient est la pr sence de pertes importantes lors de louverture.
Figure 8. Symboles, Caract ristiques r elle et id ale dun Thyristor GTO.
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6- Comparaison entre les diff rents interrupteurs enti rement
commandables
Ce tableau repr sente les caract ristiques des diff rents interrupteurs. Il est bien vident quun tel
tableau ne peut pas faire appara tre les subtilit s entre les diff rents semi-conducteurs. Il permet
davoir une vue densemble de leurs performances.
BJT
MOSFET
IGBT
GTO
En r sum :
Puissance dutilisation
Moyen
Faible
Moyen
Fort
Rapidit de commutation
Moyen
Rapide
Moyen
Lent
Alimentation
R cepteur
Convertisseurs
Alternatif (U1, f1)
Continu U2 fixe ou variable
Continu U1
Continu U1
Alternatif (U2 et f2 fixe ou variable)
Continu U2variable
Redresseur
Onduleur
Hacheur
Publicité
Alternatif (U1, f1)
Alternatif (U2, f2 )
Gradateur (U2 variable f2 fixe ) .
Redresseur + Onduleur (U2 f2 variable)
II. LES INTERRUPTEURS ELECTRONIQUES:
Passant : i
u
Bloqu : i
u
La Diode .
u
A
i
Le thyristor .
u
A
i
C
C
G (gachet t e
IM
Le Transistor (NPN) .
C
I=Ic
U = V CE
E
B IB
Bi
Collecteur
Ic
U = V CE
Ib
Base
VBE
Emetteur
I
P
- Conditions de conduction : u >0
- Etat passant (P): . u 0,7V 0 et
i >0 le point
de fonctionnement d pend de la charge .
B
U
- Conditions de blocage : u<0
i 0 " u<0
*Etat bloqu (B) :
I
P
ig>0
- Conditions de conduction :Il faut u>0 et des
impulsions de g chette .
- Etat passant (P) : u 1,1V 0 et i>0 le point
de fonctionnement d pend de la charge .
- Conditions de blocage : I<IMaintien ou u<0
- Etat bloqu (B ) : i 0 " u<0
ig=0
Bd
U
I=Ic
S
Ibsat
Ic=b.Ib
Ib
7
Ib=0
B
U=Vce
7- Grandeurs caract ristiques
CARACTERISTIQUES DES SIGNAUX PERIODIQUES ET LEURS MESURES .
Valeur Moyenne
Valeur efficace
D finition
<i>=
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1
T
Aire (i,t)=
1
T
T
0
( )
i t dt
>i 2
I= <
carr s
: Racine carr e de la moyenne des
Mesure
-" appareil en position continu ( - ) ou DC
-Un voltm tre analogique ( aiguille)
magn to lectrique ( symbole :
position DC.
-Un voltm tre num rique sur la position DC
( continue, =)
) sur la
RMS: root mean square.
-Signal Alternatif sinuso dal: " appareil en position
alternatif ou AC
-Signal quelconque: RMS en position AC ou
AC+DC (ci-dessous )
-Un voltm tre analogique ferromagn tique
) sur la position AC.
(symbole:
-Un voltm tre num rique dit RMS capable de
mesurer la valeur efficace dune tension de forme
quelconque sur la position AC.
-Bien s r les ferromagn tiques et les num riques
RMS permettent de mesurer la valeur efficace d'une
grandeur alternative sinuso dale et ce sur
les
positions AC ou AC+DC.
Remarque : Composantes continue et alternative d'un signal p riodique : U = <U> + Ua.
Signal r el p riodique
Composante continue
Composante alternative
- Le signal r el est observ avec
l'oscilloscope en position DC
- U2 =<u>2 + UA
- ond=
DU
u< >
2 RMS (AC+DC)
(
$U U
-
u
< >
=
- La composante continue est
la
valeur moyenne du signal (supprim
en position AC de l'oscilloscope )
- Appareils en position continu
( -) ou (DC) .
- Signal observ avec l'oscilloscope
en position AC. La valeur
moyenne de la composante
alternative est nulle <uA>=0 .
*Sa valeur efficace vaut : UA=
<
2
>uA
Appareils RMS (AC)
8