ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
LES INTERRUPTEURS SEMI-CONDUCTEURS
I- Présentation:
Les systèmes utilisés en Électrotechnique permettent de transformer la nature de l’énergie électrique et de convertir l’énergie électrique en une autre forme d’énergie (mécanique, thermique, chimique, lumineuse, …). L’électronique, l’automatique et l’informatique s’intéressent essentiellement au traitement du signal (ou de l’information). Les systèmes de l’électrotechnique traditionnelle (machines tournantes, éclairage, chauffage, climatisation, …) permettant la conversion de l’énergie électrique, ne peuvent pas toujours être reliés directement à une source électrique. Il faut alors avoir recours à un dispositif, jouant le rôle d’interface, permettant d’adapter (de transformer) les caractéristiques de la source afin d’assurer le bon fonctionnement (et d’introduire des moyens de réglage de transfert d’énergie). Ce dispositif est un convertisseur électrique. Lorsque l’interface est réalisée par des moyens purement électroniques (semi conducteurs), elle est alors appelée convertisseur statique. Ces convertisseurs statiques peuvent se trouver aussi bien discipline technologique associée à ces réalisations est appelée Électronique de Puissance. Elle permet:
– Une utilisation plus souple et plus adaptée de l’énergie électrique, – Une amélioration de la gestion, du transport et de la distribution de l’énergie électrique, – Une réduction des masses et des volumes, mais aussi du bruit.
Un convertisseur statique est un dispositif, à base de semi-conducteurs, qui transforme de l’énergie électrique disponible, en une forme appropriée pour alimenter une charge.
Energie
Système Electrotechnique
Energie
Commande, Controle
Information
Signal
Système Electronique (Automatique,Informatique)
Alimentation
Information
Signal
Figure 1. Complémentarité de l’électrotechnique par rapport à l’électronique, l’automatique et Informatique
I- Fonctions de base et terminologie des convertisseurs statiques:
L’énergie électrique est disponible soit sous forme alternative (réseau de distribution électrique, alternateurs) soit sous forme continue (batterie d’accumulateurs, génératrice à courant continu, cellules photovoltaïques, pile à combustible, …). La charge peut nécessiter une alimentation en alternatif ou en continu. Il existe donc quatre fonctions de base des convertisseurs statiques. Ces convertisseurs transforment directement l’énergie électrique, sont appelés mono-étages.
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Un convertisseur statique est dit réversible lorsque l’énergie, peut transiter (en général, être contrôlée) de manière bidirectionnelle, c’est à dire aussi bien dans un sens que dans l’autre. Les notions d’entrée et de sortie ne sont alors plus évidentes. Un convertisseur non réversible transfère l’énergie d’une source vers une charge utilisatrice.
Figure 2. Réversibilité (et non réversibilité) des convertisseurs statiques.
A- Conversion Alternatif – Continu (AC/DC):
Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source alternative et une charge alimentée en continu, est appelé : Redresseur (Rectifier).
Le plus souvent, il est alimenté par le réseau à fréquence industrielle. La tension (ou le courant) de sortie peut être, ou non, réglable par rapport à la grandeur d’entrée (tension ou courant).
B- Conversion Continu – Continu (DC/DC):
Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentée en continu, est appelé : Hacheur (Chopper).
C- Conversion Continu – Alternatif (DC/AC):
Le convertisseur jouant le rôle d’interface entre une source continue et une charge alimentées suivant le type de charge, ce convertisseur est appelé onduleur autonome ou assisté. Dans le dernier cas, le convertisseur est composé de thyristors, sa structure est la même que le redresseur réversible (AC-DC / DC-AC).
D- Conversion Alternatif – Alternatif (AC/AC):
Ces convertisseurs permettent d’obtenir une tension alternative variable de fréquence constante ou variable, à partir d’une source alternative. Trois types sont possibles: 1. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative variable. C’est le gradateur
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2. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative de valeur efficace variable et de fréquence variable inférieure à la fréquence de la source. C’est le cyclo-convertisseur. 3. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tension alternative de valeur efficace variable avec tension et fréquence variable. La fréquence de la tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la fréquence de la source. C’est un convertisseur alternatif-continu-alternatif: un redresseur commandé est utilisé pour obtenir une tension continu variable; et un onduleur est utilisé pour obtenir, à partir la tension continu, une tension de sortie à tension et fréquence variable.
II- Applications des convertisseurs statiques:
1- Applications domestiques:
- Alimentation des appareils électroniques (TV, PC, magnétoscopes, …).- Électroménager (aspirateur, réfrigérateur, lave-linge, lave-vaisselle, robots culinaires, …).- Éclairage. - Chauffage.- Appareil électroportatif (perceuse, …).- Actionneurs domotiques (volets roulants, stores électriques, …). L’utilisation de l’électronique de puissance prend de plus en plus d’importance pour deux raisons principales: – Les coûts de fabrication diminuent (facteur primordial dans les domaines de la grande série), – les contraintes sur les niveaux de perturbations et le rendement augmentent.
2- Applications industrielles:
- Pompes, compresseurs. -Variation de vitesse. -Chariots électriques. -Chauffage par induction. - Grues. - Fours (à arcs, à résistance).- Appareils de soudage.- Électrolyse.- Onduleurs de secours.
3- Transport:
– Réseaux de bord d’avion, commande électrique. – Traction électrique (trains, métros, voitures électriques, …). – Propulsion électrique des navires, génération d’électricité à bord des navires. – Génération de l’énergie électrique par des cellules photovoltaïques, les stations spatiales.
4- Production et Distribution de l’électricité:
– Compensateur de puissance réactive et filtrage actif (augmenter le facteur de puissance d’une installation et limiter les harmoniques de courant sur le réseau). – Dispositif de stockage de l’énergie. 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’énergie doit être faite avec le meilleur rendement, pour les raisons suivantes:
– difficulté d’évacuer (dissiper) les pertes si elles sont trop importantes, – le coût des dispositifs dissipateur de chaleur est important, – la fiabilité d’un composant (d’un système) diminue quand sa température augmente,
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– il faut assurer une autonomie suffisante des appareils fonctionnant sur piles ou batteries, – il est nécessaire de conserver un bilan économique satisfaisant.
Dans le cas où les semi-conducteurs de puissance peuvent être considérés comme des interrupteurs parfaits, l'analyse du principe de fonctionnement des convertisseurs de puissance est évidemment grandement facilitée.
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IV. Les interrupteurs semi conducteurs:
Dans ce chapitre, nous allons décrire simplement les principales caractéristiques externes des composants. Ils peuvent être classés en trois groupes :
1. Diodes. États fermé ou ouvert contrôlés par le circuit de puissance. 2. Thyristors. Fermé par un signal de commande, mais doit être ouvert par le circuit de puissance. 3. Interrupteurs commandables à l'ouverture et à la fermeture. Ouverts et fermés par un signal de commande. La catégorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants :
Transistors Bipolaires à Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs); Transistors à effet de champ Metal-Oxyde-Semi conducteur (MOSFETs); Thyristors commandés à l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors); Transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs); Thyristors MOS Commandés (MOS-Controlled Thyristors - MCTs).
1. Diodes
les différentes diodes existantes,
La figure ci dessous décrit le symbole de la diode et sa caractéristique statique iD= f(VD). Lorsque la diode est polarisée en direct, elle commence à conduire à partir d’une faible tension de seuil Vseuil directe de l'ordre de 1V. Lorsque la diode est polarisée en inverse, seul un faible courant de fuite négligeable (quelques mA) circule jusqu'à atteindre la tension d'avalanche. En fonctionnement normal, la tension inverse ne doit pas atteindre la tension d'avalanche.
Figure 3. Structure, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale d’une diode à jonction PN.
2.Thyristors La figure 4 décrit le symbole du thyristor et sa caractéristique statique iA=f(VK). Le courant principal circule de l'anode (A) vers la cathode (K). En polarisation directe, le thyristor possède deux caractéristiques selon qu'il est commandé ou non. Il peut supporter une tension directe positive sans conduire comme décrit sur la figure 4 (état off). Lorsque le thyristor est polarisé en direct, il peut être placé dans l'état on en appliquant une impulsion de courant positive sur la gâchette (G). La caractéristique iA=f(VK) résultante est décrite sur la figure 4 (état on).
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Lorsque le thyristor commence à conduire, le courant de gâchette peut être annulé. Le thyristor ne peut alors plus être placé à l'état off par la gâchette et se comporte comme une diode. Il se bloque seulement au moment où le courant iA s’annule. En polarisation inverse, à des niveaux de tension inférieurs à la tension d'avalanche inverse, seul un courant de fuite négligeable circule dans le thyristor.
Figure 4. Structure, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale d’un thyristor.
Dans les documentations des fabricants de composants, il existe différents types de conceptions des thyristors comme l’indique la figure 5.
Figure 5. Différentes représentations des thyristors sur le marché
3. Transistor MOSFET
Le transistor MOSFET est un interrupteur unidirectionnel en tension et bidirectionnel en courant. A l’avantage d’une commande relativement simple qui nécessite peu de puissance. En électronique de puissance, il est utilisé comme élément de commutation et par conséquent présente deux états distincts.
Figure 6. Structure d’un transistor MOSFET à canal N et à enrichissement, Symbole, Caractéristique.
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4. Transistors IGBT
Les concepteurs ont voulu avoir les avantages suivants : – Tension élevée à l’état ouvert, – Tension faible à l’état fermé, – Facile à commander, – Bonnes performances dynamiques.
Figure 7. Structure d’un transistor IGBT, Symbole et Caractéristiques.
Les IGBT sont très répandus dans les systèmes de conversion conçus depuis les années 1990. Il est utilisé dans le domaine des moyennes et fortes puissances. Ce composant est commandé en tension. L’amorçage est identique à celui du MOSFET. Ces composants sont de plus en plus utilisés dans les systèmes modernes de traitement de l’énergie électrique, 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 à l’ouverture par un courant, iG, négatif. Ce composant entièrement commandable est à trois segments à la différence des transistors précédents. Du point de vu de sa commande, la gâchette est parcourue en permanence lors de la phase de conduction, par le courant iG. Sa commande est donc plus difficile à mettre en oeuvre que pour les composants à grille isolée. Un autre inconvénient est la présence de pertes importantes lors de l’ouverture.
Figure 8. Symboles, Caractéristiques réelle et idéale d’un Thyristor GTO.
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6- Comparaison entre les différents interrupteurs entièrement commandables
Ce tableau représente les caractéristiques des différents interrupteurs. Il est bien évident qu’un tel tableau ne peut pas faire apparaître les subtilités entre les différents semi-conducteurs. Il permet d’avoir une vue d’ensemble de leurs performances.
BJT MOSFET IGBT GTO
En résumé:
Puissance d’utilisation Moyen Faible Moyen Fort
Rapidité de commutation Moyen Rapide Moyen Lent
Alimentation
Récepteur
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
Alternatif (U1, f1)
Alternatif (U2, f2 )
Gradateur (U2 variable f2 fixe ) . Redresseur + Onduleur (U2 f2 variable)
II. LES INTERRUPTEURS ELECTRONIQUES:
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Passant : i
u
Bloqué: 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): . u0,7V 0 et
i >0 le point
de fonctionnement dépend de la charge .
B
U
* Conditions de blocage : u<0 i 0 u<0 *Etat bloqué (B) :
I
P
ig>0
* Conditions de conduction :Il faut u>0 et des impulsions de gâchette . * Etat passant (P) : u1,1V0 et i>0 le point de fonctionnement dépend de la charge . * Conditions de blocage : I<IMaintien ou u<0 * Etat bloqué (B ) : i 0 u<0
ig=0
Bd
U
I=Ic
S
Ibsat
Ic=.Ib
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Ib
7
Ib=0
B
U=Vce
7- Grandeurs caractéristiques
CARACTERISTIQUES DES SIGNAUX PERIODIQUES ET LEURS MESURES .
Valeur Moyenne
Valeur efficace
Définition
<i>=
1 T
Aire (i,t)=
1 T
T
0
( ) i t dt
i 2
I= carrés
: Racine carrée de la moyenne des
Mesure
- appareil en position continu ( ) ou DC -Un voltmètre analogique (à aiguille)
magnétoélectrique ( symbole : position DC. -Un voltmètre numérique sur la position DC ( continue, =)
) sur la
RMS: root mean square.
-Signal Alternatif sinusoïdal: appareil en position alternatif ou AC -Signal quelconque: RMS en position AC ou AC+DC (ci-dessous ) -Un voltmètre analogique ferromagnétique
) sur la position AC.
(symbole: -Un voltmètre numérique dit RMS capable de mesurer la valeur efficace d’une tension de forme quelconque sur la position AC. -Bien sûr les ferromagnétiques et les numériques RMS permettent de mesurer la valeur efficace d'une grandeur alternative sinusoïdale et ce sur les positions AC ou AC+DC.
Remarque : Composantes continue et alternative d'un signal périodique : U = <U> + Ua.
Signal réel périodique
Composante continue
Composante alternative
* Le signal réel est observé avec l'oscilloscope en position DC * U2 =<u>2 + UA
* ond=
U u
2 RMS (AC+DC) U U u
=
* La composante continue est la valeur moyenne du signal (supprimé en position AC de l'oscilloscope ) * Appareils en position continu
( ) ou (DC) .
* Signal observé 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)
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