Département Génie Electrique Module M12 ELECTRONIQUE DE PUISSANCE POLYCOPIE (partie introduction-redresseurs) Elaboré par Mme K. SENHAJI RHAZI Professeur Assistant Ecole Supérieure de Technologie Casablanca 1 INTRODUCTION 1. Généralités sur la conversion de l’énergie électrique : L'électronique de puissance, que l'on devrait d'ailleurs nommer « électronique de conversion d'énergie » a moins de 50 ans. Elle a connu un tel essor qu'aujourd'hui près de 15 % de l'énergie électrique produite est convertie sous une forme ou une autre. L’électronique de puissance trouve une place de choix dans de nombreux secteurs de l’activité industrielle à savoir : - la traction électrique les machines-outils la robotique les techniques spatiales la marine … Pour des raisons économiques, l’énergie est fournie par des réseaux triphasés équilibrés de fréquence 50 Hz. L’utilisateur utilise souvent l’énergie en continu ou à des fréquences différentes de celle du réseau. Au cours de ces années la taille, le poids et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès faits dans le domaine des interrupteurs électroniques (diodes, thyristors, triacs, transistors …). C'est une électronique de commutation : elle tire parti du fait qu'un interrupteur parfait fermé (résistance nulle, tension aux bornes nulle) ou ouvert (résistance infinie, courant traversant nul) ne dissipe aucune énergie, donc ne présente aucune perte. Cela justifie l'essor de ce type d'électronique dans les systèmes à haute puissance puisque les pertes raisonnables permettent une évacuation de la chaleur générée sans recourir à des moyens extrêmes et coûteux. Mais au fil du temps l'électronique de puissance s'est imposée dans tous les domaines où les pertes doivent rester faibles pour limiter l'échauffement comme dans les ordinateurs, et où le rendement doit être élevé pour préserver la source d'énergie comme dans les systèmes alimentés par batteries (GSM, GPS, ordinateurs portables ...). Les convertisseurs statiques sont les dispositifs à composants électroniques capables de modifier la tension et/ou la fréquence de l’onde électrique. On distingue deux types de sources de tension : - sources de tension continues caractérisées par la valeur U de la tension - sources de tension alternatives définies par les valeurs de la tension efficace V et de la fréquence f On différencie quatre types de convertisseurs : - convertisseur alternatif-continu : redresseur convertisseur continu-alternatif : onduleur convertisseur alternatif-alternatif : gradateur si la fréquence reste fixe convertisseur continu-continu : hacheur 2 2. les composants actifs utilisés dans les convertisseurs statiques L’électronique de puissance s’est progressivement imposée comme le moyen privilégié de maîtriser l’énergie électrique. Cette situation résulte de progrès continus concernant autant les concepts que la technologie. La période des années 80-95 a été l’âge d’or des innovations topologiques des structures de convertisseurs statiques de manière à tirer le meilleur parti possible des propriétés d’un semiconducteur donné. Les briques élémentaires qui rentrent dans la constitution d’un convertisseur statique sont : - les composants actifs les composants passifs : condensateurs… les refroidisseurs les filtres inductances, transformateurs, câblages, Lorsqu’il conçoit un « convertisseur statique », les préoccupations du concepteur sont toujours les mêmes : - choix de la structure calcul et évacuation des pertes détermination des éléments parasites qui nous éloignent du fonctionnement idéal supposant les divers constituants parasites respect des normes, CEM surtout contraintes volumiques et parfois contraintes mécaniques Les éléments utilisés sont des dispositifs statiques à semi-conducteurs. Ils se différencient par la « fonction interrupteur » qu’ils remplissent, selon les critères suivants : 3 - leur caractéristique statique V(I) - la possibilité ou non de commander leur blocage ou leur amorçage (caractéristique dynamique) Il y a 4 catégories d’interrupteurs : - amorçage et blocage commandés (transistor, GTO, MOS) - amorçage et blocage spontanés (diode) - amorçage commandé, blocage spontané (thyristor) - blocage commandé, amorçage spontané (thyristor dual) 1. DIODE anode cathode Une diode est une jonction PN de semi-conducteurs, c’est un interrupteur passif polarisé. Le sens de branchement de la diode a une importance sur le branchement du montage. 1.1. Caractéristique statique I Courant direct Courant inverse Ud Les conditions d’amorçage sont : VAK>0 : fermeture Les conditions de blocage sont : iAK = 0 ; VAK<0 : ouverture 4 1.2. Caractéristique dynamique Elle concerne le passage de l’état passant à l’état bloqué et inversement. Le phénomène le plus important est le blocage car le temps d’amorçage est beaucoup plus faible que le temps de blocage. Le blocage d’une diode est caractérisé par l’annulation du courant direct puis l’apparition d’une tension inverse à ses bornes. Ce temps de blocage, généralement de quelques μs peut descendre jusqu’à 100 ns avec certaines diodes dites rapides. 2. LE THYRISTOR gâchette anode cathode VAK C’est un semi-conducteur commandable à l’amorçage et spontané au blocage. 2.1. Caractéristique statique I iG V On observe 2 types de fonctionnement : à courant de gâchette nul, le thyristor reste bloqué lorsque la tension appliquée évolue entre VRM et VDM val max inv val max dir 5 Le thyristor s’amorce par avalanche et se comporte comme une diode conductrice si la tension directe dépasse VDM (cas à éviter). à courant de gâchette d’intensité supérieure à IGT, le thyristor est conducteur la valeur de la tension directe appliquée. L’extinction du thyristor n’est pas contrôlable et ne peut avoir lieu que si le courant direct est < IH (courant de maintien). 2.2. Caractéristiques dynamiques 2.2.1. Amorçage : Pour amorcer le thyristor, il faut prendre les précautions suivantes : Attaquer la gâchette en courant Prévoir une impulsion de courant nettement supérieure à la valeur minimale I GT Prévoir une durée d’impulsion suffisante Limiter éventuellement le di/dt 2.2.2. Blocage : On définit : *tinv= temps d’application de la tension inverse pour assurer le blocage du thyristor *tq = temps de blocage (donné par le constructeur) On rappelle que pour bloquer un thyristor, il est nécessaire d’éteindre son courant direct pendant une durée supérieure à son temps de recouvrement. 3. LE TRANSISTOR BIPOLAIRE C’est un commutateur utilisable en électronique des courants forts. Il peut bloquer des tensions directes de plusieurs centaines de volts. Il peut établir, conduire et bloquer des courants directs de plusieurs dizaines d’ampères. Les transistors les plus utilisés sont de type NPN 6 collecteur N base P N emetteur 3.1. Caractéristiques statiques générales : La commande s’opère par le courant iB envoyé dans la jonction base-émetteur. La tension aux bornes considérée est la différence de potentiel vCE entre le collecteur et l’émetteur. Le courant commandé est celui iC du collecteur. Le point B correspond au blocage du transistor, on l’obtient lorsque I B =0 7 3.2. Caractéristiques statiques en régime de commutation : Etat bloqué-Limites en tension : L’état bloqué correspond à un courant de base nul. Les valeurs maximales de la tension directe VCE admissibles sont : * VCE0 : base ouverte : valeur maximale de la tension bloquée à courant de base nul * VCER : base reliée à l’émetteur par une résistance * VCEX : valeur maximale de la tension bloquée en commande inverse 3.3. Fonctionnement dynamique : Fermeture : le temps de fermeture est la durée entre l’application du courant de base et le passage de IC à 90% de sa valeur finale ; tON = td + tr td : temps de retard à la fermeture ( delay time) tr : temps de montée (rise time) Ouverture : la durée toff entre la disparition du courant de base et le passage de IC à 10% de sa valeur initiale se décompose en : toff = ts + tf ts : temps d’évacuation de la charge stockée (storage time ) tf : temps de descente ( fall time ) Ic td ts tr tf Ic 0,9 Ic 0,1 Ic t IB t 8 3. LE TRANSISTOR MOS DE PUISSANCE Les MOS de puissance sont des dispositifs à effet de champ à blocage et amorçage commandés par une tension. Les deux électrodes de puissance, appelées drain et source, correspondent respectivement au collecteur et à l’émetteur d’un transistor bipolaire. L’électrode de commande appelée grille ou gate est électriquement isolée. D VDS Id Canal N G S VGS VDS > 0 : le courant ID va du drain vers la source VGS (tension de commande) : * VGS = 0 ; MOS bloqué * VGS = +10 V ; MOS saturé En inverse, le MOS se réduit à une jonction PN (diode) 5. LE THYRISTOR BLOCABLE GTO Le GTO est un dispositif bistable à 4 couches semi- conductrices, proche du thyristor, dont on peut commander l’amorçage et le blocage par une gâchette. A A T2 P N N P P T1 N G G K K 9 6. LE TRIAC C’est l’équivalent de deux thyristors tête-bêche, avec une gâchette commune. L’amorçage peut se faire par des positions de gâchette positives ou négatives. A G K Destiné à fonctionner sur l’alternatif, il reste limité aux faibles puissances. INTRODUCTION A L’ETUDE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 1. Configuration de base ie Source d’énergie is Recepteur ve convertiss vs d’énergie eur commande Au cours de fonctionnement, le convertisseur statique connecte par l’intermédiaire de ses interrupteurs les branches des systèmes électriques entre lesquels il assure et contrôle l’échange d’énergie. Pour le bon fonctionnement, il y a 3 lois à respecter : Une source de tension (branche comportant une capacité en parallèle par exemple) ne doit jamais être court-circuitée. Le circuit d’une source de courant (branche comportant une inductance en série par exemple) ne doit jamais être ouvert. On ne doit jamais connecter deux sources de même nature entre elles. 2. LES STRUCTURES Pour bien dégager les structures fondamentales des convertisseurs, nous ferons l’hypothèse que les grandeurs continues sont constantes et les grandeurs alternatives sont sinusoïdales. 10 CHAPITRE 1: COVERTISSEURS ALTERNATIF-CONTINU (LES MONTAGES REDRESSEURS A DIODES) I. PROPRIETES GENERALES : La mise au point des semi conducteurs de puissance a donné un essor considérable à la transformation alternatif-continu. I.1. Les montages : Pour obtenir une tension continue, on redresse, à l’aide d’un ou de deux commutateurs, un ensemble de tensions alternatives sinusoïdales formé par un système polyphasé équilibré. I.1.1. Redressement parallèle (P) : On l’obtient lorsque les diodes ont une électrode commune et lorsque les enroulements secondaires du transformateur d’alimentation sont en étoile. Pour le cas triphasé : V1 Vd D1 Vs Réseau triphasé Is Les cathodes sont au même potentiel On montre facilement que seule la diode dont l’anode est au plus haut potentiel peut conduire. Les allures de vS et vD sont les suivantes : 11 I.1.2. Redressement parallèle double : Le secondaire du transformateur est couplé en étoile et connecté à deux groupes de diodes ; un commutateur à anode commune et un commutateur à cathode commune. Pour le cas triphasé : 12 L’existence d’un courant dans la charge exige la conduction de deux diodes, une de chaque commutateur. Pour le commutateur à cathode commune, celle dont l’anode est au potentiel positif le plus élevé. Pour le commutateur à anode commune, celle dont la cathode est au potentiel négatif le plus faible. Chaque diode conduit pendant un tiers de période. I.2. Plan d’étude des redresseurs : L’étude des redresseurs s’effectue par étapes successives. Etude des tensions Etude des courants Etude des chutes de tension II. REDRESSEURS DE TYPE PARALLELE Les résultats généraux établis à partir de l’étude qualitative des montages triphasés ne s’appliquent pas toujours aux dispositifs monophasés. II.1.Redressement monophasé monoalternance : 13 a. si la charge est résistive : Les allures de us(t), i(t) et sont les suivantes : 14 b. si la charge est inductive : De 0 à , v(t) = Ri + Ldi/dt = VMsin(t) I(t) = VM/(R2+L22) (sin (t-) + sin e(-R/Lt)) ; tg = L/R Vs0 = VM/2 *(1-cos) Imoy = Vs0/R II.2. Redressement monophasé double alternance : transformateur à point milieu D1 charge V(t) vs D2 15 Les formes d’ondes sont les suivantes : VS0 = 2VM/ II.3. Système à trois diodes : voir avant, triphasé parallèle simple VS0 = 3VM√3/(2π) III. REDRESSEMENT PARALLELE DOUBLE III.1. Redressement monophasé en pont de Graetz ich is D1 D2 vs source alternative D3 Les formes d’ondes sont les suivantes : 16 D4 charge VS0 = 2VM/ III.2. Redressement parallèle double triphasé: Pour le montage, voir avant Les formes d’ondes sont les suivantes : 17 VS0 = 3VM/ *3 . LES MONTAGES REDRESSEURS A THYRISTORS Les montages redresseurs à thyristors utilisent les mêmes schémas que les redresseurs à diodes. On peut retarder la commutation en agissant sur la gâchette. On caractérise le retard par l’angle % à la commutation naturelle 18
