Module ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Conception d’un processus industriel Réseau d’énergie Paramètre de consigne ec Signal de commande ecom Organe de consigne Correcteur électrique Grandeur à contrôler y e Commande rapprochée Convertisseur statique Organe de mesure y m Electronique de réglage et de commande Electronique de puissance Processus 2 Introduction à l’électronique de puissance Présentation : Le Génie Electrique ou « Electrotechnique » est l’étude des applications techniques de l’électricité qui mettent en jeu plutôt une énergie qu’un signal. Son domaine d’intervention est la production, le transport, la distribution, le traitement, la transformation, la gestion et l’utilisation de l’énergie électrique. 4 Particularité d’un système Electrotechnique : Energie Système Electrotechnique Energie Information de contrôle Information Système Electronique, Automatique ou ou Signal Informatique Information ou Signal Support énergétique 5 Electronique de Puissance : L'électronique de puissance est la branche du génie électrique qui a pour objet l’étude de la conversion statique d’énergie électrique. Elle assure, à l'aide des interrupteurs semiconducteurs de puissance, le réglage et mise en forme de l'énergie électrique en une forme appropriée. 6 Groupe Ward Léonard Inconvénients : • Système encombrent • Rendement faible • Coût élevé • Entretien permanent 7 Electronique de Puissance Interrupteurs de Puissance : ( Diodes, Thyristors, transistors, … ) Convertisseurs statiques d’énergie. ( Conversion statique d’énergie) Avantages : Système souple, Coût réduit, rendement élevé, … 8 1. Objet de l'électronique de puissance : L’Electronique de puissance étudie comment on peut régler : la tension, le courant ou la puissance. Générateur Semi-conducteurs de puissance fonctionnant en commutation Récepteur 9 Un semi-conducteur de puissance fonctionne en commutation s'il peut prendre deux états distincts. État ON État OFF La manière dont un semi-conducteur commute d'un état à l'autre dépend du type de semi-conducteur. 10 La diode, le thyristor, le transistor de puissance … Dispositifs de commutation dans les applications de puissance But : Mode de fonctionnement Principales caractéristiques (statiques et dynamiques) Expliquer leur utilisation dans les équipements de puissance (redresseurs, hacheurs, onduleurs, ….). 12 Principe de fonctionnement : La commutation Commutation du courant I d’une branche à l’autre d’un circuit électrique. 13 Caractéristique statique d’un interrupteur idéal : Interrupteur idéal : (a) symbole ; (b) caractéristique. Le courant est négligeable pour un interrupteur ouvert, la d.d.p est très faible aux bornes de l’interrupteur fermé. 14 Classification des Interrupteurs de puissance : Selon leurs possibilités de commande, on peut définir trois classes de semi-conducteurs de puissance : Interrupteurs non commandables (diodes) ; Interrupteurs commandables à la fermeture (thyristors ) ; Interrupteurs commandables à la fermeture et à l’ouverture (transistors, GTO). 15 Diode de puissance : La diode de puissance est un composant semiconducteur non commandable. C’est un élément redresseur constitué d’une jonction PN. Elle réalise les fonctions suivantes : Elle conduit le courant dans le sens anode – cathode (sens direct). Elle est bloquée dans le sens cathode-anode (sens inverse). 16 Caractéristique et modèles électriques statiques d'une diode 17 Commutation de la diode : a - Etat passant : vD = vTO + rD*iD 1 T PF (c) O vD .iD .dt vTO .I D moy rD .I D2 eff T b - Etat bloqué : 1 T PF ( B) O vR .iR .dt T est négligeable devant PF (C). 18 Les paramètres importants de blocage de la diode sont : Temps de recouvrement : trr = tr + tri , Pointe de courant inverse : IRM. Phénomène de blocage d’une diode. 19 La diode se bloque quand son courant direct s’annule (Id = 0). 20 Critères de choix : Le constructeur indique les valeurs maximales acceptables : de l'intensité du courant direct : ID ; de l'intensité du courant direct efficace: IDeff ; de l'intensité de pointe non répétitive : IDSM ; de la température de jonction en régime permanent : Tvj de la tension inverse maximale répétitive : VRRM de la tension inverse maximale non répétitive : VRSM 21 22 Thyristors SCR Le thyristor SCR est un composant semi–conducteur de puissance commandable à la fermeture. Thyristor : (a) Structure (b) Symbole 23 IH : Courant de maintien IL : Courant d’accrochage tq : temps de recouvrement Caractéristiques de thyristor avec courant de gâchette. 24 a. Fermeture C'est le passage d'un état bloqué direct à un état passant. On nommera désormais improprement "impulsion" l'onde iG(t) à appliquer pour fermer le thyristor. +inductif - inductif 25 b. Ouverture (blocage, déclenchement) La figure suivante donne les allures de la tension et du courant durant le blocage : 26 Triac : Triac : (a) Equivalent à thyristors, (b) Structure + boîtier , (c) Symbole 27 Triac : La caractéristique est évidemment symétrique. Elle présente une tension nulle (vAK = 0) dans le régime conducteur et un courant nul (iA = 0) dans le régime bloqué. Caractéristique de Triac 28 Les Transistors de Puissance 1 - Transistors bipolaire à commutation : (a) (b) Transistor bipolaire à commutation (a) structure NPN + Symbole (b) montage Darlington 29 1 - Transistors bipolaire à commutation : Caractéristiques d’un transistor bipolaire (a) caractéristiques de sortie (b) caractéristiques de commande Le courant IB fixe l’état de conduction ou du blocage du bipolaire: - Si IB = 0 donc le transistor est bloqué. - Si IB > 0 ( pour une valeur suffisante) le transistor est en conduction 30 1 - Transistors bipolaire à commutation : ab :Limite maximal du courant bc :Limite de la puissance dissipée cd :Limite par le claquage secondaire de :Limite de la tension maximale Aire de sécurité (SOA) du transistor bipolaire 31 1 - Transistors bipolaire à commutation : 32 2- Transistors MOSFET (Metal-Oxyde-Semiconducteur Feild-Effect-Transistor) La structure physique du transistor MOS fait apparaître une diode en antiparallèle avec le transistor Transistor MOS avec sa diode de structure en antiparallèle 33 2- Transistors MOSFET La tension uGS fixe l’état de conduction ou du blocage du MOS. Le transistor MOS permet une fréquence de commutation bien supérieure à celle autorisée pour le transistor bipolaire. 34 2- Transistors MOSFET 35 3- Transistor IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) (a) (b) Transistor IGBT (a) symbole (b) schéma équivalent. On associe l’intérêt du MOS (vitesse de commutation, facilité de commande, aire de sécurité...etc.) au caractéristique d’un bipolaire. 36 Thyristors GTO ( Gate Turn Off ) : Le thyristor GTO est un semi-conducteur composé de trois jonctions (PNPN) similaire à un thyristor. Il est commandé au blocage et à l'amorçage par la même gâchette. Donc les 2 états de fonctionnement du composant sont contrôlés par le courant de la gâchette. Différents symboles du GTO 37 Thyristors GTO ( Gate Turn Off ) : Le GTO présente l'avantage par rapport au thyristor de pouvoir être rendu passant par une impulsion et bloqué par une autre impulsion inverse. Cette impulsion inverse dépend du courant d'anode à interrompre et de ce fait le circuit de commutation va être simplifié, le blocage est très rapide et en conséquence le GTO va pouvoir travailler à des fréquences supérieures à celles du simple thyristor. Mais le courant inverse de gâchette qui va provoquer le blocage doit être élevé. Ainsi un GTO qui possède un courant de pointe direct de 2000A nécessitera un courant inverse de gâchette de 500A pour être interrompu. 38 Thyristors GTO ( Gate Turn Off ) : (a) fonctionnement sans tension inverse (b) fonctionnement avec tension inverse (c) fonctionnement avec conduction inverse Modification du comportement d’un thyristor blocable GTO 39 Utilisation des composants semi-conducteurs de puissance dans les convertisseurs statiques Interrupteurs unidirectionnel en courant : La Diode : à fermeture naturelle ou spontanée (amorçage dès que VAK devient positive), à ouverture naturelle. Elle se bloque quand le courant qui était positif s’annule), apte à bloquer des tensions négatives, 40 Le thyristor : à fermeture commandée, par l’alimentation de la gâchette, à ouverture naturelle (il se bloque quand le courant qui était positif s’annule), apte à bloquer des tensions négatives, 41 Le thyristor GTO : à fermeture commandée, par l’alimentation de la gâchette, à ouverture commandée, Non apte à bloquer des tensions négatives, 42 Le transistor : à fermeture commandée, à ouverture commandée, ne pouvant pas bloquer de tension inverse notable, 43 Interrupteurs bidirectionnels en courant : Le Triac o à fermeture commandée, o à ouverture naturelle dans les 2 sens, o apte à bloquer une tension dans les 2 sens 44 Interrupteurs bidirectionnels en courant : GTO ou transistor + une diode : o à fermeture et ouverture commandées dans le sens direct, o à fermeture spontanée dans le sens inverse o apte à bloquer une tension., 45 Pour réaliser un interrupteur totalement commandé dans les 2 sens, il faut utiliser 2 GTO : 46 Protection des composants semi-conducteurs de puissance : a. Protection contre les surintensités : fusible ultra rapide (UR) dont la contrainte thermique (I2.t) est plus faible que celle de la diode. 47 b. Protection contre les surtensions : Protection avec circuit RC Protection avec diode transil. 48 c. Protection en dv/dt et di/dt : Protection avec inductance et condensateur Protection avec : CALC 49 Plage d'emploi des différents interrupteurs : 50 4. Structures de conversion 4. 1. Convertisseurs directs Les commutations des semi-conducteurs résultent : Soit de l'évolution du courant qui les traverse ou de la tension à leurs bornes (Diode, Thyristor) Soit des commandes qui leur sont appliquées en fonction du type de semi-conducteurs (transistor, thyristor). 51 4. Structures de conversion 4. 1. Convertisseurs directs Les interrupteurs agissent directement en fonction de leur état (ON ou OFF) sur les connexions entre le générateur et le récepteur qu'il alimente. 52 4. Structures de conversion 4. 2. Convertisseurs directs S'il y a des interrupteurs commandés, on peut agir (via les signaux de commande) sur l'évolution des connexions entre le générateur et le récepteur. 53 4. Structures de conversion 4. 2. Convertisseurs indirects On utilise un étage intermédiaire de stockage inductif ou capacitif . Il y a deux ensembles d'interrupteurs, l'un qui relie le générateur à l'étage intermédiaire, l'autre qui relie l'étage intermédiaire au récepteur. 54 5. Fonctions de base des convertisseurs statiques : Convertisseur statique d’énergie : Montage électrique assurant la transformation de l’énergie électrique d’une forme continue ou alternative à une autre forme continue ou alternative. Redresseurs , Hacheurs , Gradateurs , Onduleurs . 55 5.1. Conversion alternatif/alternatif à fréquence fixe : Gradateurs Elle donne des tensions alternatives variables à partir des tensions alternatives fixes à fréquence constante (gradateurs), Dans ce cas on commute entre une tension alternative d’amplitude U et de pulsation et le niveau zéro. La commutation durant la demi-période négative est symétrique à celle durant la demi-période positive. 56 L’amplitude de l’onde fondamentale s’obtient par la relation : 1 Û Û ( ) 2 2( ) cos( ) sin( ) sin 2 ( ) 57 5.2. La conversion continu/continu : Hacheurs Elle transforme des tensions continues fixes en tensions continues variables (source continue). Si on ferme K1, la tension aux bornes du récepteur vaut U. Si on ferme K2, la tension aux bornes du récepteur vaut 0. 58 Lors de la conversion continu-continu, on commute périodiquement entre deux niveaux de tension constants : U med U1 t 1 U 2 t 2 t1 t 2 59 5.3. La conversion alternatif/continu : Redresseurs Elle donne des tensions continues variables à partir des tensions alternatives fixes. On obtient une tension qui n'est qu'approximativement continue car elle "ondule" autour de sa valeur moyenne. 60 Lors de la conversion alternatif-continu, on commute périodiquement entre des secteurs sinusoïdaux appartenant à un système alternatif polyphasé. U med 1 2 2 p Û sin td(t ) p 2 p p sin Û cos p 61 5.4. La conversion continu/alternatif : Onduleurs Elle convertit les tensions continues fixes à des tensions alternatives fixes ou variables avec ou sans fréquence de sortie variable. + - En fermant K1 et K’2 on applique une tension +U au récepteur. En fermant K’1 et K2 on applique une tension -U au récepteur. 62 Première méthode : t 1 2 4 1 Û u (t ) sin tdt U sin 0 2 63 Deuxième méthode : t1 1 Û sin t U Cette méthode présente une neutralisation efficace des harmoniques permettant ainsi de se rapprocher du signal sinusoïdal désiré. 64 Troisième méthode : Cette dernière méthode nécessite assez de dépenses pour la réalisation. Par conséquent, on ne l’utilise que dans des cas exceptionnels. 65 5.5. Conversion alternatif/alternatif à fréquence variable : Cycloconvertisseurs Dans le cas de la conversion alternatif-alternatif à fréquence variable, on produit un système de tension alternative secondaire directement à partir d’un système de tension alternative primaire : 66 Redresseur Grandeurs alternatives f1 , V1 I1 , U1 Onduleur assisté Gradateur Cycloconvertisseur f1 = f2 f1 f2 Grandeurs alternatives f2 , V2 Grandeurs continues Hacheur Convertisseur indirect Grandeurs continues I2 , U2 Onduleur autonome 67 3.5. Réversibilité des convertisseurs : Convertisseur non Convertisseur réversible réversible Energie Energie 68
