La commutation des composants électroniques
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Les composants électroniques de commutation Chapitre V Les Circuits d'Aide à La Commutation (CALC) Sommaire 1 ROLE.......................................................................................................................................................... 50 2 COMMUTATION SUR UNE CHARGE SELFIQUE ........................................................................... 50 2.1 ESTIMATION DES PERTES ......................................................................................................................... 52 2.1.1 Pertes quand l'interrupteur est bloqué ou passant........................................................................ 52 2.1.2 Pertes en commutation .................................................................................................................. 52 3 CIRCUITS D'AIDE A LA COMMUTATION ....................................................................................... 52 3.1 3.2 3.3 COMMUTATION A LA FERMETURE ............................................................................................................ 52 COMMUTATION A L'OUVERTURE.............................................................................................................. 54 SCHEMA FINAL ET BILAN ......................................................................................................................... 55 Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation Les composants électroniques de commutation Chapitre V Les Circuits d'Aide à La Commutation (CALC) 1 Rôle Nous avons vu dans les chapitres précédents que certaines formes d'ondes pouvaient présenter des pics (courant ou tension). Ce phénomène apparaît lorsque les fréquences de commutation mettent en évidence les résonances naturelles mais surtout lorsque la charge est inductive. Ces pics maltraitent toujours dangereusement les interrupteurs et à moins de les surdimensionner on risque à tout moment la destruction. Utiliser des composants au 1/100 de ses capacités (par exemple), n'est pas forcément judicieux (rendement, pertes, encombrement prix,…). On utilise alors des Circuits d'Aide à La Commutation (CALC) pour limiter les di/dt ou les dv/dt. 2 Commutation sur une charge selfique Considérons le schéma élémentaire suivant : Vcc Avec : L D id Ich iT L, la charge, D, la diode de roue libre, Ich, le courant dans la charge (constant), id, le courant dans la diode, vT iT, le courant dans l'interrupteur, vT, la tension aux bornes de l'interrupteur. Figure 1 : Schéma de base de la commutation sur une inductance L'allure des courant et tension sont alors les suivants : Cours de commutation version du28/10/04 à 07:10 Page 50 Didier Magnon Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation vT iT id vT VCC ICh id iT t ton toff Figure 2 : Allures des courants et tension La puissance qui en découle, si on linéarise les pentes est : PT IchVCC t ton toff Figure 3 : Puissance dissipée par l'interrupteur (PT=iT•vT) Si on représente les variations iT = f(vT) de l'interrupteur sur un graphe on a : iT Ouverture Ich Fermeture vT vCC Figure 4 : Variations iT = f(vT) lors des commutations Cours de commutation version du28/10/04 à 07:10 Page 51 Didier Magnon Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation Or, une commutation sans perte à l'ouverture ou à la fermeture présente une évolution de son point de fonctionnement le long des axes (du courant sans tension et inversement). C'est ce que l'on cherche à faire avec les CALC. 2.1 ESTIMATION DES PERTES 2.1.1 Pertes quand l'interrupteur est bloqué ou passant Soit P0 les pertes pendant les états stables. avec : P0 = Vcc Ir + Vsat Ich Vsat la chute de tension lorsque le transistor est saturé, (≈ 0V), Ich le courant consommé par la charge, Ir le courant au repos (≈ 0A). Par conséquent, les pertes P0 sont négligeables si le circuit est bien étudié. Le composant peut prendre à son compte la dissipation de cette puissance. 2.1.2 Pertes en commutation Soit Pc les pertes dues aux commutations ON et OFF. Si on considère que les triangles de la figure 3 sont isocèles on obtient : t off Vcc I ch t V I Pc = on cc ch + (donc Pc = constante) 2 2 Généralement quand on considère qu'un montage fonctionne en commutation, c'est qu'il est soumis à un signal d'entrée périodique. Par conséquent, on s'intéresse à la puissance moyenne sur une période. Pc = Pc = FPc T Donc les pertes moyenne en commutation sont proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée. La fréquence peut être limitée par les temps de commutation, mais un interrupteur rapide peu aussi voir sa fréquence d'utilisation restreinte pour de fortes voire moyennes puissances à cause des pertes par commutation. Il faut donc trouver des solutions qui permettent de minimiser voire de s'affranchir de l'influence de ces pertes. 3 Circuits d'aide à la commutation 3.1 COMMUTATION A LA FERMETURE Nous avons vu que les allures idéalisées des courant et tension à la commutation à la fermeture et que le graphe de iT=f(vT), sont : Cours de commutation version du28/10/04 à 07:10 Page 52 Didier Magnon Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation iT iT Ich vT vCC vT Fermeture Ich iT vT t vCC Figure 5 : Allures idéalisées des courant et tension à la fermeture et graphe iT=f(vT) Pour réduire l'aire du produit iTvT, nous devons soit faire chuter la tension avant la montée du courant soit ralentir la montée du courant jusqu'à ce que la tension soit nulle ou négligeable. La combinaison des solutions est réalisable très simplement à l'aide d'une self. Les allures des courbes deviennent : iT iT Ich vT vCC Ich Fermeture iT vT vT t vCC Figure 6 : Allures des courant et tension à la fermeture et graphe iT=f(vT) avec une self Le schéma électronique devient : Vcc L Ich id l, l'inductance, D1, une diode de roue libre, D1 l a Le CALC à la fermeture est constitué de : D R1 b R1, une résistance pour limiter le courant. iT vT Figure 7 : Schémas électroniques équivalents; a) ajout d'une self, b) circuit de relaxation Cours de commutation version du28/10/04 à 07:10 Page 53 Didier Magnon Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation Malheureusement cette solution nous replace dans la solution d'origine, il faut donc lui adjoindre également une diode de roue libre à laquelle on peut ajouter une résistance pour atténuer le courant car ici, nous n'avons pas besoin d'un courant constant dans la self. Remarque : Pourquoi ajouter une self en série à une autre self, • la self L représente la partie inductive totale de la charge, on ne la maîtrise pas, • généralement on souhaite que le courant dans la charge soit constant. • Par conséquent, si la charge possède une composante selfique qui permet de limiter la montée en courant de façon suffisante pour limiter les pertes, alors laisse le circuit tel quel. Malheureusement, cette opportunité se rencontre très rarement et l'on doit ajouter une self dont la valeur est cette fois-ci calculée. 3.2 COMMUTATION A L'OUVERTURE Nous avons vu que les allures idéalisées des courant et tension à la commutation à l'ouverture et que le graphe de iT=f(vT), sont : iT iT vT Ouverture Ich vCC Ich iT vT vT t vCC Figure 8 : Allures idéalisées des courant et tension à l'ouverture et graphe iT=f(vT) Pour réduire l'aire du produit iTvT, Nous devons soit faire chuter le courant avant la montée de la tension, soit ralentir la montée de la tension jusqu'à ce que le courant soit nul ou négligeable. La combinaison des deux solutions est réalisable très simplement à l'aide d'un condensateur. Les allures des courbes deviennent : iT iT Ich vT vCC Ich vT Ouverture iT vT t vCC Figure 9 : Allures des courant et tension à l'ouverture et graphe iT=f(vT) avec une capacité Cours de commutation version du28/10/04 à 07:10 Page 54 Didier Magnon Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation Le schéma électronique devient : Vcc L c, la capacité, D b id Ich iT R2, une résistance pour limiter le courant, D2, une diode de roue libre, R2 vT Le CALC à l'ouverture est constitué de : D2 c Remarque : Il existe d'autres combinaisons de composants pour ce type de CALC, cf. TD. a Figure 10 : Schémas électroniques équivalents; a) ajout d'une capacité, b) circuit de délestage Malheureusement cette solution maintient une tension aux bornes de l'interrupteur lors de la commutation à la fermeture. Pour éviter ceci, nous pouvons réduire la valeur de la résistance, mais cela réduit l'efficacité du CALC lors de la commutation à l'ouverture. Par conséquent, il faut que la résistance soit efficace dans un sens et ignorée dans l'autre. Une diode permet ce genre d'aiguillage (Figure 10 b). 3.3 SCHEMA FINAL ET BILAN Le schéma final est alors : Vcc L D id Ich Ce type de CALC convient pour tous les interrupteurs (MOS, bipolaire, Triacs, SCR, IGBT,GTO, …). D1 l Ils sont indispensables pour les charges inductives et fortement conseillés pour les charges résistives. R1 iT vT R2 D2 c Figure 11 : La charge, son interrupteur et les CALC à la fermeture et à l'ouverture. Cours de commutation version du28/10/04 à 07:10 Page 55 Didier Magnon
