La commutation des composants électroniques

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 COMMUTATION A LA FERMETURE............................................................................................................ 52
3.2 COMMUTATION A L'OUVERTURE.............................................................................................................. 54
3.3 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 :
I
ch
i
T
i
d
V
cc
D
L
Avec :
L, la charge,
D, la diode de roue libre,
Ich, le courant dans la charge (constant),
id, le courant dans la diode,
iT, le courant dans l'interrupteur,
vT, la tension aux bornes de l'interrupteur.
v
T
Figure 1 : Schéma de base de la commutation sur une inductance
L'allure des courant et tension sont alors les suivants :
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Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation
t
ton toff
iT id
iT
id
Figure 2 : Allures des courants et tension
vT
VCC
ICh
vT
Fermeture
Figure 4 : Variations iT = f(vT) lors des commutations
La puissance qui en découle, si on linéarise les pentes est :
t
PT
ton toff
IchVCC
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 :
vT
iT
Ich
vCC
Ouverture
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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.
P0 = Vcc Ir + Vsat Ich
avec :
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 :
22
chccoff
chccon
c
IVt
IVt
P+= (donc Pc = constante)
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.
c
c
cFP
T
P
P==
Donc les pertes moyenne en commutation sont proportionnelle à la fréquence du signal d'en-
trée. 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'in-
fluence 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 ferme-
ture et que le graphe de iT=f(vT), sont :
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Chapitre V : Les circuits d'aide à la commutation
iT
Ich
t
iT
vT
iT
Ich
vCC
vT
vCC vT
Fermeture
vT
vCC
vT
Fermeture
v
T
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
Ich
t
iT
vT
iT
Ich
vCC
Figure 6 : Allures des courant et tension à la fermeture et graphe iT=f(vT) avec une self
Le schéma électronique devient :
I
ch
i
d
i
T
V
cc
D
L
l D
1
R
1
a
b
Le CALC à la fermeture
est constitué de :
l, l'inductance,
D1, une diode de roue libre,
R1, une résistance pour limiter le
courant.
Figure 7 : Schémas électroniques équivalents; a) ajout d'une self, b) circuit de relaxation
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