CH06 : Les cellules de commutation

BTS électrotechnique 2ème année - Sciences physiques appliquées
CH06 : Les cellules de commutation
Enjeu : conversion de l’énergie électrique
Problématique : Entre l’électrotechnique et l’électronique, s’est développée au cours de la 2ème moitié du
XXème siècle une nouvelle technologie, l’électronique de puissance (EP), parfois appelée à ses débuts
l’électronique des courants forts.
L’EP a pour objet de modifier la présentation de l’énergie électrique dans le but de l’utiliser
rationnellement et économiquement. Les systèmes permettant cette conversion sont appelés
convertisseurs statiques par opposition aux convertisseurs électromécaniques qui sont rotatifs.
Le développement de la technologie conduisant régulièrement à de nouveaux besoins, comment
déterminer la structure d’un convertisseur statique pour répondre à un besoin ?
Objectifs :
A l’issue de la leçon, l’étudiant doit :
6.1
Connaître les principaux interrupteurs utilisés en l’électronique de puissance ainsi que
leurs commandes et réversibilités
6.2
Connaître les différentes sources et les incompatibilités d’associations
6.3
Savoir utiliser ce document pour déterminer la structure d’un convertisseur
1. Comment classifie-t-on les dipôles en électronique de puissance (EP) :
En électronique de puissance, on classe les dipôles (qu’ils soient générateurs ou récepteurs) en deux
catégories :
 Les générateurs ou récepteurs de tension qui ne peuvent pas subir de discontinuité de tension
(c'est-à-dire pas de variation brusque) lors des commutations. Leurs représentations sont :
u
i
Générateurs de tension
u
i
Récepteurs de tension
Exemples : les batteries d’accumulateurs, les réseaux et les condensateurs sont des dipôles de
tensions.
 Les générateurs ou récepteurs de courant qui ne peuvent pas subir de discontinuité de
courant lors des commutations. Leurs représentations sont :
i
u
Générateurs de courant
i
u
Récepteurs de courant

Exemple : la bobine et la machine à courant continu sont des dipôles de courant.
2. Comment changer la nature d’un dipôle ?
 En ajoutant en série une bobine à un dipôle de tension, on obtient un dipôle de courant :
i
u C
Récepteur de tension : u ne peut pas être
discontinue
i
u C
L
uC
Récepteurs de courant : uc ne peut pas
être discontinue mais u peut l’être. Par
contre i ne peut plus être discontinu.
 En ajoutant en dérivation un condensateur à un dipôle de courant, on obtient un dipôle de tension :
L
i
u
Récepteur de courant : i ne peut pas être
discontinu.
L
i
u C
iL
Récepteur tension : iL ne peut pas être
discontinu, mais i peut l’être. Par contre u
ne plus être discontinue.
3. Qu’appelle-t-on par source en EP ?
Dans un même montage, certains dipôles peuvent fonctionner successivement en générateur et en
récepteur.
Cette réversibilité peut être assurée par une inversion du signe de la tension (réversibilité en tension)
ou du signe du courant (réversibilité en courant) ou les deux (réversibilité en courant et en tension)
Ainsi :
 Une batterie d’accumulateur est une source de tension réversible en courant
(fonctionnement dans deux quadrants)
 Une machine à courant continu est une source de courant réversible en courant et en
tension (fonctionnement dans les quatre quadrants)
4. Lors du transfert d’énergie entre 2 sources, quelles sont les précautions à prendre ?
Un convertisseur statique est donc constitué de cellules de commutation, c’est-à-dire d’interrupteurs,
qui périodiquement vont permettre puis cesser la liaison entre deux dipôles.
On emploie le terme source pour un dipôle qui possède au moins une réversibilité.

Pour éviter les discontinuités interdites pour les dipôles lors des différentes commutations, les états
des interrupteurs doivent donc respecter les règles suivantes :
5. Quels sont les caractéristiques des interrupteurs de l’EP ?
En EP, les interrupteurs peuvent être considérés comme idéaux : courant et tension ne peuvent pas
coexister en même temps.
Un interrupteur ouvert est équivalent à un circuit
ouvert :
i=0
u
Dans cet état, le point de fonctionnement se situe
quelque part sur l’axe des u (i=0) :
i
u
L’interrupteur est dit bloqué
Un interrupteur fermé est équivalent à un court-
circuit (un fil) :
u=0
i
Dans cet état, le point de fonctionnement se situe
quelque part sur l’axe des i (u=0) :
i
u
L’interrupteur est dit passant
6. Quels sont les différents types d’interrupteurs utilisés en EP ?
 Les diodes :
La diode au silicium est le plus ancien composant
de l’électronique de puissance moderne. Elle
date du milieu des années 50.
La caractéristique de ce composant est
unidirectionnelle en courant et en tension (pas
de réversibilité).
C’est un composant non commandable, ce sont
les sources qui imposent les ouvertures et les
fermetures.
i
u

 Les thyristors :
Le thyristor fait son apparition dur le marché
au début des années 1960.
La caractéristique de ce composant est
unidirectionnel en courant et bidirectionnel en
tension (réversibilité en tension).
Le thyristor est commandable à la fermeture
en envoyant une impulsion de courant positive
sur la gâchette à condition que :
i
u
 la tension appliquée au thyristor soit positive
 l’impulsion de commande soit suffisante en durée et en amplitude
 le courant traversant le thyristor soit supérieure à une valeur appelé « courant
d’accrochage » (donnée constructeur).
 Les transistors :
Mis au point en 1948, le transistor bipolaire a
révolutionné l’électronique et initié l’informatique.
Il ne s’est imposé que beaucoup plus tard en EP du
fait des fortes puissances dans lesquelles il est
alors utilisé.
La caractéristique de ce composant est
unidirectionnel en courant et bidirectionnel en
tension (réversibilité en tension).
Le transistor est commandable à la fermeture et
à l’ouverture par le courant de base. Il est fermé
tant que l’on maintient un courant de base
suffisamment grand lorsque la tension est
positive.
i
u
En électronique de puissance on le représente comme un thyristor comportant deux gâchettes : une
pour commander la fermeture, l’autre pour commander l’ouverture.
7. Comment obtenir un interrupteur réversible en courant ?
Pour obtenir un interrupteur réversible en courant, il suffit de placé en parallèle inverse deux
interrupteurs.
Exemple : L’échange de puissance entre deux sources alternatives effectué par un gradateur doit
permettre, le passage du courant dans les 2 sens. L’interrupteur composant utilisé est composé de 2
thyristors placés en parallèle inverse (« en tête bêche ») :
Commandable à la
fermeture par impulsion de
courant dans la gâchette
Commandable à la fermeture en
appliquant et maintenant un
courant dans la base (B)
Commandable à l’ouverture
en annulant le courant dans
la base (B)

Th1
Th2
i(t)
i
u
Remarques : - il existe d’autres interrupteurs. Par exemple, le triac réalise la même fonction que
l’association des 2 thyristors ci-dessus. Son symbole est :
- Chaque composant a une limite d’utilisation en fréquence. Il faut pour la connaître se
référer aux données constructeur.
8. Réponse à la problématique :
Déterminer la structure d’un convertisseur statique, c’est choisir les interrupteurs qui permettront le
transfert d’énergie entre 2 sources suivant un cahier des charges.
Le respect des règles énoncées au paragraphe 4 conduit à devoir utiliser aux moins deux interrupteurs :
le premier connecte les sources entre elles, le second assure le respect des règles pour la source de
courant.
La structure de conversion la plus simple met donc en œuvre obligatoirement 2 interrupteurs dont les
fonctionnements sont liés : leurs états (passants ou bloqués) sont nécessairement complémentaires.
Cette structure de base est nommée « cellule de commutation » : elle est la brique élémentaire de tout
convertisseur statique.