Transparents du cours 8 - Université catholique de Louvain

ELEC 2753 Électrotechnique
Électronique de puissance
E. MATAGNE
[email protected]
ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain
Les composants
ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain
Introduction
Un interrupteur idéal ne dissipe pas de puissance car
• s’il est ouvert, son courant est nul (sa tension est quelconque)
• s’il est fermé, sa tension est nulle (le courant est quelconque)
Or, la puissance est le produit de la tension et du courant. On a donc
dans tous les cas p = u i = 0 .
En électronique de puissance, on utilise des composants qui ne
prennent que deux états : bloqué (courant nul) ou saturé (tension
nulle). On dit qu’ils fonctionnent en commutation.
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La puissance que peut « commander » un tel composant est le produit du
courant maximum (qu’il peut supporter à l’état conducteur) par la tension
maximum (qu’il peut supporter à l’état bloqué) .
En fait, les composants ne sont pas idéaux et dissipent donc de la puissance
sous forme de chaleur. La puissance qu’un composant électronique de
puissance peut dissiper en chaleur est cependant très inférieure à la puissance
qu’il peut commander : il ne faut pas confondre les deux notions.
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On peut classer les composants électroniques de puissance en deux groupes :
• Certains fonctionnent naturellement en commutation (diodes, thyristors,
triacs, GTO …).
• D’autres peuvent fonctionner aussi dans des états intermédiaires (transistors
bipolaires, transistors MOSFET, IGBT …). On ne peut les utiliser en
électronique de puissance qu’à condition de les commander de telle sorte qu’ils
soient toujours bloqués ou saturés.
Actuellement, on n’utilise pratiquement que des composants formés de
semiconducteurs.
Les puissances commandables couvrent une large plage. Il existe en effet des
composants capables supporter à l’état OFF des tensions de plusieurs centaines
de volts, et à l’état ON des courants de plusieurs milliers d’ampères.
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Le cristal de silicium pur
Le silicium est le matériau
semiconducteur le plus
utilisé. Nous le prenons
comme exemple dans cette
introduction. Le silicium a
quatre électrons de
valence. Dans un cristal de
Si , ces quatre électrons
sont tous utilisés comme
électrons de valence. En
cela, le silicium ressemble
à un isolant (pas
d’électrons libres).
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Cependant, sous l’effet de l’agitation
thermique, certains électrons se libèrent. Il
existe donc un petit nombre d’ "électrons
libres ".
L’emplacement qui a perdu un électron est
un « trou » positif. Le trou peu capturer un
électron de valence voisin, ce qui
correspond à un déplacement du trou.
Il existe donc deux types de porteurs de
charges (N et P). Un courant peut circuler.
On dit que le matériau est semiconducteur.
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Les porteurs se comportent comme des
particules ayant une charge électrique
positive ou négative (égale en module à
un quantum de charge) et une masse
apparente (qui n’est pas celle d’un
électron dans le vide).
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Le cristal de silicium dopé
On peut substituer au sein du cristal un faible partie des atomes de
silicium par des atomes différents dits « impuretés ».
• Si les impuretés sont des atomes pentavalents (phosphore…), elles
ont un électron excédentaire qui devient un électron libre. On dit que
l’on a un semiconducteur de type N.
• Si les impuretés sont des atomes trivalents (aluminium…), elles
peuvent capturer un électron de valence voisin et produire ainsi des
« trous ». On dit que l’on a un semiconducteur de type P.
Dans un cristal dopé, on distingue les porteurs majoritaires (négatifs
dans un semiconducteur N, positifs dans un semiconducteurs P) et les
porteurs minoritaires. Ces derniers sont moins nombreux que dans un
semiconducteur non dopé car ils ont tendance à disparaître par
recombinaison avec les majoritaires.
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La jonction P-N
Une barrière de potentiel apparaît (voir cours)
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Polarisation inverse : peu de porteurs
peuvent contribuer au courant.
Polarisation directe : beaucoup de
porteurs peuvent contribuer au courant.
En provoquant une variation de la différence de potentiel, on peut renforcer
la barrière (d’où passage d’un courant inverse minuscule) ou l’affaiblir
(d’où passage d’un fort courant direct).
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La diode
La diode est le plus simple des
composants.
La diode à semiconducteur
s’obtient en reliant les deux
côtés d’une jonction P-N à des
électrodes (anode et cathode).
Pas de tension au repos (sinon
mouvement perpétuel !) car
compensation de la différence de
potentiel de la jonction par celles
des contacts des électrodes.
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Transistor bipolaire
Actuellement peu utilisé en électronique de puissance
La jonction située entre la base (B) et le collecteur (C) est polarisée en inverse.
Au repos, il n’y passe donc pas de courant. Si on polarise l’autre jonction dans le
sens passant, le courant de cette dernière « continue » jusqu’au collecteur. Un
petit courant de base suffit donc à contrôler un fort courant entre le collecteur
(C) et l’émetteur (E).
Ce composant est robuste et bon marché, mais la commutation est relativement
lente car il faut agir sur les porteurs minoritaires de la base.
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MOSFET
L’électrode de commande G (est isolée par
une couche d’oxyde non conductrice (en
brun sur la figure)
L’application d’une tension positive entre
les électrodes G et S fait apparaître des
charges négatives dans la zone P,
permettant le passage du courant entre la
zone N (reliée au drain D) et la zone N1
(reliée à la source S). La commutation peut
être rapide. En régime, la commande ne
nécessite pas de courant. Par contre, la
chute de tension est souvent plus grande
que dans un transistor bipolaire.
On note l’existence d’une diode « parasite » entre la zone P (en contact avec S) et la
zone N (en contact avec S). Cette diode protège le composant mais n’est pas très
rapide : on évite donc de l’utiliser dans les applications à fréquence élevée.
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IGBT
L’IGBT ne diffère du MOSFET que par l’ajout d’une couche P
supplémentaire entre la zone N et le drain (qui prend le nom de collecteur).
La commande se fait comme dans un MOSFET mais, quand le composant
est conducteur, la nouvelle jonction P-N transmet des porteurs positifs qui
facilitent le passage du courant entre N1 et N par un effet similaire à celui
d’un transistor bipolaire. La source est dès lors rebaptisée émetteur (E) . La
chute de tension est plus faible que dans un MOSFET, mais la vitesse de
commutation est aussi plus faible.
La diode parasite ne peut plus entrer en conduction.
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Thyristors
Ces composants comportent 4 zones. On appelle A l’anode, K la cathode.
L’électrode de commande, G, s’appelle la gâchette.
circuit de
commande
A
iA
G
K
uAK
On distingue dans un thyristor deux transistors bipolaires, à savoir N2, P2, N1
d’une part, et P1, N1 P2 d’autre part. Le collecteur de l’un sert de base à
l’autre, de sorte que, une fois le dispositif conducteur, il reste conducteur même
si aucun courant de commande n’est plus appliqué à G.
Ce composant est très robuste et on l’utilise surtout aux grandes puissances.
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Thyristors
Exemple de circuit où le thyristor s’éteint spontanément :
Représenter une source de tension alternative en série avec une
impédance (résistance + inductance en série) et un thyristor.
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GTO
Un GTO (gate turn off thyrisor) n’est autre qu’un thyristor réalisé de telle
sorte que l’on puisse le bloquer en extrayant les porteurs de la zone P2 via la
gachette. Cela nécessite d’appliquer à G un très grand courant inverse (plus
grand que le courant qui circule entre A et K), de sorte que ce composant
n’est utilisé qu’en très grande puissance, là où les semiconducteurs
complètement commandés ne sont plus disponibles.
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Triac
Le triac est, comme le thyristor, un composant que l’on peut commander uniquement à
la mise en conduction : il ne se bloque que lorsque le courant s’annule.
Comme le thyristor, le triac est bloqué dans les deux sens en l’absence de commande.
Cependant, contrairement à celui-ci, il est bidirectionnel : la commande peut le rendre
conducteur aussi bien dans un sens que dans l’autre. En outre, l’impulsion de
commande peut être aussi bien positive que négative.
Nous ne décrirons pas ici la structure
interne du triac, nous contentant
d’indiquer son symbole. On remarquera
que l’on ne parle plus de cathode, mais
d’anode A1.
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Structures monophasées
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Introduction
Les principaux types de convertisseurs ayant une entrée et une sortie
bifilaires sont
• AC vers DC (redresseurs)
• DC vers DC (hacheurs et alimentations à découpage)
• DC vers AC (onduleurs) : fourniture d’énergie sous forme AC
• AC vers AC (gradateurs … )
Applications
• alimentation sous tension constante d’équipements électroniques
• alimentation à tension variable de moteurs DC
• obtention d’un substitut du réseau alternatif monophasé à partir de
batteries (UPS…), panneaux photovoltaïques.
• obtention de courants alternatifs à fréquence « élevée » pour tubes
fluorescents, chauffage par induction…
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Redresseur à une seule diode
Courant d’entrée toujours dissymétrique (pénible pour le réseau) !
Sortie sur charge résistive : formes d’onde peu intéressantes en général
La présence de la diode divise par
deux la puissance dissipée dans une
résistance chauffante. La tension et
le courant efficace sont seulement
divisés par racine de deux !
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Sortie sur charge capacitive : courant d’entrée en impulsions
Le courant redressé moyen de la
diode et de l’entrée est égal au
courant de charge (supposé bien
filtré).
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Par contre, le courant efficace de la
diode et de l’entrée peut être
beaucoup plus grand. Attention à
bien dimensionner les éléments
concernés !
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Sortie sur charge inductive : impossible si
on veut un filtrage effectif car
• il n’y a qu’un seul courant, le même
pour la source, la diode, la self et la
charge.
• si on veut que le courant de la charge
soit continu (non lacunaire, c.-à-d. ne
s’annulant pas à chaque période), la diode
serait en permanence conductrice (pas de
tension à ses bornes).
• or, la tension moyenne d’une inductance
idéale est nulle
• donc la tension de la charge, qui est égale à sa valeur moyenne si le filtrage
est efficace, serait égale à la tension moyenne de l’entrée, c’est-à-dire zéro
• donc le courant est nécessairement lacunaire : le filtrage peut pas être effectif
sous peine de réduire le courant à zéro !
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Redresseur à pont de diodes
Cas d’une charge résistive
Courant absorbé sinusoïdal
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Cas d’une charge capacitive
La valeur efficace du courant
d’entrée peut être beaucoup plus
grande que le courant de la charge.
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Cas d’une charge inductive
Courant de la self et de la charge quasi-constant
Courant d’entrée de forme carrée
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Redresseur à absorption sinusoïdale
Une façon d’obtenir un redresseur à absorption sinusoïdale est de faire suivre
un redresseur ordinaire d’un convertisseur avec une commande ad hoc
Nous verrons plus loin le schéma d’un tel convertisseur. A noter qu’il
comporte obligatoirement un dispositif d’accumulation d’énergie car la
puissance entrante n’égale pas à chaque instant la puissance sortante.
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Redresseurs à thyristors
A voir au cours magistral :
Forme d’onde de la tension
en amont de la self
Note : l’inductance peut parfois
être évitée si la charge a un
comportement suffisamment
inductif (cas fréquent avec les
machines DC)
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Hacheur série ou abaisseur de tension
(buck)
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On peut réaliser une
alimentation à découpage à
partir d’un hacheur série
 L   L 0   u L dt
0
Donc  Lf   L 0 
T

T
(u  uC ) dt 
0
T
  L 0  u  T  uC T
En régime, on a donc
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
uC   u
uC dt
On peut seulement abaisser la
tension et élever le courant
(convertisseur « buck » )
iS   ich
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Hacheur parallèle ou élévateur de tension
(boost)
1
uC 
u
1 
 Lf   L 0 
T

0
T
u dt 

(uC  u ) dt
1
iS 
ich
1 
T
  L 0  u T  uC (1   ) T
On peut seulement élever la tension et abaisser
le courant
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Exemple d’application : redresseur à absorption sinusoïdale
La commande doit être réalisée de façon à obtenir un courant
d’entrée proportionnel à la tension d’entrée.
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Tension d’entrée
Courant de la self
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Courant d’entrée
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Hacheur à stockage inductif (buck-boost)
 Lf   L 0 
T

T
u dt 
0

uC dt
T
  L 0  u  T  uC (1   ) T
uC 

1 
u
On peut aussi bien élever que réduire la tension !
A taille égale, le rendement est moins bon que celui des
convertisseurs précédents car toute l’énergie transférée de l’entrée
vers la sortie doit passer par un stockage dans la self.
A noter aussi le changement de polarité par rapport à la borne
commune à l’entrée et à la sortie.
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Note : Il n’est pas indiqué d’utiliser les
convertisseurs DC/DC ci-dessus (sans isolation
galvanique) avec un grand rapport entre les tensions
d’entrée et de sortie, car il faudrait dimensionner les
éléments pour
• la tension du côté où elle est la plus élevée
• le courant du côté où il est le plus élevé
Cela conduirait à surdimensionner les composants
par rapport à la puissance réellement transmise.
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Montages avec isolation galvanique
« Fly-back »
C’est un buck-boost où la self
a été remplacée par deux
inductances couplées.
Le couplage doit être très bon
sous peine de perdre l’énergie
stockée dans l’inductance de
fuite.
Il y a isolation galvanique
entre l’entrée et la sortie.
uC 
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
1 
u/k
On peut donc connecter
librement la sortie. En
particulier, le changement de
polarité n’a plus
d’importance.
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« Fly-through »
Le montage
dérive du
« buck »
L’énergie
stockée dans
l’inductance
parallèle du
transformateur
est perdue. Il
faut rendre cette
inductance très
grande (noyau
magnétique sans
entrefer)
uch =  U / k
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Les convertisseurs avec isolation galvanique permettent la
même commande de la tension de sortie que les convertisseurs
sans isolation, mais, en outre
• ils permettent des changements important de niveau de
tension sans surdimensionnement (en jouant sur le rapport des
nombres de spires)
• ils assurent l’isolation galvanique, ce qui facilite l’utilisation
de la tension de sortie et peut avoir une fonction de sécurité
(alors, respect strict de normes de construction).
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Onduleurs monophasés
1. Pleine onde (de moins en moins utilisés)
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Onduleurs monophasés
2. À modulation de largeur d’impulsion ( pulse wide modulation)
Mode MLI (PWM en anglais)
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3. Onduleur moyenne fréquence à résonance
Utilisé par exemple pour faire du chauffage par induction, ou encore pour
réaliser un convertisseur DC/DC en le faisant suivre d’un redresseur (attention,
ces convertisseurs ont une plage de fonctionnent réduite)
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Gradateurs
A voir lors du cours magistral :
• Formes d’onde dans le cas
d’une charge résistive
• Formes d’onde dans le cas
d’une charge inductive
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