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ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain Électronique de puissance E. MATAGNE ELEC 2753 Électrotechnique.

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1 ELEC Université catholique de Louvain Électronique de puissance E. MATAGNE ELEC 2753 Électrotechnique

2 ELEC Université catholique de Louvain Les composants

3 ELEC Université catholique de Louvain 3 Introduction Un interrupteur idéal ne dissipe pas de puissance car sil est ouvert, son courant est nul (sa tension est quelconque) sil est ouvert, son courant est nul (sa tension est quelconque) sil est fermé, sa tension est nulle (le courant est quelconque) sil 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 quils fonctionnent en commutation.

4 ELEC Université catholique de Louvain 4 La puissance que peut « commander » un tel composant est le produit du courant maximum (quil peut supporter à létat conducteur) par la tension maximum (quil peut supporter à létat bloqué). En fait, les composants ne sont pas idéaux et dissipent donc de la puissance sous forme de chaleur. La puissance quun composant électronique de puissance peut dissiper en chaleur est cependant très inférieure à la puissance quil peut commander : il ne faut pas confondre les deux notions.

5 ELEC Université catholique de Louvain 5 On peut classer les composants électroniques de puissance en deux groupes : Certains fonctionnent naturellement en commutation (diodes, thyristors, triacs, GTO …). Certains fonctionnent naturellement en commutation (diodes, thyristors, triacs, GTO …). Dautres peuvent fonctionner aussi dans des états intermédiaires (transistors bipolaires, transistors MOSFET, IGBT …). On ne peut les utiliser en électronique de puissance quà condition de les commander de telle sorte quils soient toujours bloqués ou saturés. Dautres peuvent fonctionner aussi dans des états intermédiaires (transistors bipolaires, transistors MOSFET, IGBT …). On ne peut les utiliser en électronique de puissance quà condition de les commander de telle sorte quils soient toujours bloqués ou saturés. Actuellement, on nutilise pratiquement que des composants formés de semiconducteurs. Les puissances commandables couvrent une large plage. Il existe en effet des composants capables supporter à létat OFF des tensions de plusieurs centaines de volts, et à létat ON des courants de plusieurs milliers dampères.

6 ELEC Université catholique de Louvain 6 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 délectrons libres).

7 ELEC Université catholique de Louvain 7 Cependant, sous leffet de lagitation thermique, certains électrons se libèrent. Il existe donc un petit nombre d "électrons libres ". Lemplacement 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. 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 nest pas celle dun électron dans le vide).

8 ELEC Université catholique de Louvain 8 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 lon a un semiconducteur de type N. Si les impuretés sont des atomes pentavalents (phosphore…), elles ont un électron excédentaire qui devient un électron libre. On dit que lon 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 lon a un semiconducteur de type P. Si les impuretés sont des atomes trivalents (aluminium…), elles peuvent capturer un électron de valence voisin et produire ainsi des « trous ». On dit que lon 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.

9 ELEC Université catholique de Louvain 9 La jonction P-N Une barrière de potentiel apparaît (voir cours)

10 ELEC Université catholique de Louvain 10 En provoquant une variation de la différence de potentiel, on peut renforcer la barrière (doù passage dun courant inverse minuscule) ou laffaiblir (doù passage dun fort courant direct). Polarisation inverse : peu de porteurs peuvent contribuer au courant. Polarisation directe : beaucoup de porteurs peuvent contribuer au courant.

11 ELEC Université catholique de Louvain 11 La diode La diode est le plus simple des composants. La diode à semiconducteur sobtient en reliant les deux côtés dune 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.

12 ELEC Université catholique de Louvain 12 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 ny passe donc pas de courant. Si on polarise lautre jonction dans le sens passant, le courant de cette dernière « continue » jusquau collecteur. Un petit courant de base suffit donc à contrôler un fort courant entre le collecteur (C) et lémetteur (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.

13 ELEC Université catholique de Louvain 13 MOSFET Lapplication dune 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. Lélectrode de commande G (est isolée par une couche doxyde non conductrice (en brun sur la figure) On note lexistence dune diode « parasite » entre la zone P (en contact avec S) et la zone N (en contact avec S). Cette diode protège le composant mais nest pas très rapide : on évite donc de lutiliser dans les applications à fréquence élevée.

14 ELEC Université catholique de Louvain 14 IGBT LIGBT ne diffère du MOSFET que par lajout dune 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 dun 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.

15 ELEC Université catholique de Louvain 15 Thyristors On distingue dans un thyristor deux transistors bipolaires, à savoir N2, P2, N1 dune part, et P1, N1 P2 dautre part. Le collecteur de lun sert de base à lautre, de sorte que, une fois le dispositif conducteur, il reste conducteur même si aucun courant de commande nest plus appliqué à G. Ce composant est très robuste et on lutilise surtout aux grandes puissances. Ces composants comportent 4 zones. On appelle A lanode, K la cathode. Lélectrode de commande, G, sappelle la gâchette.

16 ELEC Université catholique de Louvain 16 Thyristors Exemple de circuit où le thyristor séteint spontanément : Représenter une source de tension alternative en série avec une impédance (résistance + inductance en série) et un thyristor.

17 ELEC Université catholique de Louvain 17 GTO Un GTO (gate turn off thyrisor) nest autre quun thyristor réalisé de telle sorte que lon puisse le bloquer en extrayant les porteurs de la zone P2 via la gachette. Cela nécessite dappliquer à G un très grand courant inverse (plus grand que le courant qui circule entre A et K), de sorte que ce composant nest utilisé quen très grande puissance, là où les semiconducteurs complètement commandés ne sont plus disponibles.

18 ELEC Université catholique de Louvain 18 Triac Le triac est, comme le thyristor, un composant que lon peut commander uniquement à la mise en conduction : il ne se bloque que lorsque le courant sannule. Comme le thyristor, le triac est bloqué dans les deux sens en labsence de commande. Cependant, contrairement à celui-ci, il est bidirectionnel : la commande peut le rendre conducteur aussi bien dans un sens que dans lautre. En outre, limpulsion de commande peut être aussi bien positive que négative. Nous ne décrirons pas ici la structure interne du triac, nous contentant dindiquer son symbole. On remarquera que lon ne parle plus de cathode, mais danode A1.

19 ELEC Université catholique de Louvain Structures monophasées

20 ELEC Université catholique de Louvain 20 Introduction Les principaux types de convertisseurs ayant une entrée et une sortie bifilaires sont AC vers DC (redresseurs) AC vers DC (redresseurs) DC vers DC (hacheurs et alimentations à découpage) DC vers DC (hacheurs et alimentations à découpage) DC vers AC (onduleurs) : fourniture dénergie sous forme AC DC vers AC (onduleurs) : fourniture dénergie sous forme AC AC vers AC (gradateurs … ) AC vers AC (gradateurs … ) Applications alimentation sous tension constante déquipements électroniques alimentation sous tension constante déquipements électroniques alimentation à tension variable de moteurs DC alimentation à tension variable de moteurs DC obtention dun substitut du réseau alternatif monophasé à partir de batteries (UPS…), panneaux photovoltaïques. obtention dun 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… obtention de courants alternatifs à fréquence « élevée » pour tubes fluorescents, chauffage par induction…

21 ELEC Université catholique de Louvain 21 Redresseur à une seule diode Courant dentrée toujours dissymétrique (pénible pour le réseau) ! Sortie sur charge résistive : formes donde 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 !

22 ELEC Université catholique de Louvain 22 Sortie sur charge capacitive : courant dentrée en impulsions Le courant redressé moyen de la diode et de lentrée est égal au courant de charge (supposé bien filtré). Par contre, le courant efficace de la diode et de lentrée peut être beaucoup plus grand. Attention à bien dimensionner les éléments concernés !

23 ELEC Université catholique de Louvain 23 Sortie sur charge inductive : impossible si on veut un filtrage effectif car il ny a quun seul courant, le même pour la source, la diode, la self et la charge. il ny a quun 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 sannulant pas à chaque période), la diode serait en permanence conductrice (pas de tension à ses bornes). si on veut que le courant de la charge soit continu (non lacunaire, c.-à-d. ne sannulant pas à chaque période), la diode serait en permanence conductrice (pas de tension à ses bornes). or, la tension moyenne dune inductance idéale est nulle or, la tension moyenne dune 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 lentrée, cest-à-dire zéro 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 lentrée, cest-à-dire zéro donc le courant est nécessairement lacunaire : le filtrage peut pas être effectif sous peine de réduire le courant à zéro ! donc le courant est nécessairement lacunaire : le filtrage peut pas être effectif sous peine de réduire le courant à zéro !

24 ELEC Université catholique de Louvain 24 Redresseur à pont de diodes Cas dune charge résistive Courant absorbé sinusoïdal

25 ELEC Université catholique de Louvain 25 Cas dune charge capacitive La valeur efficace du courant dentrée peut être beaucoup plus grande que le courant de la charge.

26 ELEC Université catholique de Louvain 26 Cas dune charge inductive Courant de la self et de la charge quasi-constant Courant dentrée de forme carrée

27 ELEC Université catholique de Louvain 27 Redresseur à absorption sinusoïdale Une façon dobtenir un redresseur à absorption sinusoïdale est de faire suivre un redresseur ordinaire dun convertisseur avec une commande ad hoc Nous verrons plus loin le schéma dun tel convertisseur. A noter quil comporte obligatoirement un dispositif daccumulation dénergie car la puissance entrante négale pas à chaque instant la puissance sortante.

28 ELEC Université catholique de Louvain 28 Redresseurs à thyristors A voir au cours magistral : Forme donde de la tension en amont de la self Note : linductance peut parfois être évitée si la charge a un comportement suffisamment inductif (cas fréquent avec les machines DC)

29 ELEC Université catholique de Louvain 29 Hacheur série ou abaisseur de tension (buck)

30 ELEC Université catholique de Louvain 30 On peut réaliser une alimentation à découpage à partir dun hacheur série On peut seulement abaisser la tension et élever le courant (convertisseur « buck » ) Donc En régime, on a donc

31 ELEC Université catholique de Louvain 31 Hacheur parallèle ou élévateur de tension (boost) On peut seulement élever la tension et abaisser le courant

32 ELEC Université catholique de Louvain 32 Exemple dapplication : redresseur à absorption sinusoïdale La commande doit être réalisée de façon à obtenir un courant dentrée proportionnel à la tension dentrée.

33 ELEC Université catholique de Louvain 33 Courant de la selfCourant dentrée Tension dentrée

34 ELEC Université catholique de Louvain 34 Hacheur à stockage inductif (buck-boost) On peut aussi bien élever que réduire la tension ! A taille égale, le rendement est moins bon que celui des convertisseurs précédents car toute lénergie transférée de lentrée 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 lentrée et à la sortie.

35 ELEC Université catholique de Louvain 35 Note : Il nest pas indiqué dutiliser les convertisseurs DC/DC ci-dessus (sans isolation galvanique) avec un grand rapport entre les tensions dentrée et de sortie, car il faudrait dimensionner les éléments pour la tension du côté où elle est la plus élevée la tension du côté où elle est la plus élevée le courant du côté où il est le plus élevé le courant du côté où il est le plus élevé Cela conduirait à surdimensionner les composants par rapport à la puissance réellement transmise.

36 ELEC Université catholique de Louvain 36 Montages avec isolation galvanique Cest un buck-boost où la self a été remplacée par deux inductances couplées. Le couplage doit être très bon sous peine de perdre lénergie stockée dans linductance de fuite. Il y a isolation galvanique entre lentrée et la sortie. On peut donc connecter librement la sortie. En particulier, le changement de polarité na plus dimportance. « Fly-back »

37 ELEC Université catholique de Louvain 37 « Fly-through » Le montage dérive du « buck » Lénergie stockée dans linductance parallèle du transformateur est perdue. Il faut rendre cette inductance très grande (noyau magnétique sans entrefer) u ch = U / k

38 ELEC Université catholique de Louvain 38 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 permettent des changements important de niveau de tension sans surdimensionnement (en jouant sur le rapport des nombres de spires) ils assurent lisolation galvanique, ce qui facilite lutilisation de la tension de sortie et peut avoir une fonction de sécurité (alors, respect strict de normes de construction). ils assurent lisolation galvanique, ce qui facilite lutilisation de la tension de sortie et peut avoir une fonction de sécurité (alors, respect strict de normes de construction).

39 ELEC Université catholique de Louvain 39 Onduleurs monophasés 1. Pleine onde (de moins en moins utilisés)

40 ELEC Université catholique de Louvain 40 Onduleurs monophasés Mode MLI (PWM en anglais) 2. À modulation de largeur dimpulsion ( pulse wide modulation)

41 ELEC Université catholique de Louvain 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 dun redresseur (attention, ces convertisseurs ont une plage de fonctionnent réduite)

42 ELEC Université catholique de Louvain 42 Gradateurs A voir lors du cours magistral : Formes donde dans le cas dune charge résistive Formes donde dans le cas dune charge résistive Formes donde dans le cas dune charge inductive Formes donde dans le cas dune charge inductive


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