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ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain Electronique de puissance (suite) E. MATAGNE ELEC 2753 Électrotechnique.

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1 ELEC Université catholique de Louvain Electronique de puissance (suite) E. MATAGNE ELEC 2753 Électrotechnique

2 ELEC Université catholique de Louvain 2 Convertisseurs triphasés Rappel de la notion de tension de phase

3 ELEC Université catholique de Louvain 3 En triphasé, trois familles principales de convertisseurs les redresseurs : triphasé vers DC ; les redresseurs : triphasé vers DC ; les onduleurs autonomes : DC vers triphasé ; les onduleurs autonomes : DC vers triphasé ; les gradateurs : triphasé vers triphasé, ils modulent sur chaque période la durée de lintervalle durant lequel chaque phase du récepteur est alimentée par le générateur. les gradateurs : triphasé vers triphasé, ils modulent sur chaque période la durée de lintervalle durant lequel chaque phase du récepteur est alimentée par le générateur. Principales applications dans lindustrie, alimentation à partir du réseau triphasé de moteurs à vitesse variable (pompes, ventilateurs, manutention…) ; dans lindustrie, alimentation à partir du réseau triphasé de moteurs à vitesse variable (pompes, ventilateurs, manutention…) ; dans le transport, alimentation à partir du réseau dans le transport, alimentation à partir du réseau * des caténaires si elles sont en DC * des moteurs asynchrones et synchrones de traction dans les réseaux dénergie, pour la production de puissance réactive et la compensation des harmoniques (correction des formes donde) dans les réseaux dénergie, pour la production de puissance réactive et la compensation des harmoniques (correction des formes donde)

4 ELEC Université catholique de Louvain 4 Redresseur à diodes sur charge fortement inductive La valeur moyenne de la tension de sortie et la valeur efficace du courant dentrée sont faciles à calculer dans ce cas (vous devez pouvoir le faire tant en monophasé quen triphasé !). Le facteur de forme du courant dentrée est bien meilleur que dans le cas dune charge capacitive !

5 ELEC Université catholique de Louvain 5 Redresseur à thyristors On peut imposer un retard par rapport à linstant de mise en conduction qui aurait lieu dans un pont de diodes. Ce retard est souvent exprimé en angle (1 période = 360°). Sur charge inductive, la tension moyenne de sortie est proportionnelle au cosinus de cet angle. Elle peut devenir négative si la charge maintient le sens du courant (on renvoie alors de la puissance au réseau triphasé).

6 ELEC Université catholique de Louvain 6 Onduleur triphasé de tension (commande pleine onde)

7 ELEC Université catholique de Louvain 7 Onduleur triphasé de tension (commande MLI)

8 ELEC Université catholique de Louvain 8 Gradateurs (montage « étoile »)

9 ELEC Université catholique de Louvain 9 Gradateurs (montage « triangle » sur charge résistive)

10 ELEC Université catholique de Louvain 10 Gradateurs (montage « triangle » sur charge inductive)

11 ELEC Université catholique de Louvain Calcul des pertes dans les semiconducteurs

12 ELEC Université catholique de Louvain 12 Introduction Si les semiconducteurs étaient idéaux, ils ne dissiperaient pas dénergie. En pratique, ils occasionnent une perte de puissance qui cause, outre la baisse de rendement des convertisseurs, léchauffement des semiconducteurs. Le courant de fuite qui traverse les semiconducteurs est souvent très petit, et noccasionne donc pas de pertes de puissance significatives On distingue donc deux types de pertes pertes de conduction liées au courant pertes de conduction liées au courant pertes de commutation (souvent négligeables à 50 Hz, mais augmentent avec la fréquence). pertes de commutation (souvent négligeables à 50 Hz, mais augmentent avec la fréquence).

13 ELEC Université catholique de Louvain 13 Pour évaluer les pertes, il faut déterminer lévolution des courants et tensions dans les semiconducteurs. Comme les pertes sont normalement petites, ceci se fait généralement sans tenir compte des imperfections des semiconducteurs. On utilise alors ces évolutions pour calculer les pertes en tenant compte de ces imperfections.

14 ELEC Université catholique de Louvain 14 Pertes de conduction Une façon simple de calculer ces pertes est de modéliser la relation tension-courant du semi-conducteur à létat passant sous la forme u = u seuil + R inc i (Dans les MOSFETs, u seuil est nul. Par contre, R inc est plus grand ) La puissance dissipée vaut alors, en moyenne = = u seuil + R inc = u seuil I redr. moy. + R inc I 2 = = u seuil + R inc = u seuil I redr. moy. + R inc I 2 Importance de pouvoir calculer I redr. moy. et I pour diverses formes donde !

15 ELEC Université catholique de Louvain 15 Pertes dues à la vitesse de commutation limitée Idéalement, les changements détat des semiconducteurs sont instantanées, et ne donnent donc pas lieu à une perte dénergie. En pratique, il faut un certain temps (t on ) pour la mise en conduction et un certain temps (t off ) pour le blocage. Pendant les commutations, le courant et la tension sont tous deux différents de zéro. Ainsi, lors de la mise en conduction, la tension passe dune valeur u à une valeur 0 et le courant dune valeur 0 à une valeur i. En supposant que ces évolutions se font simultanément (ou à la suite lune de lautre) et de façon linéaire en le temps, on calcule sans peine (à faire comme exercice) que lénergie dissipée est w on = u i t on / 6(ou w on = u i t on / 2)Très approché ! On a de même w off = u i t off / 6 (w off = u i t off / 2 ) " " Si ces phénomènes se répètent, la puissance moyenne perdue vaut (w on + w off ) f. En pratique, les pertes de commutation sont plus élevées que ce que prévoient ces formules car il faut tenir compte de lenvironnement du composant.

16 ELEC Université catholique de Louvain 16 Pour réduire les pertes de commutation, on a intérêt à réduire t on et t off. Les valeurs minimum de t on et t off sont parfois imposées par le semiconducteur lui-même (ainsi, les mosfet sont plus rapides que les transistor bipolaires et les igbt). Cependant, on utilise souvent les semiconducteurs avec des temps de commutation plus grands que ce que le semiconducteur permet, car une commutation rapide est source de surtension lors du blocage à cause des inductances « parasites » en série avec le semiconducteur de surtension lors du blocage à cause des inductances « parasites » en série avec le semiconducteur de surcourant lors de la mise en conduction à cause notamment des capacités « parasites » en parallèle avec le semiconducteur. de surcourant lors de la mise en conduction à cause notamment des capacités « parasites » en parallèle avec le semiconducteur. Pour commuter rapidement, il faut donc non seulement que le semiconducteur le permette, mais encore quil supporte la surtension et le surcourant qui en résultera, ce qui augmentera son prix !

17 ELEC Université catholique de Louvain 17 Augmentation des pertes de commutation dues au circuit Si le semiconducteur est en série avec une inductance, lénergie accumulée dans cette inductance, soit Li 2 /2 si elle est linéaire, sera inclue dans w off lors du blocage du semiconducteur. Note : dans un circuit plus compliqué, considérer pour le calcul linductance « vue » par le semiconducteur. De même, si le semiconducteur est en parallèle avec une capacité, lénergie accumulée dans cette capacité, soit Cu 2 /2 si elle est linéaire, sera inclue dans w on lors de la mise en conduction du semiconducteur. Note : dans un circuit plus compliqué, considérer pour le calcul la capacité « vue » par le semiconducteur.

18 ELEC Université catholique de Louvain 18 Lors du blocage dune diode, celle-ci laisse passer momentanément un courant inverse, le temps dextraire les porteurs qui la rendaient conductrice. La charge correspondant à cette impulsion de courant porte le nom de charge recouvrée. Cette charge occasionne des pertes de commutation non seulement dans la diode, mais aussi dans le semiconducteur commandé qui commute en même temps que la diode (un peu comme si celui-ci voyait une capacité parasite). Lors de la commutation dune tension u, on peut donc sattendre à des pertes de commutation de lordre du produit q rec u, à répartir éventuellement entre deux semiconducteurs.

19 ELEC Université catholique de Louvain 19 En réduisant les inductances et capacités « parasites », ainsi que la charge recouvrée des diodes, on réduit les pertes de commutation dues à ces éléments. En outre, cela permet de réduire t on et t off, ce qui contribue aussi à réduire les pertes de commutation. Dans les circuits qui fonctionnent à fréquence élevée, les pertes de commutation jouent un rôle important et on a donc tout intérêt à réduire les inductances et capacités « parasites » par une réalisation soigneuse du câblage électrique, et à choisir des diodes à faible charge recouvrée. En pratique, on a intérêt à augmenter la fréquence de fonctionnement pour diminuer la taille des inductances et capacités, mais on est limité dans cette voie par laugmentation des pertes de commutation : le choix de la fréquence résulte donc souvent dun compromis.

20 ELEC Université catholique de Louvain 20 Circuits daide à la commutation Parfois, on munit les semiconducteurs dun circuit daide à la commutation qui réduit les valeurs transitoires vues par le semiconducteur ou « envoie ailleurs » lénergie liée aux éléments parasites. Ce circuit est formé de condensateurs, inductances, diodes, résistances… On peut alors utiliser un semiconducteur moins robuste (donc moins cher ou plus facilement disponible), mais au prix dun circuit supplémentaire. De plus, lénergie liée aux éléments parasites est souvent perdue car dissipée dans ce circuit, ce qui soulage le semiconducteur mais naméliore pas le rendement du dispositif.

21 ELEC Université catholique de Louvain 21 Choix de composants Les composants doivent non seulement pouvoir supporter les valeurs de crête des tensions et des courants dont ils sont le siège, mais encore pouvoir évacuer la chaleur dégagée. Lévacuation de la chaleur ne dépend pas uniquement du semiconducteur, mais aussi du radiateur (ou autre dispositif de refroidissement) sur lequel il est fixé, ainsi que de la température du milieu vers lequel on évacue la chaleur produite. On trouve dans les datasheets des fabricants la donnée de la température de jonction acceptable (pour une durée de vie donnée) et la valeur de la résistance thermique jonction-boîtier (qui nest quune partie de la résistance thermique jonction-ambiante).

22 ELEC Université catholique de Louvain 22 Évolution des composants Le silicium ne peut fonctionner quà des températures inférieures à °C. On cherche à le remplacer par dautres matériaux semiconducteurs, notamment le carbure de silicium qui peut fonctionner à 300°C.


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