Électronique de puissance ELEC 2753 Électrotechnique Électronique de puissance E. MATAGNE ernest.matagne@uclouvain.be

Les composants

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.

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.

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.

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).

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. 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).

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.

La jonction P-N Une barrière de potentiel apparaît (voir cours)

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).

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.

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.

MOSFET 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. L’électrode de commande G (est isolée par une couche d’oxyde non conductrice (en brun sur la figure) 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.

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.

Thyristors Ces composants comportent 4 zones. On appelle A l’anode, K la cathode. L’électrode de commande, G, s’appelle la gâchette. 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.

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.

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.

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.

Structures monophasées

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…

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 !

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). Par contre, le courant efficace de la diode et de l’entrée peut être beaucoup plus grand. Attention à bien dimensionner les éléments concernés !

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 !

Redresseur à pont de diodes Cas d’une charge résistive Courant absorbé sinusoïdal

Cas d’une charge capacitive La valeur efficace du courant d’entrée peut être beaucoup plus grande que le courant de la charge.

Cas d’une charge inductive Courant de la self et de la charge quasi-constant Courant d’entrée de forme carrée

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.

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)

Hacheur série ou abaisseur de tension (buck)

On peut réaliser une alimentation à découpage à partir d’un hacheur série Donc On peut seulement abaisser la tension et élever le courant (convertisseur « buck » ) En régime, on a donc

Hacheur parallèle ou élévateur de tension (boost) On peut seulement élever la tension et abaisser le courant

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.

Tension d’entrée Courant de la self Courant d’entrée

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 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.

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.

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. On peut donc connecter librement la sortie. En particulier, le changement de polarité n’a plus d’importance.

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 = d U / k « Fly-through »

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).

Onduleurs monophasés 1. Pleine onde (de moins en moins utilisés)

Onduleurs monophasés 2. À modulation de largeur d’impulsion ( pulse wide modulation) Mode MLI (PWM en anglais)

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)

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