1 Plan Petite Introduction Petite Introduction Les principaux composants électroniques de Puissance Les principaux composants électroniques de Puissance.

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1 1 Plan Petite Introduction Petite Introduction Les principaux composants électroniques de Puissance Les principaux composants électroniques de Puissance Les Onduleurs : Les Onduleurs : Les onduleurs à ondes pleines Les onduleurs à ondes pleines Les onduleurs à ondes décalées, Les onduleurs à ondes décalées, Les onduleurs MLI. Les onduleurs MLI.

2 2 Composants d’un système photovoltaïque

3 Energie solaire Energie électrique Panneaux solaires Batterie (stockage) Energie électrique Site isolé Constitution d’un système PV Isolé (Autonome) Adaptateur / aiguilleur

4 Batterie (stockage) Constitution d’un système PV

5 Installations électriques photovoltaïques (Protection et sectionnement) 5

6 Installations électriques photovoltaïques 6

7 Point de Fonctionnement

8 Point de puissance maximale

9 MPPT

10 Les composants semi-conducteurs de puissance Les composants semi-conducteurs de puissance utilisés dans la conversion d’énergie électrique fonctionnent en général entre deux états, à la manière d’un interrupteur : bloqué ou conducteur améliorer le rendement. Ce type de fonctionnement permet de minimiser l’énergie dissipée et en conséquence améliorer le rendement. Principaux composants électroniques de Puissance Diode, Thyristor, Transistor bipolaire, Transistor MOS, GTO, IGBT, 10

11 Une diode entre en conduction une fois polarisée en direct. L’épaisseur e de la barrière de potentiel ou encore la zone de transition diminue : V D est positive. 11 Principaux composants électroniques de Puissance Diode de puissance

12 Thyristors C’est un semi-conducteur de type PNPN, à trois bornes : A(Anode), K (Cathode) et G (Gâchette) 12 Mécanisme d’amorçage et de blocage d’un thyristor : positive La commutation de l’état bloqué à l’état conducteur s’obtient par application à l’électrode de gâchette G, d’une impulsion de tension (ou de courant) positive par rapport à la cathode. Les valeurs de l’intensité du courant et de la tension appliquées à la gâchette doivent être supérieures aux valeurs limites indiquées par les constructeurs. Une fois le thyristor est conducteur, il se comporte comme une diode.

13 13 Montage équivalent et Mécanisme d’amorçage et de blocage d’un thyristor :

14 14 I o (A)2.51016 25 à 76 76 à 175 175 à 1200 V G (V)1.51.53333 I G (mA) 15255080125200 A titre d’exemple Quand la température augmente VG et IG diminuent. Le déclenchement devient plus facile

15 Pour bloquer le thyristor, il faut appliquer à ces bornes une tension inverse de durée largement suffisante permettant d’évacuer les charges stockées. Mais il ne s’éteint que lorsque le courant qui le traverse devient inférieur ou égal au courant dit de maintien ou encore courant hypostatique IH – (compris entre 20 et 300mA). Ce courant peut atteindre une valeur maximale de 1A. Souvent en courant alternatif la commutation ne pose pas de problème. La tension peut s’inverser aux bornes du thyristor et le courant s’annule. Le thyristor se bloque de lui même : c’est la commutation naturelle. En courant continu, il est impossible de bloquer le thyristor. On a recours à un circuit annexe pour assurer la commutation ; C’est la commutation forcée. 15

16 Le transistor bipolaire Le transistor bipolaire Ce composant est commandé à la fermeture et à l’ouverture. – Un courant de base suffisant permet sa fermeture. – L’arrêt de ce courant permet l’ouverture. Il ne fonctionne qu’entre deux états bloqué ou saturé et pas dans la zone linéaire comme c’est le cas en « électronique faible courant ». – Le transistor NPN est plus rapide et sa tenue en tension est beaucoup plus importante que le transistor PNP 16

17 Aire de sécurité - CALC doit toujours se situer à l'intérieur d'une zone, appelée aire de sécurité, Le point de fonctionnement doit toujours se situer à l'intérieur d'une zone, appelée aire de sécurité, délimitée dans le réseau par le courant direct maximal admissible, la tension collecteur/émetteur maximale, et la puissance maximale que peut dissiper le transistor. La puissance que doit donc dissiper le transistor vaut : V BE. I B + V CE. I C 17

18 Transistors à effet de Champ de puissance : MOSFET Le Mos est commandé par une tension appliquée à la grille. La vitesse de commutation est supérieure à celle d’un bipolaire (presque 10 fois), on peut commuter des fréquences proches de 200kHz. Les temps de la montée et de la descente sont réduits. Les pertes en commutation sont plus faibles. Par contre les pertes en conduction sont comparables à un Bipolaire pour les basses tensions et croissent pour les grandes tensions. Elles deviennent énormes pour des tensions importante (au-delà de 1kV). 18

19 TRANSISTOR BIPOLAIRE à GRILLE ISOLEE (IGBT) L'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est un transistor bipolaire à porte isolée. Il associe le MOS et le Bipolaire. Il cumule les avantages des transistors bipolaires (tensions et courants élevés) et ceux des transistors MOSFET (rapidité des commutations, énergie de commande faible) sans en éliminer totalement les inconvénients L'IGBT présente l'inconvénient d'un blocage moins rapide que le MOSFET, ce qui limite sa fréquence de commutation à quelques dizaines de kHz. 19

20 La place de l'IGBT parmi les autres semi- conducteurs de puissance ThyristorThyristor rapide Transistor bipolaire IGBTGTO Tension6000V1500V1400V1200V4500V Courant5000A1500A500A400A3000A Fréquence1kHz3kHz5kHz20kHz1kHz 20

21 Choix d’un composant : Le choix d’un composant fait apparaître plusieurs aspects : – Les caractéristiques de la commande, – Les conditions de protection, – Le coût qui doit comprendre le circuit de refroidissement, la complexité de circuit, les composants passifs associés, l’encombrement,… 21

22 Pour les basses fréquences le choix par ordre préférentiel: – Thyristors classique ou le GTO – Le bipolaire ou le Darlinton, – Le MOS. Pour les fréquences élevées, alors on procède aux choix préférentiels suivants : – Le MOS, – Le bipolaire ou le Darlinton, – Thyristor classique, GTO. 22 Choix d’un composant :

23 Les Onduleurs Objectif alternative continueObjectif : Créer un système capable de fournir une tension alternative sinusoïdale de fréquence et amplitude désirée à partir d'une source continue. Un onduleur Un onduleur est un convertisseur de puissance destiné à convertir une tension continue en une tension alternative par un jeu de commutations. 23

24 LES HACHEURS Les hacheurs sont des convertisseurs statiques directs, de type continu - continu qui transforment une tension continue à l’entrée en une autre à la sortie, dont la valeur moyenne est réglable. Malgré que les hacheurs font appel à la commutation forcée, ils restent simples quand au contrôle de la puissance électrique dans les circuits fonctionnant en courant continu. La structure du hacheur mis en jeu dépend du cahier de charge imposé par le système.

25 Différentes structures Parmi ces structures on cite le :  Hacheur abaisseur ou dévolteur  Hacheur élévateur ou survolteur  Hacheur réversible en courant.  Hacheur réversible en tension.  Hacheur réversible en courant et en tension. Ces hacheurs peuvent être réalisés par intermédiaire des thyristors menus de leurs circuits de commutation forcée, ou par le moyen d’autres composants (transistors bipolaire, IGBT,…).

26 HACHEUR ABAISSEUR HACHEUR ABAISSEUR L’ouverture et la fermeture de manière périodique de l’interrupteur mis en jeu, permettent d’avoir à la sortie, une tension continue hachée, de valeur moyenne inférieure à la tension d’entrée.

27

28 Valeurs moyennes Tension moyenne : Courant moyen : Avec :  = L/R est la constante du temps électrique de la charge. a= U / E et Ik = U/ R. E étant la f.c.e.m de la charge.

29 Procédé de réglage de rapport cyclique Deux cas sont possibles : – Faire varier la durée de la conduction t on et maintenir la période T constante. – Faire varier la période T et maintenir t on constante. C’est le premier mode qui est le plus souvent adopté. – Cependant le rapport cyclique ne peut pas descendre au dessous d’une valeur minimale qui dépend de l’interrupteur et éventuellement du circuit annexe de commutation ou du CALC.

30 Mécanisme de la commutation Ouverture du transistor Fermeture du transistor

31 Hacheur survolteur Dans ce hacheur - comme son nom l’indique- la tension de sortie est plus élevée que celle d’entrée. La figure suivante explicite comment peut- t- on générer un hacheur survolteur. Il s’agit uniquement d’intervertir les rôles entre les interrupteurs mis en jeu. Génération du hacheur élévateur

32 Hacheur élévateur complet Hacheur élévateur simplifié

33 Principe de fonctionnement t off = .Test ici le temps d’extinction de l’interrupteur commandét off = .T est ici le temps d’extinction de l’interrupteur commandé t on = (1-  ).Test ici le temps de conduction de l’interrupteur commandé, (la diode est bloquée) t on = (1-  ).T. est ici le temps de conduction de l’interrupteur commandé, (la diode est bloquée)

34 Principe de fonctionnement La source d’alimentation se comporte comme une source du courant. La charge se comporte comme une source de tension. 0 < t < t off = .T : v entrée = U + L di/dt = E et v sortie = E t off < t < T : v entrée = U + L di/dt = 0 et v sortie = E

35 Hacheur réversible en courant Hacheur réversible en courant Génération du hacheur réversible en courant (deux quadrants)

36 Hacheur réversible en tension et en courant Hacheur réversible en tension et en courant

37 Principe de la commande

38 Onduleurs Pleines Ondes La première idée consiste à commander des interrupteurs pour appliquer pendant un certain temps la pleine tension continue et pendant un autre temps, cette même tension mais inversée. La somme des deux temps correspond à la période 38

39 Mode de Commande Dans ce mode de commande, les interrupteurs travaillent à la fréquence des grandeurs électriques de sortie. Nous pouvons distinguer deux types de commande pleine onde : la commande est : – Simultanée ou – Décalée. 39

40 Commande Simultanée 40

41 Commande Décalée 41

42 Onduleurs MLI

43 Principe de la M.L.I. (Modulation de Largeur d’Impulsion) ou P.W.M. (Pulse Width Modulation) : Une onde sinusoïdale de fréquence correspondant à la fréquence de sortie est comparée à une onde triangulaire de fréquence f h (horloge). La sortie du comparateur permet, par l’intermédiaire de l’interrupteur de puissance, le pilotage d’une phase. Les autres phases sont pilotées par des ensembles identiques, déphasés de 120°. 43

44 Onduleurs MLI

45 Principe de la MLI Vectorielle

46 Comparaison entre Onduleurs MLI selon la fréquence d’Horloge. 46 Faible Fréquence Grande Fréquence

47 Merci pour votre attention Merci pour votre attention