Les Interrupteurs d'Électronique de puissance - Physique Appliquée

Les cellules de commutation Sommaire
Les Interrupteurs d'Électronique de puissance 2
I) Introduction 2
II) Les associations de sources 2
III) Les interrupteurs 3
III.1) Définitions 3
III.2) Transitions 3
III.1) Réversibilité des interrupteurs: 3
III.2) Puissance lors des commutations : 4
IV) Les divers composants de puissance 4
IV.1) Généralités sur les composants de puissance 4
IV.2) Diodes 4
IV.3) Thyristors et Thyristors GTO et IGCT 5
IV.4) Les transistors bipolaires (1975) 6
IV.5) Les transistors à effet de champ à grille isolée : le MOSFET (1975-
1980) 6
IV.6) IGBT (1985) 6
IV.7) Domaines d'utilisation 7 Les Interrupteurs d'Électronique de puissance
1 Introduction L'électronique de puissance étudie le fonctionnement et la structure des
divers convertisseurs utilisés en électrotechnique.
-L'électronique de puissance doit relier des sources à courant continu ou
alternatif par des composants électroniques fonctionnant en interrupteurs.
On a donc un régime de commutation pour lequel les composants ont une
faible dissipation de chaleur et pour lequel le rendement est très bon. 2 Les associations de sources On doit relier entre elles uniquement des sources de nature contraire
(source de tension et source de courant). -un générateur de tension ne peut être court-circuité sous peine d'obtenir
un courant ''infini''.
-un générateur de courant ne peut être introduit dans une branche en
circuit ouvert sous peine d'obtenir une tension ''infinie''.
Sources de tension :fem de valeur constante ou fonction du temps,
indépendante de la charge .(U=cte quel que soit I.)
Sources de courant : courant de valeur constante ou fonction du temps,
indépendant de la charge).(I=cte quelle que soit U) Les générateurs « pratiques se rapprochent de cette définition.
En électronique de puissance, un générateur est dit de tension s'il a une
inductance interne assez faible pour :
-qu'il ne s'oppose pas aux rapides variations du courant i lors des
commutations.
-que ces rapides variations ne produisent pas des pics ou des creux trop
importants dans l'onde de tension u aux bornes.
Un générateur est dit de courant lorsqu'il a une inductance interne
suffisamment grande pour que son courant i ne soit pas trop affecté par les
rapides variations de tension à ses bornes qui se produisent lors des
commutations. Une inductance joue le rôle de source de courant puisqu'elle s'oppose aux
brusques variations de courant.
Un condensateur joue le rôle de source de tension puisqu'il s'oppose aux
brusques variations de tension.
Les règles d'association découlent des propriétés suivantes :
-un générateur de tension ne peut être court-circuité sous peine d'obtenir
un courant ''infini''.
-un générateur de courant ne peut être introduit dans une branche en
circuit ouvert sous peine d'obtenir une tension ''infinie''. Si on se trouve dans le cas de la figure a), on ne peut fermer K sans court-
circuiter le générateur de tension équivalent (MET) e1-e2.
De même, dans la figure b, K ne peut à aucun moment être ouvert. Les seules associations possibles sont celles qui établissent des
connexions transitoires ou permanentes entre un générateur de tension et un
générateur de courant, c'est à dire deux sources de types différents.
(figure c et d)
L'association indirecte de deux sources de même type est cependant possible
en passant par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs composants assurant
l'interfaçage entre les générateurs correspondants.
On effectue un changement de nature de la source.
Pour transformer une source de tension continue en une source de courant
continu , on met en série avec celle-ci une inductance L de valeur
suffisante.
Pour transformer une source de courant continu en une source de tension
continue, on met en parallèle avec celle-ci un condensateur de capacité C
suffisante. 3 Les interrupteurs
1 Définitions [pic]
[pic]
2 Transitions Les changements d'état d'un interrupteur résultent soit d'une évolution
spontanée (diode, ouverture d'un thyristor) soit d'une commande externe ou
provoquée (transistor MOS ou IGBT...).Dans ce dernier cas, on dit que
l'interrupteur est commandable.
Un interrupteur peut n'être commandable qu'à la fermeture ou qu'à
l'ouverture (semi-commandable). 3 Réversibilité des interrupteurs: Un interrupteur est dit unidirectionnel s'il ne peut fonctionner que dans
un seul
quadrant (non réversible, ni en tension ni en courant.)
Il est bidirectionnel total s'il peut fonctionner dans les quatre
quadrants.
(réversibilité en tension et en courant.)
Les composants utilisés en général comme interrupteurs électroniques sont
unidirectionnels en courant.
Si on veut un interrupteur réversible en courant, il faut associer les
composants :
Exemple: Transistor+ diode en anti-parallèle. 4 Puissance lors des commutations : |La puissance reçue en convention récepteur est p=vK.iK>0. |[pic] |
|(puissance instantanée) | |
|Le composant est récepteur. | |
|Le point de fonctionnement ne peut se situer dans les | |
|quadrants | |
|2 et 3 ce qui correspondraient à un fonctionnement | |
|générateur. | |
|La commutation entre 1 et 2 est forcément spontanée. | |
Les pertes par commutation sont très réduites dans le cas de commutations
spontanées. Elles peuvent être importantes pour les commutations provoquées
( passage de 1 à 3). Dans ces cas là, elles peuvent être diminuées en
utilisant des CALC( circuit d'aide à la commutation). Cas des composants réels :
Les composants réels ne vérifient qu'approximativement les propriétés de
l'interrupteur idéal.
vk=Vo chute de tension de conduction à l'état passant quand K fermé.
ik (0 à l'état bloqué. K ouvert.
Commutation non instantannée d'un état à l'autre :
[pic]
t rd :"delay time", temps de retard entre la commande à la fermeture et le
début de la variation de iK (passage de IK à 90 % de sa valeur finale.)
tr :" rise time", temps de montée de IK de 10 % à 90 % de sa valeur
finale.
ton= t rd +t r= durée complète de la commande à la fermeture.
t fd temps de retard entre la commande à l'ouverture et le début de la
variation de iK (passage de IK à 10 % de sa valeur finale.)
tf "fall time", temps de descente, entre 90 % et 10 % de la valeur
initiale de IK.
toff= t fd +t f= durée complète de la commande à l'ouverture. Pcom=[pic]
4 Les divers composants de puissance
1 Généralités sur les composants de puissance Distinguons tout d'abord deux grandes catégories :
- les composants à jonction bipolaire permettant l'obtention de chutes
de tension en conduction faibles mais dont le corollaire
incontournable est l'existence de charges stockées.
- Les composants à effet de champ qui, inversement ne stockent pas de
charges et sont donc très performants sur le plan dynamique, mais
présentent le désavantage de chutes de tension en conduction élevées.
Outre la caractéristique statique, la caractéristique dynamique des
interrupteurs en commutation est déterminante. En effet, la vitesse de ces
commutations va prendre une importance considérable dans la conception de
convertisseurs. Les phases d'amorçage, de blocage mais aussi de conduction
et de repos sont sources de pertes. Il est alors nécessaire de calculer un
radiateur pour chaque composant fonctionnant de la sorte. Les pertes par
commutation vont bien entendu augmenter avec la fréquence (plus la
fréquence est élevée, plus il y a des commutations par unité de temps). Il
y a aussi des pertes par conduction (la tension au bornes des interrupteurs
n'est pas rigoureusement nulle lorsqu'ils conduisent). 2 Diodes
1 Principe |l'amorçage (mise en conduction). |[pic][pic] |
|La diode est initialement polarisée en inverse | |
|et donc bloquée. On inverse la polarisation et | |
|le courant s'établit. Il y a un retard entre | |
|l'évolution de e et l'évolution du courant i. | |
|le blocage (coupure du courant). | |
|La diode initialement passante est brutalement | |
|polarisée en inverse et le courant s'annule. | |
|Cette annulation se fait par valeur négative et | |
|non par valeur positive comme on pourrait s'y | |
|attendre. C'est ce que l'on appelle le | |
|recouvrement inverse de la diode. Ce phénomène | |
|résulte de l'excès de porteurs minoritaires de | |
|part et d'autre de la jonction lorsque celle-ci | |
|conduit. Lorsque la diode se bloque, ces charges| |
|doivent être évacuées ce qui demande du temps. | |
|trr est appelé temps de recouvrement inverse et | |
|représente la plus longue partie de cette | |
|commutation. | |
| |[pic] |
L'aire hachurée représente la charge recouvrée que l'on note Qrr. Il faut
noter que la surintensité inverse, Qrr et le trr dépendent de la vitesse de
décroissance initiale du courant (di/dt). La surintensité et Qrr seront
d'autant plus importantes qu