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INTRODUCTION                                                     1


                                          GENERALITES.
I.1. Définition de l'électronique de puissance.
L'électronique de puissance est la technique qui étudie la conversion par des moyens statiques de l'énergie
électrique d'une forme en autre forme adaptée à des besoins déterminés.
Cette nouvelle technique aussi appelée électronique des courants forts se situe entre électronique générale
et l'électrotechnique classique.
Les moyens statiques dont il est question dans la définition sont, d'une part, les composants électroniques
non commandés (diodes), ou commandés ( thyristors, transistors, Triacs, GTO,...) et d'autre part, les
éléments statiques de l'électrotechnique classique (inductances, condensateurs, transformateurs, ...)
L'électronique des courants faibles a son rôle à jouer, ne serait ce que dans l'élaboration des signaux à
envoyer aux électrodes de commandes des semi-conducteurs commandés.
Dans le passé, les conversions d'énergie étaient souvent réalisées à l'aide machines tournantes; Elles
étaient exclusivement du ressort de l'électrotechnique.
Les apports d'électronique de puissance à l'électrotechnique classique sont importants car, électronique de
puissance permet de :
• Remplir des fonctions autrefois réalisées par des machines tournantes.
       Exemples: l'onduleur autonome est équivalent à l'ensemble moteur à courant continu-alternateur.
• Le montage redresseur à thyristor est équivalent à l'ensemble moteur asynchrone-dynamo à courant
  continu.
• Attribuer la souplesse et de la précision à la variation de vitesse des moteurs à courant continu
  (hacheur) et à courant alternatif (onduleur).
• Résoudre des problèmes qui n'avaient pas d'autrefois de solutions satisfaisantes.
Les apports de l'électronique de puissance à l'électronique générale ne sont non plus négligeables dans les
domaines des alimentations et des amplificateurs de puissance.
I.2. Principales caractéristiques de l'électronique de puissance.
Mais, au fond une question qui se pose: en quoi l'électronique de puissance diffère-t-elle d'électronique
générale ?
Dans un équipement de l'électronique générale, l'élément actif travaille en modulation. La performance
que le concepteur recherche est le coefficient de l'amplification ou gain; rapport entre les niveaux des
signaux de sortie et d'entrée.
Dans un équipement de l'électronique de puissance, l'élément actif travaille en commutation
(fonctionnement par tous ou rien). La performance recherchée dans l'élaboration du convertisseur est le
rendement.
I.3. Type de conversion d'énergie- fonction de base de l'électronique de
puissance.
   ! Nécessité de la conversion d’énergie
Les différents réseaux électriques industriels alimentent de nombreux actionneurs. Cette énergie apparaît
sous deux formes : alternative (tensions ou courants sinusoïdaux à valeur moyenne nulle) ou continue.
Suivant le type d’actionneur, il est nécessaire d’adapter la forme de l’énergie fournie par le réseau.
INTRODUCTION                                                  2



Par définition de l'électronique de puissance s'intéresse au transfert d'une puissance depuis une source
d'énergie électrique alternative ou continue vers un récepteur ou un réseau qui demande éventuellement
une modification soit de la forme de cette puissance (de l'alternatif au continu ou vice-versa) soit de ses
caractéristiques (changement de tension en continu, changement de l'amplitude de tension alternatif,
changement de fréquence et / ou d'amplitude en alternatif). La figure ci-dessous schématise les différents
types de conversion possibles.




le tableau ci-dessous résume les principaux convertisseurs de base ainsi les formes d’ondes obtenues




Considérons successivement les 4 grandes modes de conversions d'énergie ce qui permet de montrer les
différentes fonctions de base de l'électronique de puissance.
I.3.1. Mode de conversion alternatif- continu :
INTRODUCTION                                                  3


       A: Montage redresseur, nous distinguons:
       • Montages à diodes qui imposent une tension de sortie fixe.
       • Montage redresseur à thyristors qui permet d'avoir une tension de sortie variable.
       • Montage mixte : il est composé de diodes et de thyristors et permet d'avoir une tension de sortie
         commandée.
        B: Montages onduleurs non autonomes: ces montages sont composés uniquement de thyristors
       et pour pouvoir fonctionner en onduleur, il faut que la tension de sortie soit négative et la charge
       soit capable de fournir de l'énergie et en mesure d'absorber le courant de sortie positif.
I.3.2. Mode de conversion continu- continu : Hacheur.
En faisant varier le signal de commande de façon continue, il est possible de faire varier la valeur
moyenne de la tension de sortie soit de 0 à la tension d'entrée Ei (hacheur série), soit de Ei à une autre
tension supérieure Ei ( hacheur parallèle). Ces montages sont équivalent à un transformateur de tension en
alternatif.
I.3.3. Mode de conversion continu- alternatif: Onduleur autonome.
Ces montages permettent de produire une tension de sortie dont la forme d'onde et la fréquence sont tout à
fait indépendante du réseau.
I.3.4. Mode de conversion alternatif- alternatif.
On distingue deux types de conversion:
       • Gradateur: ces montages permettent la variation de la valeur efficace de la tension de sortie
         dont la fréquence est celle du réseau.
       • Cycloconvertisseur: ces montages permettent d'avoir une tension de sortie dont la forme
         d'onde et la fréquence sont différends des celles du réseau.
I.3.5. Quelques applications.
Les applications des montages redresseurs:
      • Chargeurs de batteries.
      • Excitation des alternateurs.
      • Contrôle de vitesse de machine à courant continu.
Les applications des montages hacheurs:
      • Alimentations continues variables.
      • Traction électrique (locomotive)
      • Métro et bus électrique
Les applications des onduleurs:
      • Alimentation des machines tournantes alternatives à vitesse variable.
      • Alimentation de sécurité et les centres de calcul.
      • Réseau de bord (d'avion, wagon de chemin de fer, ...)
INTRODUCTION                                                    4


I.4. Eléments constitutifs et synthèse des convertisseurs statiques
Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs semi-conducteurs permettant par une
commande convenable de ces derniers de régler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une
source de sortie comme le montre la figure2.




                                      Figure 2: convertisseur statique
La source d’entrée peut être un générateur ou un récepteur (idem pour la source de sortie). La synthèse des
convertisseurs statiques repose sur les seuls éléments connus que sont les sources d’entrée et de sortie.




                                        Figure 3 : synthèse des CVS
Il faut donc savoir caractériser les sources d’entrée et de sortie et bien connaître le fonctionnement des
interrupteurs pour déterminer la constitution d’un convertisseur statique.

I.4.1. Sources de tension et de courant

I.4.1.1. Source de tension parfaite
Une source de tension parfaite est un dipôle actif qui présente à ses bornes une tension U indépendante du
courant débité.




                                           Figure 4 : source de V
INTRODUCTION                                                    5


Le condensateur se comporte au moment des
commutations comme une source de tension car la
tension ne peut pas subir de discontinuité :



                                                                      Figure 5 : condensateur

I.4.1.2. Source de courant parfaite
Une source de courant parfaite est un dipôle actif débitant un courant électrique I indépendant
de la tension V apparaissant à ses bornes.




                                             Figure 6 : source de I
L’inductance se comporte au moment des
commutations comme une source de courant car
le courant ne peut pas subir de discontinuité


                                                                      Figure 7 : inductance

       Remarques
                                                        Une source de tension en série avec une inductance
                                                        L est équivalent à une source de courant.




                                                        Une source de courant en parallèle avec un
                                                        condensateur est équivalent à une source de
                                                        tension.




                                                        Pour affirmer une source de tension, on disposera
                                                        d’un condensateur C en parallèle.
INTRODUCTION                                                    6




                                                       Pour affirmer une source de courant, on disposera
                                                       d’une inductance L en série




        ! Influence d’une inductance sur une source de tension
On considère une batterie reliée à une charge par un câble
comme le montre la figure 8.
L’inductance moyenne du câble est de 1 mHm-1 et le temps
d’ouverture ton de l’interrupteur est 100 ns.
Dispose-t-on d’une source de tension ou de courant pour une
longueur de 1 m ou de 0,1 m ?
    •   Si la longueur est de 1 m, la surtension provoquée à         Figure 8 : batterie d’accumulateurs
        l’ouverture de l’interrupteur est


                                                                       ;
   •    A cause des câbles de liaison, la charge ne peut être alimentée par une source de tension.
Si la longueur est de 0,01 m, la surtension provoquée à l’ouverture de l’interrupteur est


                                                                        ;
   •    Si la f.e.m est de quelques dizaines de volts, on pourra considérer la batterie comme une source de
        tension (si Ebat = 24 V, on a 4% de chutes de tension).
   Remarques
   •    En électronique de puissance, il faudra être vigilant au câblage qui introduit des inductances
        parasites.
   •    La présence d’inductances parasites conduit à ajouter un condensateur en parallèle avec la source
        de tension.
   •    Il faudra être aussi vigilant aux vitesses de commutation des interrupteurs.

I.4.1.3. Réversibilité des sources d’entrée et de sortie
La détermination des réversibilités des sources d’entrée et de sortie est fondamentale car elle permet de
déduire les caractéristiques statiques des interrupteurs.
   ! Une source est dite réversible en tension si la tension à ses bornes peut changer de signe.
   ! Une source est dite réversible en courant si le courant qui la traverse peut s’inverser.
Exemple :
INTRODUCTION                                               7


   1. Le circuit d’induit d’une machine à courant continu est équivalent à une source en courant à cause
      de l’inductance dus aux bobinages. Si on dispose d’une inversion de la vitesse et d’un freinage
      électrique (inversion du courant d’induit), la source sera réversible en tension et en courant.
   2. Une batterie est une source de tension non réversible en tension et réversible en courant (charge et
      décharge).

I.4.2. Règles d’interconnexion des sources
           ! Règle n°1
Une source de tension ne doit jamais être court-
circuitée mais elle peut être ouverte. Sinon le
courant serait destructeur.




           ! Règle n°2
Le circuit d’une source de courant ne doit jamais
être ouvert mais il peut être court-circuité. Sinon
l’ouverture provoque une surtension




           ! Règle n°3
Il ne faut jamais connecter entre elles deux sources de même nature.




           ! Règle n°4
On ne peut connecter entre elles qu’une source de
courant et une source de tension
Les deux interrupteurs doivent être rigoureusement
complémentaires.




Conclusion
INTRODUCTION                                                     8


   •    Si le convertisseur statique dispose des interrupteurs seulement, on ne sait que connecter des
        sources de natures différentes.
   •    Le plus petit convertisseur a au moins un interrupteur (redresseur mono alternance)

I.4.3. Les interrupteurs
            ! Interrupteur parfait
Un interrupteur possède deux états : ouvert (passant)ou fermé (bloqué) :




                                       Figure 10 : interrupteur parfait
Dans l’état fermé, on dit que l’interrupteur est passant (fermé)ou ON. Dans l’état ouvert, on dit que
l’interrupteur est ouvert (bloqué)ou OFF.
La caractéristique statique, qui est une propriété intrinsèque d’un interrupteur est donc formée de quatre
segments confondus avec les axes v et i.
            ! Interrupteur à semi-conducteur
On considère l’interrupteur comme un dipôle avec des conventions récepteurs




                                 Figure 11 : interrupteur à semi-conducteur
Un interrupteur à semi-conducteur est formé par un ou plusieurs composants semi-conducteurs. Sa
résistance rk peut varier entre une valeur très élevée (état ouvert ou bloqué) et une valeur très faible (état
fermé ou passant).



I.4.3.1. Les différents types de composants semi-conducteurs possibles
       ! Interrupteur à 2 segments
L’interrupteur est unidirectionnel en tension et en courant. On distingue deux caractéristiques
statiques à 2 segments comme le montre la figure 12.
INTRODUCTION                                                 9




                                                                                                         F
                                   Figure 12 : interrupteur à 2 segments

           ! Interrupteur à 3 segments
L’interrupteur est bidirectionnel en tension ou en courant comme le montre la figure 14. Il
n’existe donc que deux caractéristiques statiques à trois segments.




                                   Figure 12 : interrupteur à 3 segments


     ! Interrupteur à 4 segments
L’interrupteur est bidirectionnel en tension et en courant comme le montre la figure 13. La caractéristique
statique est obtenue par association des deux types précédents.
INTRODUCTION                                                    10




                                   Figure 13 : interrupteur à 4 segments

I.4.4. Régime dynamique / Mode de commutation
La caractéristique statique courant tension d’un interrupteur est insuffisante pour décrire ses propriétés
dynamiques, c’est à dire la manière selon laquelle l’interrupteur passe de l’état bloqué à l’état passant et
réciproquement. La trajectoire suivie par le point de fonctionnement constitue la caractéristique
dynamique de commutation.
L’interrupteur étant un élément dissipatif, la caractéristique dynamique ne peut être incluse que dans les
quadrants tels que le produit vk.ik > 0.

I.4.4.1. La commutation spontanée d’un interrupteur
Elle est identifiable dans son principe à celle
d’une jonction PN (diode). La commutation
spontanée ne dépend que du circuit extérieur ;
l’interrupteur commute naturellement car le
point de fonctionnement se déplaçant sur la
caractéristique statique passe par zéro comme
le montre la figure 14.
                                                             Figure 14 : commutation spontanée

L’amorçage spontané s’effectue au passage par zéro de la tension vk (tension du circuit extérieur). Le
blocage spontané s’effectue au passage par zéro du courant ik (courant imposé par le circuit extérieur).
Ce mode de commutation s’effectue avec un minimum de pertes Joule puisque le point de fonctionnement
suit les axes.

I.4.4.2. La commutation commandée d’un interrupteur
L’interrupteur possède, en plus de ses électrodes principales, une électrode de commande sur laquelle il
est possible d’agir pour provoquer son changement d’état de manière quasi instantanée.
La figure 15 montre la caractéristique dynamique pour ce mode de commutation.




                                  Figure 15 : commutation commandée
INTRODUCTION                                                   11


Ce mode de commutation peut faire apparaître des contraintes sévères en terme de dissipation d’énergie
sur l’interrupteur. Si le temps de commutation est rapide, ainsi que la fréquence de commande de
l’interrupteur, les pertes joules peuvent être importantes et il faudra doter l’interrupteur d’un dissipateur à
convection naturelle ou forcée .
     ! Le cycle de fonctionnement d’un interrupteur
Pour caractériser complètement un interrupteur, il faut donc connaître d’une part sa caractéristique
statique et d’autre part ses modes de commutation à l’amorçage et au blocage.
Au cours d’une période de fonctionnement, le point de fonctionnement (vk,ik) de l’interrupteur
décrit un cycle. La figure 16 montre le cycle idéalisé d’un thyristor.




                                    Figure 16 : cycle de fonctionnement
     ! Interrupteur à 3 segments
On distingue 2 groupes d’interrupteurs suivant qu’ils sont bidirectionnels en courant et unidirectionnel en
tension, ou bidirectionnels en tension et unidirectionnel en courant.




                              Figure 17 : interrupteur bidirectionnel en tension




                             Figure 18 : interrupteur bidirectionnel en courant

I.4.5. Les interrupteurs en électronique de puissance.
Le principe des convertisseurs consiste à faire commuter des courants entre mailles adjacentes, ce qui
nécessite l'emploi de composants permettant de réaliser la fonction interrupteur. Idéalement, l'interrupteur
fermé aura une tension pratiquement nulle à ses bornes alors que le courant sera fixé par le reste du
dispositif. En revanche, l'interrupteur ouvert aura une tension imposée par l'extérieur à ses bornes, mais ne
sera traversé par aucun courant.
INTRODUCTION                                                   12


On distinguera les actions (blocage ou amorçage) commandées (grâce à un signal électrique extérieur)
des actions spontanées (suite à l'annulation ou au changement de signe d'une tension ou d'un courant par
exemple).


I.4.5.1. La diode.
Il s'agit d'un composant à amorçage et blocage spontanés. Ce sont des éléments extérieurs (source et
charge) qui vont déterminer son état.
    ! Caractéristique statique.
Les caractéristiques ressemblent à celles d'une diode classique, sauf en ce qui concerne le courant direct
maximum et la tension inverse de claquage.
•   exemple: diode rapide BYT 12PI-600
•   VRRM=600V, courant direct moyen maximum en régime permanent IF=12 A
Dans le pratique, pour expliquer le fonctionnement
des convertisseurs statiques, nous travaillerons à
partir d'une caractéristique idéalisée, sur laquelle on
néglige la tension de seuil et la résistance dynamique,
et nous supposerons que le diode n'est jamais
polarisée en inverse au delà de VRRM. La
caractéristique statique idéalisée est alors donnée par
La figure à droite
    ! Caractéristique dynamique.
 La caractéristique statique ne suffit pas à caractériser un interrupteur en commutation. En effet, la vitesse
de ces commutations va prendre une importance considérable dans la conception de convertisseurs.
Durant la commutation, les pertes dans l'interrupteur sont importantes car courant et tension sont non
nuls. Ces pertes peuvent occasionner la destruction du composant si on n'en tient pas suffisamment
compte. Il est nécessaire de calculer un radiateur pour chaque composant fonctionnant en commutation.
Ceci est valable pour la diode comme pour tous les interrupteurs qui suivront. Les pertes par commutation
vont bien entendu augmenter avec la fréquence. Il y a aussi des pertes par conduction (la tension au
bornes des interrupteurs n’est pas rigoureusement nulle lorsqu’ils conduisent)
           • Pour suivre les commutations, nous allons raisonner à partir du montage suivant




Suite aux évolutions de e, nous allons commenter celles de i, courant dans la diode et v tension aux
bornes de la diode.
           • l'amorçage (mise en conduction). 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
INTRODUCTION                                                   13


               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. 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 que cette décroissance sera rapide alors que trr sera plus
               court.

I.4.5.2. Le thyristor.
Il s'agit d'un interrupteur commandé à l'amorçage mais à blocage naturel (quand le courant s'annule à ses
bornes). La conduction est provoquée par l'envoi d'un courant sur unedes entrées du composant appelée
gâchette.

Il est notamment utilisé dans les redresseurs commandés et les gradateurs.Le schéma et la caractéristique
statique de ce composant sont les suivants




   •    Si le thyristor est bloqué en étant polarisé en direct (VAK>0), l'envoi, dans la gâchette, d'un courant
        iG adapté au composant, permet de déclencher le conduction (la tension VAK devient faible et le
        courant augmente en fonction des exigences de l'extérieur).
     • Si le courant se met à décroître et s'annule, alors, le composant se bloque et il sera nécessaire
        d'appliquer une autre impulsion sur la gâchette, à un moment où VAK est positif pour que le
        thyristor conduise à nouveau.
 Il faut noter que, pour que le blocage soit effectif, il faut que le composant reste polarisé en inverse
suffisamment longtemps, sinon, le thyristor se réamorce spontanément. Ce temps minimum, appelé tq est
un facteur limitant, lorsque l'on veut réaliser des commutations à haute fréquence.
     • On peut définir une caractéristique statique idéalisée




Les thyristors sont les interrupteurs qui permettent de faire transiter les puissances les plus importantes.
remarque:
       Il existe des thyristors particuliers, commandables à l'amorçage et au blocage. On les appelle GTO
       ("gate turn off").

I.4.5.3. Les transistors.
Il s'agit d'interrupteurs commandés à l'amorçage et au blocage. On les trouve notamment dans les
hacheurs.
INTRODUCTION                                                  14


    ! Le transistor bipolaire.
La mise en conduction et le blocage sont commandés par l'intermédiaire du courant de base On utilise
essentiellement des transistors NPN.




   •    Lorsqu'on l'utilise en commutation et qu’il est passant, le transistor fonctionne dans la zone de
       saturation. Lorsque Ib est nul, le courant d'émetteur reste nul. En revanche, pour un courant de
       base Ib positif, on fait en sorte que le transistor fonctionne en zone saturée (cela dépend du courant
       que l'on cherche à imposer). Alors, la tension aux bornes de l'interrupteur est faible, ce qui est
       compatible avec ce type de fonctionnement.
   •   Pour simplifier, on utilise souvent une caractéristique statique idéalisée.
   •    En régime dynamique, les commutations ne sont pas instantanées.




   •     Il faut noter que, lorsque l'on commande le blocage du transistor, on ne se contente pas d'appliquer
         un courant de base nul (on fait en sorte de rendre ce courant négatif pour accélérer la
         commutation).
     • td représente le temps de retard ("delay") nécessaire pour que I atteigne 10% de sa valeur de
         conduction
     • tr représente le temps de montée ("rise") nécessaire pour que I passe de 10% à 90% de sa valeur de
         conduction. tf représente le temps de descente ("fall") nécessaire à ce que I passe de 90% à 10% de
         sa valeur de conduction.
     • On définit aussi ts, temps de stockage ("storage") nécessaire pour passer de l'instant où ib vaut 90%
         de sa valeur maximale à l'instant où I vaut 90% de sa valeur de conduction.
On constate que les commutations occasionnent des pertes dans les interrupteurs (existence simultanée de
i et u non nuls aux bornes des interrupteurs). De plus, comme la tension aux
bornes du transistor n'est pas rigoureusement nulle lors de la conduction et il y aura aussi des
pertes par conduction.

I.4.5.4. Le MOS.
INTRODUCTION                                                   15


Cette fois, c'est la tension entre grille et source vgs qui va permettre de commander le transistor. Pour
fonctionner en interrupteur, on fait travailler le transistor dans la zone ohmique. Pour un transistor MOS à
canal N, on fonctionne avec les caractéristiques suivantes




On utilise souvent, pour simplifier, la caractéristique statique idéale qui est, pour un MOS à canal N, de la
forme suivante




Les caractéristiques dynamiques des MOS sont régies par des phénomènes capacitifs complexes. Nous ne
les détaillerons pas ici, mais là encore, les transitions ne sont pas instantanées et occasionnent des pertes.
Il faut noter que la commande des MOS est plus simple à réaliser que celle des transistors bipolaires.

I.4.5.5. IGBT ("insulated gate bipolar transistor").
Il s'agit d'un composant de structure proche de celle du MOS et qui s'emploie dans les mêmes conditions.
La commande se fait notamment par l'intermédiaire d'une tension vge. Sa conception permet de limiter la
tension à l'état passant par rapport au MOS.
Son symbole est le suivant:
INTRODUCTION                                                 16



I.4.5.6. Définition plus générale de l’interrupteur en électronique de puissance.




Nous venons de nous intéresser à la partie "Silicium" des interrupteurs. Cependant, la fonction
interrupteur est beaucoup plus complexe. En effet, elle regroupe le composant lui même, mais aussi la
commande, les dispositifs de protection et de dissipation (indispensables à cause des pertes, surtout à
fréquence élevée).

I.4.5.7. Plage d'emploi des différents interrupteurs.
Les différents composants ne peuvent pas être employés dans les mêmes gammes de puissance et de
fréquence de commutation, en raison des contraintes liées à leurs structures respectives. Le dessin suivant
indique les plages d'utilisation en fréquence de commutation et en puissance apparente des différents
dispositifs à semi-conducteurs dont nous venons de parler.
INTRODUCTION                                               17


I.5. LES MONTAGES REDRESSEURS.
I.5.1. Introduction.
Dans Cette partie, nous allons en premier temps étudier les montages usuels à diodes ensuite nous
traiterons les montages à thyristors.
Ces montages sont des circuits électriques constitués essentiellement d'une source de tension alternative,
un transformateur, des inductances, des commutateurs (ensemble des semi-conducteurs) et un récepteur
comme le montre la figure ci-dessous.




Avant d'étudier ces montages, nous allons tout d'abord rappeler la définition des commutateurs, ensuite
nous citons les différents types de montages redresseurs et enfin nous rappelons la démarche à suive pour
l'étude des ces types de montages.
I.5.2. Les commutateurs.
I.5.2.1. Commutateur positif.
Ce commutateur est formé par un groupe de diodes à cathodes réunies (fig. 20); à chaque instant, la
tension de sortie Ud est égale à la plus positive des tensions d'entrée.
En effet, pendant l'intervalle où V1 est plus grande
que V2, V3,........, Vm la diode d1 conduit, ce qui
implique:
       Ud = V1
Toutes les autres diodes sont bloquées puisque les
tensions aux bornes des diodes d2 et dm sont
négatives données par:
       Vd2 = V2-V1<0
      Vdm = Vm-V1<0

                                                                           Figure 20
INTRODUCTION                                               18


Lorsque V2 sera plus grande des m tentions, la diode d2 sera passante, car, rendant la tension Ud égale à
V2, elle bloquera de ce fait toutes les autres diodes.
REGLE 1: la diode passante est celle qui est reliée à la tension d'entrée la plus positive.

I.5.2.2. Commutateur négatif.
Ce commutateur est formé par un groupe de diodes à
anodes réunies (fig. 21); à chaque instant, la tension
de sortie Ud est égale à la plus négative des tensions
d'entrée.
En effet, pendant l'intervalle où V1 est plus petite que
V2, V3,........, Vm la diode d1 conduit, ce qui
implique: Ud = -V1
Toutes les autres diodes sont bloquées puisque les
tensions aux bornes des diodes d2 et dm sont
négatives données par:
       Vd2 = V1-V2<0
       Vdm = V1-Vm<0                                                        Figure 21


REGLE 2: la diode passante est celle qui est reliée à la tension d'entrée la plus négative.
I.5.2.3. Les différents types de montages redresseurs.
Selon le groupement des sources de tensions et selon l'association des commutateurs positif et négatif, on
peut distinguer principalement les trois types de montages redresseurs suivants:
• Montage de type parallèle noté P, on l'appelle aussi redresseur simple alternance. Son schéma
  électrique est représenté sur la figure 22 pour le cas d'un réseau triphasé.
• Montage de type parallèle double noté PD, on l'appelle aussi redresseur double alternance ou pont
  de Graëtz. Son schéma électrique est représenté sur la figure 23.
• Montage de type série noté S. Son schéma électrique est représenté sur la figure 24.




                                                  Figure 22.
INTRODUCTION                                                  19




                                                Figure 23.




                                                Figure 24.


I.5.3. Méthode d'étude :
Pour étudier un montage redresseur, nous suivre la démarche de l'ingénieur qui consiste à:
1. Calcul des tensions et des courants des semi-conducteurs et du transformateur.
2. Détermination des caractéristiques et des protections.
On procède en 5 étapes.
Etape 1: Modélisation.
On modélise l'ensemble réseau- système de protection , de filtrage et transformateur par la mise en série
d'une source de tension idéale de force électromotrice sinusoïdale égale à la tension secondaire à vide du
transformateur, de l'inductance de fuites totales ramenée au secondaire, et de la résistance équivalente aux
pertes joules ramenée au secondaire.
INTRODUCTION                                                 20


En générale, la self de lissage est grande pour qu'on puisse négliger l'ondulation du courant côté continu
devant sa valeur moyenne, dans ce cas, on peut modéliser le coté continu par une source de courant dont
l'intensité est constante et égale à la valeur moyenne du courant de la charge.
Etape 2: étude des tensions et des courants.
On suppose que tous les éléments constituant le montage sont parfaits ( impédance de la source du
schéma équivalent est nulle, les semi-conducteurs sont idéales), on calcule tout d'abord la tension
redressée et la tension maximale aux bornes des semi-conducteurs, en suite on calcule la valeur maximale,
efficace et moyenne du courant dans les semi-conducteurs et dans les enroulements secondaires du
transformateur.
Etape 3: étude de la commutation et calcul des chutes de tension.
Dans cette étape, on va tenir compte de l'impédance équivalente et de l'imperfection des semi-conducteurs
ce qui permettra de montrer d'une par, le phénomène de commutation et de voir dans quelle mesure son
existence altère les performances du montage redresseur.


Etape 4: étude du fonctionnement en court-circuit.
Cette étude permet de monter les contraintes maximales que doivent supporter les semi-conducteurs et le
transformateur et de déterminer les protections.
Etape 5: étude du fonctionnement en tenant compte de la nature de la charge.
On complète l'étude par des notes sur l'influence de la nature du récepteur en considérant le cas d'une
charge résistive, le cas d'une charge composée d’une inductance en série avec une résistance et le cas d’un
moteur à courant continu .
INTRODUCTION                           21




GENERALITES.                                                               1


I.1. DEFINITION DE L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE.                    1
I.2. PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DE L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE. 1
I.3. TYPE DE CONVERSION D'ENERGIE- FONCTION DE BASE DE L'ELECTRONIQUE DE
PUISSANCE.                                                         1
I.3.1.    MODE DE CONVERSION ALTERNATIF- CONTINU :                         2
I.3.2.    MODE DE CONVERSION CONTINU- CONTINU : HACHEUR.                   3
I.3.3.    MODE DE CONVERSION CONTINU- ALTERNATIF: ONDULEUR AUTONOME.       3
I.3.4.    MODE DE CONVERSION ALTERNATIF- ALTERNATIF.                       3
I.3.5.    QUELQUES APPLICATIONS.                                           3
I.4.     ELEMENTS CONSTITUTIFS ET SYNTHESE DES CONVERTISSEURS STATIQUES    4
I.4.1.    SOURCES DE TENSION ET DE COURANT                                 4
I.4.2.    REGLES D’INTERCONNEXION DES SOURCES                              7
I.4.3.    LES INTERRUPTEURS                                                8
I.4.4.    REGIME DYNAMIQUE / MODE DE COMMUTATION                          10
I.4.5.    LES INTERRUPTEURS EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE.                 11
I.5. LES MONTAGES REDRESSEURS.                                            17
I.5.1.   INTRODUCTION.                                                    17
I.5.2.   LES COMMUTATEURS.                                                17
I.5.3.    METHODE D'ETUDE :                                               19

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  • 1. INTRODUCTION 1 GENERALITES. I.1. Définition de l'électronique de puissance. L'électronique de puissance est la technique qui étudie la conversion par des moyens statiques de l'énergie électrique d'une forme en autre forme adaptée à des besoins déterminés. Cette nouvelle technique aussi appelée électronique des courants forts se situe entre électronique générale et l'électrotechnique classique. Les moyens statiques dont il est question dans la définition sont, d'une part, les composants électroniques non commandés (diodes), ou commandés ( thyristors, transistors, Triacs, GTO,...) et d'autre part, les éléments statiques de l'électrotechnique classique (inductances, condensateurs, transformateurs, ...) L'électronique des courants faibles a son rôle à jouer, ne serait ce que dans l'élaboration des signaux à envoyer aux électrodes de commandes des semi-conducteurs commandés. Dans le passé, les conversions d'énergie étaient souvent réalisées à l'aide machines tournantes; Elles étaient exclusivement du ressort de l'électrotechnique. Les apports d'électronique de puissance à l'électrotechnique classique sont importants car, électronique de puissance permet de : • Remplir des fonctions autrefois réalisées par des machines tournantes. Exemples: l'onduleur autonome est équivalent à l'ensemble moteur à courant continu-alternateur. • Le montage redresseur à thyristor est équivalent à l'ensemble moteur asynchrone-dynamo à courant continu. • Attribuer la souplesse et de la précision à la variation de vitesse des moteurs à courant continu (hacheur) et à courant alternatif (onduleur). • Résoudre des problèmes qui n'avaient pas d'autrefois de solutions satisfaisantes. Les apports de l'électronique de puissance à l'électronique générale ne sont non plus négligeables dans les domaines des alimentations et des amplificateurs de puissance. I.2. Principales caractéristiques de l'électronique de puissance. Mais, au fond une question qui se pose: en quoi l'électronique de puissance diffère-t-elle d'électronique générale ? Dans un équipement de l'électronique générale, l'élément actif travaille en modulation. La performance que le concepteur recherche est le coefficient de l'amplification ou gain; rapport entre les niveaux des signaux de sortie et d'entrée. Dans un équipement de l'électronique de puissance, l'élément actif travaille en commutation (fonctionnement par tous ou rien). La performance recherchée dans l'élaboration du convertisseur est le rendement. I.3. Type de conversion d'énergie- fonction de base de l'électronique de puissance. ! Nécessité de la conversion d’énergie Les différents réseaux électriques industriels alimentent de nombreux actionneurs. Cette énergie apparaît sous deux formes : alternative (tensions ou courants sinusoïdaux à valeur moyenne nulle) ou continue. Suivant le type d’actionneur, il est nécessaire d’adapter la forme de l’énergie fournie par le réseau.
  • 2. INTRODUCTION 2 Par définition de l'électronique de puissance s'intéresse au transfert d'une puissance depuis une source d'énergie électrique alternative ou continue vers un récepteur ou un réseau qui demande éventuellement une modification soit de la forme de cette puissance (de l'alternatif au continu ou vice-versa) soit de ses caractéristiques (changement de tension en continu, changement de l'amplitude de tension alternatif, changement de fréquence et / ou d'amplitude en alternatif). La figure ci-dessous schématise les différents types de conversion possibles. le tableau ci-dessous résume les principaux convertisseurs de base ainsi les formes d’ondes obtenues Considérons successivement les 4 grandes modes de conversions d'énergie ce qui permet de montrer les différentes fonctions de base de l'électronique de puissance. I.3.1. Mode de conversion alternatif- continu :
  • 3. INTRODUCTION 3 A: Montage redresseur, nous distinguons: • Montages à diodes qui imposent une tension de sortie fixe. • Montage redresseur à thyristors qui permet d'avoir une tension de sortie variable. • Montage mixte : il est composé de diodes et de thyristors et permet d'avoir une tension de sortie commandée. B: Montages onduleurs non autonomes: ces montages sont composés uniquement de thyristors et pour pouvoir fonctionner en onduleur, il faut que la tension de sortie soit négative et la charge soit capable de fournir de l'énergie et en mesure d'absorber le courant de sortie positif. I.3.2. Mode de conversion continu- continu : Hacheur. En faisant varier le signal de commande de façon continue, il est possible de faire varier la valeur moyenne de la tension de sortie soit de 0 à la tension d'entrée Ei (hacheur série), soit de Ei à une autre tension supérieure Ei ( hacheur parallèle). Ces montages sont équivalent à un transformateur de tension en alternatif. I.3.3. Mode de conversion continu- alternatif: Onduleur autonome. Ces montages permettent de produire une tension de sortie dont la forme d'onde et la fréquence sont tout à fait indépendante du réseau. I.3.4. Mode de conversion alternatif- alternatif. On distingue deux types de conversion: • Gradateur: ces montages permettent la variation de la valeur efficace de la tension de sortie dont la fréquence est celle du réseau. • Cycloconvertisseur: ces montages permettent d'avoir une tension de sortie dont la forme d'onde et la fréquence sont différends des celles du réseau. I.3.5. Quelques applications. Les applications des montages redresseurs: • Chargeurs de batteries. • Excitation des alternateurs. • Contrôle de vitesse de machine à courant continu. Les applications des montages hacheurs: • Alimentations continues variables. • Traction électrique (locomotive) • Métro et bus électrique Les applications des onduleurs: • Alimentation des machines tournantes alternatives à vitesse variable. • Alimentation de sécurité et les centres de calcul. • Réseau de bord (d'avion, wagon de chemin de fer, ...)
  • 4. INTRODUCTION 4 I.4. Eléments constitutifs et synthèse des convertisseurs statiques Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs semi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers de régler un transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie comme le montre la figure2. Figure 2: convertisseur statique La source d’entrée peut être un générateur ou un récepteur (idem pour la source de sortie). La synthèse des convertisseurs statiques repose sur les seuls éléments connus que sont les sources d’entrée et de sortie. Figure 3 : synthèse des CVS Il faut donc savoir caractériser les sources d’entrée et de sortie et bien connaître le fonctionnement des interrupteurs pour déterminer la constitution d’un convertisseur statique. I.4.1. Sources de tension et de courant I.4.1.1. Source de tension parfaite Une source de tension parfaite est un dipôle actif qui présente à ses bornes une tension U indépendante du courant débité. Figure 4 : source de V
  • 5. INTRODUCTION 5 Le condensateur se comporte au moment des commutations comme une source de tension car la tension ne peut pas subir de discontinuité : Figure 5 : condensateur I.4.1.2. Source de courant parfaite Une source de courant parfaite est un dipôle actif débitant un courant électrique I indépendant de la tension V apparaissant à ses bornes. Figure 6 : source de I L’inductance se comporte au moment des commutations comme une source de courant car le courant ne peut pas subir de discontinuité Figure 7 : inductance Remarques Une source de tension en série avec une inductance L est équivalent à une source de courant. Une source de courant en parallèle avec un condensateur est équivalent à une source de tension. Pour affirmer une source de tension, on disposera d’un condensateur C en parallèle.
  • 6. INTRODUCTION 6 Pour affirmer une source de courant, on disposera d’une inductance L en série ! Influence d’une inductance sur une source de tension On considère une batterie reliée à une charge par un câble comme le montre la figure 8. L’inductance moyenne du câble est de 1 mHm-1 et le temps d’ouverture ton de l’interrupteur est 100 ns. Dispose-t-on d’une source de tension ou de courant pour une longueur de 1 m ou de 0,1 m ? • Si la longueur est de 1 m, la surtension provoquée à Figure 8 : batterie d’accumulateurs l’ouverture de l’interrupteur est ; • A cause des câbles de liaison, la charge ne peut être alimentée par une source de tension. Si la longueur est de 0,01 m, la surtension provoquée à l’ouverture de l’interrupteur est ; • Si la f.e.m est de quelques dizaines de volts, on pourra considérer la batterie comme une source de tension (si Ebat = 24 V, on a 4% de chutes de tension). Remarques • En électronique de puissance, il faudra être vigilant au câblage qui introduit des inductances parasites. • La présence d’inductances parasites conduit à ajouter un condensateur en parallèle avec la source de tension. • Il faudra être aussi vigilant aux vitesses de commutation des interrupteurs. I.4.1.3. Réversibilité des sources d’entrée et de sortie La détermination des réversibilités des sources d’entrée et de sortie est fondamentale car elle permet de déduire les caractéristiques statiques des interrupteurs. ! Une source est dite réversible en tension si la tension à ses bornes peut changer de signe. ! Une source est dite réversible en courant si le courant qui la traverse peut s’inverser. Exemple :
  • 7. INTRODUCTION 7 1. Le circuit d’induit d’une machine à courant continu est équivalent à une source en courant à cause de l’inductance dus aux bobinages. Si on dispose d’une inversion de la vitesse et d’un freinage électrique (inversion du courant d’induit), la source sera réversible en tension et en courant. 2. Une batterie est une source de tension non réversible en tension et réversible en courant (charge et décharge). I.4.2. Règles d’interconnexion des sources ! Règle n°1 Une source de tension ne doit jamais être court- circuitée mais elle peut être ouverte. Sinon le courant serait destructeur. ! Règle n°2 Le circuit d’une source de courant ne doit jamais être ouvert mais il peut être court-circuité. Sinon l’ouverture provoque une surtension ! Règle n°3 Il ne faut jamais connecter entre elles deux sources de même nature. ! Règle n°4 On ne peut connecter entre elles qu’une source de courant et une source de tension Les deux interrupteurs doivent être rigoureusement complémentaires. Conclusion
  • 8. INTRODUCTION 8 • Si le convertisseur statique dispose des interrupteurs seulement, on ne sait que connecter des sources de natures différentes. • Le plus petit convertisseur a au moins un interrupteur (redresseur mono alternance) I.4.3. Les interrupteurs ! Interrupteur parfait Un interrupteur possède deux états : ouvert (passant)ou fermé (bloqué) : Figure 10 : interrupteur parfait Dans l’état fermé, on dit que l’interrupteur est passant (fermé)ou ON. Dans l’état ouvert, on dit que l’interrupteur est ouvert (bloqué)ou OFF. La caractéristique statique, qui est une propriété intrinsèque d’un interrupteur est donc formée de quatre segments confondus avec les axes v et i. ! Interrupteur à semi-conducteur On considère l’interrupteur comme un dipôle avec des conventions récepteurs Figure 11 : interrupteur à semi-conducteur Un interrupteur à semi-conducteur est formé par un ou plusieurs composants semi-conducteurs. Sa résistance rk peut varier entre une valeur très élevée (état ouvert ou bloqué) et une valeur très faible (état fermé ou passant). I.4.3.1. Les différents types de composants semi-conducteurs possibles ! Interrupteur à 2 segments L’interrupteur est unidirectionnel en tension et en courant. On distingue deux caractéristiques statiques à 2 segments comme le montre la figure 12.
  • 9. INTRODUCTION 9 F Figure 12 : interrupteur à 2 segments ! Interrupteur à 3 segments L’interrupteur est bidirectionnel en tension ou en courant comme le montre la figure 14. Il n’existe donc que deux caractéristiques statiques à trois segments. Figure 12 : interrupteur à 3 segments ! Interrupteur à 4 segments L’interrupteur est bidirectionnel en tension et en courant comme le montre la figure 13. La caractéristique statique est obtenue par association des deux types précédents.
  • 10. INTRODUCTION 10 Figure 13 : interrupteur à 4 segments I.4.4. Régime dynamique / Mode de commutation La caractéristique statique courant tension d’un interrupteur est insuffisante pour décrire ses propriétés dynamiques, c’est à dire la manière selon laquelle l’interrupteur passe de l’état bloqué à l’état passant et réciproquement. La trajectoire suivie par le point de fonctionnement constitue la caractéristique dynamique de commutation. L’interrupteur étant un élément dissipatif, la caractéristique dynamique ne peut être incluse que dans les quadrants tels que le produit vk.ik > 0. I.4.4.1. La commutation spontanée d’un interrupteur Elle est identifiable dans son principe à celle d’une jonction PN (diode). La commutation spontanée ne dépend que du circuit extérieur ; l’interrupteur commute naturellement car le point de fonctionnement se déplaçant sur la caractéristique statique passe par zéro comme le montre la figure 14. Figure 14 : commutation spontanée L’amorçage spontané s’effectue au passage par zéro de la tension vk (tension du circuit extérieur). Le blocage spontané s’effectue au passage par zéro du courant ik (courant imposé par le circuit extérieur). Ce mode de commutation s’effectue avec un minimum de pertes Joule puisque le point de fonctionnement suit les axes. I.4.4.2. La commutation commandée d’un interrupteur L’interrupteur possède, en plus de ses électrodes principales, une électrode de commande sur laquelle il est possible d’agir pour provoquer son changement d’état de manière quasi instantanée. La figure 15 montre la caractéristique dynamique pour ce mode de commutation. Figure 15 : commutation commandée
  • 11. INTRODUCTION 11 Ce mode de commutation peut faire apparaître des contraintes sévères en terme de dissipation d’énergie sur l’interrupteur. Si le temps de commutation est rapide, ainsi que la fréquence de commande de l’interrupteur, les pertes joules peuvent être importantes et il faudra doter l’interrupteur d’un dissipateur à convection naturelle ou forcée . ! Le cycle de fonctionnement d’un interrupteur Pour caractériser complètement un interrupteur, il faut donc connaître d’une part sa caractéristique statique et d’autre part ses modes de commutation à l’amorçage et au blocage. Au cours d’une période de fonctionnement, le point de fonctionnement (vk,ik) de l’interrupteur décrit un cycle. La figure 16 montre le cycle idéalisé d’un thyristor. Figure 16 : cycle de fonctionnement ! Interrupteur à 3 segments On distingue 2 groupes d’interrupteurs suivant qu’ils sont bidirectionnels en courant et unidirectionnel en tension, ou bidirectionnels en tension et unidirectionnel en courant. Figure 17 : interrupteur bidirectionnel en tension Figure 18 : interrupteur bidirectionnel en courant I.4.5. Les interrupteurs en électronique de puissance. Le principe des convertisseurs consiste à faire commuter des courants entre mailles adjacentes, ce qui nécessite l'emploi de composants permettant de réaliser la fonction interrupteur. Idéalement, l'interrupteur fermé aura une tension pratiquement nulle à ses bornes alors que le courant sera fixé par le reste du dispositif. En revanche, l'interrupteur ouvert aura une tension imposée par l'extérieur à ses bornes, mais ne sera traversé par aucun courant.
  • 12. INTRODUCTION 12 On distinguera les actions (blocage ou amorçage) commandées (grâce à un signal électrique extérieur) des actions spontanées (suite à l'annulation ou au changement de signe d'une tension ou d'un courant par exemple). I.4.5.1. La diode. Il s'agit d'un composant à amorçage et blocage spontanés. Ce sont des éléments extérieurs (source et charge) qui vont déterminer son état. ! Caractéristique statique. Les caractéristiques ressemblent à celles d'une diode classique, sauf en ce qui concerne le courant direct maximum et la tension inverse de claquage. • exemple: diode rapide BYT 12PI-600 • VRRM=600V, courant direct moyen maximum en régime permanent IF=12 A Dans le pratique, pour expliquer le fonctionnement des convertisseurs statiques, nous travaillerons à partir d'une caractéristique idéalisée, sur laquelle on néglige la tension de seuil et la résistance dynamique, et nous supposerons que le diode n'est jamais polarisée en inverse au delà de VRRM. La caractéristique statique idéalisée est alors donnée par La figure à droite ! Caractéristique dynamique. La caractéristique statique ne suffit pas à caractériser un interrupteur en commutation. En effet, la vitesse de ces commutations va prendre une importance considérable dans la conception de convertisseurs. Durant la commutation, les pertes dans l'interrupteur sont importantes car courant et tension sont non nuls. Ces pertes peuvent occasionner la destruction du composant si on n'en tient pas suffisamment compte. Il est nécessaire de calculer un radiateur pour chaque composant fonctionnant en commutation. Ceci est valable pour la diode comme pour tous les interrupteurs qui suivront. Les pertes par commutation vont bien entendu augmenter avec la fréquence. Il y a aussi des pertes par conduction (la tension au bornes des interrupteurs n’est pas rigoureusement nulle lorsqu’ils conduisent) • Pour suivre les commutations, nous allons raisonner à partir du montage suivant Suite aux évolutions de e, nous allons commenter celles de i, courant dans la diode et v tension aux bornes de la diode. • l'amorçage (mise en conduction). 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
  • 13. INTRODUCTION 13 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. 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 que cette décroissance sera rapide alors que trr sera plus court. I.4.5.2. Le thyristor. Il s'agit d'un interrupteur commandé à l'amorçage mais à blocage naturel (quand le courant s'annule à ses bornes). La conduction est provoquée par l'envoi d'un courant sur unedes entrées du composant appelée gâchette. Il est notamment utilisé dans les redresseurs commandés et les gradateurs.Le schéma et la caractéristique statique de ce composant sont les suivants • Si le thyristor est bloqué en étant polarisé en direct (VAK>0), l'envoi, dans la gâchette, d'un courant iG adapté au composant, permet de déclencher le conduction (la tension VAK devient faible et le courant augmente en fonction des exigences de l'extérieur). • Si le courant se met à décroître et s'annule, alors, le composant se bloque et il sera nécessaire d'appliquer une autre impulsion sur la gâchette, à un moment où VAK est positif pour que le thyristor conduise à nouveau. Il faut noter que, pour que le blocage soit effectif, il faut que le composant reste polarisé en inverse suffisamment longtemps, sinon, le thyristor se réamorce spontanément. Ce temps minimum, appelé tq est un facteur limitant, lorsque l'on veut réaliser des commutations à haute fréquence. • On peut définir une caractéristique statique idéalisée Les thyristors sont les interrupteurs qui permettent de faire transiter les puissances les plus importantes. remarque: Il existe des thyristors particuliers, commandables à l'amorçage et au blocage. On les appelle GTO ("gate turn off"). I.4.5.3. Les transistors. Il s'agit d'interrupteurs commandés à l'amorçage et au blocage. On les trouve notamment dans les hacheurs.
  • 14. INTRODUCTION 14 ! Le transistor bipolaire. La mise en conduction et le blocage sont commandés par l'intermédiaire du courant de base On utilise essentiellement des transistors NPN. • Lorsqu'on l'utilise en commutation et qu’il est passant, le transistor fonctionne dans la zone de saturation. Lorsque Ib est nul, le courant d'émetteur reste nul. En revanche, pour un courant de base Ib positif, on fait en sorte que le transistor fonctionne en zone saturée (cela dépend du courant que l'on cherche à imposer). Alors, la tension aux bornes de l'interrupteur est faible, ce qui est compatible avec ce type de fonctionnement. • Pour simplifier, on utilise souvent une caractéristique statique idéalisée. • En régime dynamique, les commutations ne sont pas instantanées. • Il faut noter que, lorsque l'on commande le blocage du transistor, on ne se contente pas d'appliquer un courant de base nul (on fait en sorte de rendre ce courant négatif pour accélérer la commutation). • td représente le temps de retard ("delay") nécessaire pour que I atteigne 10% de sa valeur de conduction • tr représente le temps de montée ("rise") nécessaire pour que I passe de 10% à 90% de sa valeur de conduction. tf représente le temps de descente ("fall") nécessaire à ce que I passe de 90% à 10% de sa valeur de conduction. • On définit aussi ts, temps de stockage ("storage") nécessaire pour passer de l'instant où ib vaut 90% de sa valeur maximale à l'instant où I vaut 90% de sa valeur de conduction. On constate que les commutations occasionnent des pertes dans les interrupteurs (existence simultanée de i et u non nuls aux bornes des interrupteurs). De plus, comme la tension aux bornes du transistor n'est pas rigoureusement nulle lors de la conduction et il y aura aussi des pertes par conduction. I.4.5.4. Le MOS.
  • 15. INTRODUCTION 15 Cette fois, c'est la tension entre grille et source vgs qui va permettre de commander le transistor. Pour fonctionner en interrupteur, on fait travailler le transistor dans la zone ohmique. Pour un transistor MOS à canal N, on fonctionne avec les caractéristiques suivantes On utilise souvent, pour simplifier, la caractéristique statique idéale qui est, pour un MOS à canal N, de la forme suivante Les caractéristiques dynamiques des MOS sont régies par des phénomènes capacitifs complexes. Nous ne les détaillerons pas ici, mais là encore, les transitions ne sont pas instantanées et occasionnent des pertes. Il faut noter que la commande des MOS est plus simple à réaliser que celle des transistors bipolaires. I.4.5.5. IGBT ("insulated gate bipolar transistor"). Il s'agit d'un composant de structure proche de celle du MOS et qui s'emploie dans les mêmes conditions. La commande se fait notamment par l'intermédiaire d'une tension vge. Sa conception permet de limiter la tension à l'état passant par rapport au MOS. Son symbole est le suivant:
  • 16. INTRODUCTION 16 I.4.5.6. Définition plus générale de l’interrupteur en électronique de puissance. Nous venons de nous intéresser à la partie "Silicium" des interrupteurs. Cependant, la fonction interrupteur est beaucoup plus complexe. En effet, elle regroupe le composant lui même, mais aussi la commande, les dispositifs de protection et de dissipation (indispensables à cause des pertes, surtout à fréquence élevée). I.4.5.7. Plage d'emploi des différents interrupteurs. Les différents composants ne peuvent pas être employés dans les mêmes gammes de puissance et de fréquence de commutation, en raison des contraintes liées à leurs structures respectives. Le dessin suivant indique les plages d'utilisation en fréquence de commutation et en puissance apparente des différents dispositifs à semi-conducteurs dont nous venons de parler.
  • 17. INTRODUCTION 17 I.5. LES MONTAGES REDRESSEURS. I.5.1. Introduction. Dans Cette partie, nous allons en premier temps étudier les montages usuels à diodes ensuite nous traiterons les montages à thyristors. Ces montages sont des circuits électriques constitués essentiellement d'une source de tension alternative, un transformateur, des inductances, des commutateurs (ensemble des semi-conducteurs) et un récepteur comme le montre la figure ci-dessous. Avant d'étudier ces montages, nous allons tout d'abord rappeler la définition des commutateurs, ensuite nous citons les différents types de montages redresseurs et enfin nous rappelons la démarche à suive pour l'étude des ces types de montages. I.5.2. Les commutateurs. I.5.2.1. Commutateur positif. Ce commutateur est formé par un groupe de diodes à cathodes réunies (fig. 20); à chaque instant, la tension de sortie Ud est égale à la plus positive des tensions d'entrée. En effet, pendant l'intervalle où V1 est plus grande que V2, V3,........, Vm la diode d1 conduit, ce qui implique: Ud = V1 Toutes les autres diodes sont bloquées puisque les tensions aux bornes des diodes d2 et dm sont négatives données par: Vd2 = V2-V1<0 Vdm = Vm-V1<0 Figure 20
  • 18. INTRODUCTION 18 Lorsque V2 sera plus grande des m tentions, la diode d2 sera passante, car, rendant la tension Ud égale à V2, elle bloquera de ce fait toutes les autres diodes. REGLE 1: la diode passante est celle qui est reliée à la tension d'entrée la plus positive. I.5.2.2. Commutateur négatif. Ce commutateur est formé par un groupe de diodes à anodes réunies (fig. 21); à chaque instant, la tension de sortie Ud est égale à la plus négative des tensions d'entrée. En effet, pendant l'intervalle où V1 est plus petite que V2, V3,........, Vm la diode d1 conduit, ce qui implique: Ud = -V1 Toutes les autres diodes sont bloquées puisque les tensions aux bornes des diodes d2 et dm sont négatives données par: Vd2 = V1-V2<0 Vdm = V1-Vm<0 Figure 21 REGLE 2: la diode passante est celle qui est reliée à la tension d'entrée la plus négative. I.5.2.3. Les différents types de montages redresseurs. Selon le groupement des sources de tensions et selon l'association des commutateurs positif et négatif, on peut distinguer principalement les trois types de montages redresseurs suivants: • Montage de type parallèle noté P, on l'appelle aussi redresseur simple alternance. Son schéma électrique est représenté sur la figure 22 pour le cas d'un réseau triphasé. • Montage de type parallèle double noté PD, on l'appelle aussi redresseur double alternance ou pont de Graëtz. Son schéma électrique est représenté sur la figure 23. • Montage de type série noté S. Son schéma électrique est représenté sur la figure 24. Figure 22.
  • 19. INTRODUCTION 19 Figure 23. Figure 24. I.5.3. Méthode d'étude : Pour étudier un montage redresseur, nous suivre la démarche de l'ingénieur qui consiste à: 1. Calcul des tensions et des courants des semi-conducteurs et du transformateur. 2. Détermination des caractéristiques et des protections. On procède en 5 étapes. Etape 1: Modélisation. On modélise l'ensemble réseau- système de protection , de filtrage et transformateur par la mise en série d'une source de tension idéale de force électromotrice sinusoïdale égale à la tension secondaire à vide du transformateur, de l'inductance de fuites totales ramenée au secondaire, et de la résistance équivalente aux pertes joules ramenée au secondaire.
  • 20. INTRODUCTION 20 En générale, la self de lissage est grande pour qu'on puisse négliger l'ondulation du courant côté continu devant sa valeur moyenne, dans ce cas, on peut modéliser le coté continu par une source de courant dont l'intensité est constante et égale à la valeur moyenne du courant de la charge. Etape 2: étude des tensions et des courants. On suppose que tous les éléments constituant le montage sont parfaits ( impédance de la source du schéma équivalent est nulle, les semi-conducteurs sont idéales), on calcule tout d'abord la tension redressée et la tension maximale aux bornes des semi-conducteurs, en suite on calcule la valeur maximale, efficace et moyenne du courant dans les semi-conducteurs et dans les enroulements secondaires du transformateur. Etape 3: étude de la commutation et calcul des chutes de tension. Dans cette étape, on va tenir compte de l'impédance équivalente et de l'imperfection des semi-conducteurs ce qui permettra de montrer d'une par, le phénomène de commutation et de voir dans quelle mesure son existence altère les performances du montage redresseur. Etape 4: étude du fonctionnement en court-circuit. Cette étude permet de monter les contraintes maximales que doivent supporter les semi-conducteurs et le transformateur et de déterminer les protections. Etape 5: étude du fonctionnement en tenant compte de la nature de la charge. On complète l'étude par des notes sur l'influence de la nature du récepteur en considérant le cas d'une charge résistive, le cas d'une charge composée d’une inductance en série avec une résistance et le cas d’un moteur à courant continu .
  • 21. INTRODUCTION 21 GENERALITES. 1 I.1. DEFINITION DE L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE. 1 I.2. PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DE L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE. 1 I.3. TYPE DE CONVERSION D'ENERGIE- FONCTION DE BASE DE L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE. 1 I.3.1. MODE DE CONVERSION ALTERNATIF- CONTINU : 2 I.3.2. MODE DE CONVERSION CONTINU- CONTINU : HACHEUR. 3 I.3.3. MODE DE CONVERSION CONTINU- ALTERNATIF: ONDULEUR AUTONOME. 3 I.3.4. MODE DE CONVERSION ALTERNATIF- ALTERNATIF. 3 I.3.5. QUELQUES APPLICATIONS. 3 I.4. ELEMENTS CONSTITUTIFS ET SYNTHESE DES CONVERTISSEURS STATIQUES 4 I.4.1. SOURCES DE TENSION ET DE COURANT 4 I.4.2. REGLES D’INTERCONNEXION DES SOURCES 7 I.4.3. LES INTERRUPTEURS 8 I.4.4. REGIME DYNAMIQUE / MODE DE COMMUTATION 10 I.4.5. LES INTERRUPTEURS EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE. 11 I.5. LES MONTAGES REDRESSEURS. 17 I.5.1. INTRODUCTION. 17 I.5.2. LES COMMUTATEURS. 17 I.5.3. METHODE D'ETUDE : 19