Ce document est destiné aux étudiants de l'Université Hassan II de Casablanca, Faculté des Sciences Ben M’sik, Département de Physique, suivant le Master TI. Il couvre les notions fondamentales de l'électronique de puissance, incluant les composants, les redresseurs, les hacheurs, les onduleurs et les gradateurs.
Il couvre les notions suivantes:
- Les composants de l'électronique de puissance
- Les redresseurs à diodes et à thyristors
- Les hacheurs et les onduleurs
- Les gradateurs
Cours Electronique de Puissance - Électronique de puissance
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1. Généralités
L’électronique de puissance est la discipline qui s’intéresse à l’étude et à la conception des convertisseurs statiques de puissance travaillant à courants très forts en utilisant des composants de puissance à base de semi-conducteurs et travaillant comme interrupteurs (diodes, transistors, thyristors et IGBT …etc.). La caractéristique principale de ces composants est qu’ils travaillent toujours en commutation (état passant-état bloqué) pour éviter les pertes par commutation et obtenir un bon rendement des structures des convertisseurs utilisés :
- Le redresseurs
- Les hacheurs
- Les gradateurs
- Les onduleurs
Les signaux de commande, générés moyennant des circuits intégrés ou des montages à base d’amplificateurs opérationnels, ou des circuits intégrés spéciaux. Pour piloter les convertisseurs statiques, sont aujourd’hui remplacés par des signaux de commande de type numériques fournis par des systèmes programmés, à savoir :
- Les microordinateurs
- Microcontrôleurs
- D.S.P
- Les automates programmables
2. Application et classification
Dans tous les domaines industriels, de l’électroménager à la traction électrique, on rencontre des applications de l’électronique de puissance ; c’est notamment le cas de la réalisation des :
- Variateurs de vitesse pour les moteurs à courant continu
- Variateurs de vitesse pour les moteurs à courant alternatif
- Alimentations sans arrêt
3. Rappels sur les semi-conducteurs de puissance
3.1. Diodes
3.1.1. Rappels (propriétés des diodes PN)
Une diode est un semi-conducteur non commandé, qui permet la circulation du courant dans un seul sens. Il est constitué par une seule jonction. C’est un interrupteur de puissance à deux segments.
• Sens direct (passant) : La diode est conductrice, elle présente une faible chute de tension de l’ordre de quelques volts.
• Sens inverse (bloqué) : La diode est non passante, elle présente un très faible courant résiduel de l’ordre de quelques micro-ampères.
Le courant dans la diode est exprimé par :
V
⎡⎤ +
⎛⎞ θ
=− ⎢⎥
V
⎢⎥ ⎣⎦; ou
i I e
K
.s
.1 T
⎜⎟ = V
T
q
⎝⎠
avec :
- i: Courant dans la diode
- V: D.d.p aux bornes de la diode
- I: Courant de saturation ≈ 1pA à 25°C
- s
- q: Charge élémentaire (électron) ≈ 1,6 10-23Cb
- K: constante de Boltzmann ≈ 1,38 10-23 J/°K
- θ: Température en Kelvin
3.1.2. La diode de redressement
Une diode de redressement est caractérisée par :
- Le courant direct moyen (I0 ou IFAV)
- Le courant direct continu (IF)
- Le courant de pointe répétitif continu (IFRM)
- Le courant de pointe non répétitif de surcharge accidentelle (IFSM)
- La tension continue directe à l’état passant (VF)
- La tension de seuil (Vd ou Vs)
- La tension inverse de pointe répétitive (VRRM)
- La tension de pointe non répétitive (VRSM)
- La résistance dynamique (Rd)
- La contrainte thermique (I2 .t)
- Le type de boiter
- Les températures des jonctions
- Les résistances thermiques
3.1.3. La diode de redressement rapide
Il faut ajouter aux caractéristiques des diodes de redressement, les données spécifiques de rapidité dans la phase de blocage :
- Le temps de recouvrement inverse (trr)
- La charge recouvrée (Qrr)
- Le courant direct continu (IF)
- Le courant inverse de pointe (IRM)
- Le courant de recouvrement inverse (Irr)
3.1.4. Caractéristiques statiques
La diode est conductrice quand le courant passe de l’anode vers la cathode et lorsque la tension vAK est positive (i>0 et vAK>0). La diode est bloquée lorsque la tension vAK est négative (i= 0 et vAK <0).
3.1.5. Caractéristiques dynamiques
Elles concernent le passage de l’état bloqué à l’état passant et inversement.
• Blocage
Le blocage d’une diode est caractérisé par l’annulation du courant direct qui la traverse, puis l’apparition d’une tension inverse à ses bornes.
Le paramètre important est le temps de recouvrement ou temps totale de décroissance « turn-Over », il est exprimé par
q off r ri t t t t = = +
Généralement le phénomène transitoire à l’amorçage se présente d’une manière plus faible.
• Pertes en conduction
Les pertes peuvent être calculées en utilisant la formule :
2 . P V I r I =+ d d eff 0
3.1.6. Choix d’une diode
Il dépend principalement :
- De la conduction du montage incluant la diode
- Du courant moyen dans le semi-conducteur
- Du courant de pointe répétitif
- De la tension inverse répétitive
3.1.7. Principales caractéristiques
| I0(A) | VRR (M(V)) | IFSM (mA) | Référence | VF à IF | IR à VRRM | trr (ns) | θj (°C) | I2t (A2s) | Boîtier | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 100 | 600 | 1000 | 50 | 1N4002 | 1N4005 | 1N4007 | 1.1 | 1 | 0.005 | - | 150 | F126 | ||
| 3 | 400 | 600 | 800 | 100 | BY252 | BY253 | BY254 | 1.1 | 3 | 0.005 | - | 150 | D027A | ||
| 10 | 200 | 400 | 600 | 800 | 140 | BY239200A | BY239400A | BY397600A | BY397800A | 1.45 | 30 | 0.5 | - | 125 | D0220 |
| 20 | 400 | 600 | 800 | 1000 | 400 | 1N1196A | 1N1198A | RN820 | RN1120 | 1.5 | 70 | 5 | - | 150 | D05 |
| 20 | 400 | 600 | 225 | 1N3903 | BYX62-600 | 1.4 | 20 | 6 | 200 | 150 | 250 | D05 | |||
| 40 | 400 | 600 | 800 | 1000 | 700 | 1N1188 | 1N1190 | 1N3766 | 1N3768 | 1.5 | 110 | 5 | - | 150 | D05 |
3.2. Thyristors
Un thyristor est un semi-conducteur commandé par un circuit d’amorçage pour la mise en conduction, le blocage s’effectue lors de la disparition du courant direct. Il permet la circulation du courant dans un seul sens. Il est appelé en anglais par « Semi-conductor Controller Rectifier (S.C.R) ».
Il est constitué par trois jonctions, outre l’anode et la cathode, il est muni d’une électrode de commande appelée gâchette.
3.2.1. Thyristor standard
Un thyristor standard est caractérisé par les mêmes données techniques que pour une diode de redressement, complétés par les données ci-dessous :
- Courant de maintien (IH)
- Courant d’accrochage (IL)
- Courant et tension de la gâchette (VGT, IGT)
3.2.2. Thyristor rapide
Un thyristor rapide est caractérisé par les données des thyristors standards, auxquelles s’ajoutent les caractéristiques suivantes :
- Le temps de retard à la croissance commandé par la gâchette (tgd)
- Le temps de croissance commandé par la gâchette (tgr)
- Le temps de désamorçage (tq)
3.2.3. Choix d’un thyristor
Il dépend principalement :
- Du courant moyen dans le thyristor
- Du courant de pointe répétitif
- De la tension inverse répétitive
- Des temps d’amorçage et de désamorçage
3.2.4. Caractéristiques statiques
• En absence du courant de gâchette (iG =0) :
Dans le sens direct, le thyristor est non-conducteur tant que la tension appliquée est inférieure à VRM (tension de retournement).
Si la tension appliquée dépasse VRM, il y a amorçage du thyristor par effet d’avalanche, le thyristor ne peut revenir à l’état bloqué que par diminution du courant « i » au-dessous de la valeur du courant « IM » (courant de maintien).
Dans le sens inverse, le thyristor est bloqué tant que la tension inverse ne dépasse pas VDM.
• Amorçage par la gâchette :
Le thyristor étant généralement placé dans un circuit avec une tension directe appliquée inférieure à la tension de retournement « VRM », il apparaît donc la possibilité d’amorcer le thyristor en envoyant dans sa gâchette une impulsion de courant.
3.2.5. Caractéristiques dynamiques
• Temps d’amorçage par la gâchette
Le passage de l’état bloqué à l’état conducteur d’un thyristor qui reçoit un signal de commande, n’est pas instantané, il dure un instant « ton » qui est lié au temps d’établissement du courant de gâchette « Delay-time : td » et au temps d’amorçage de la jonction « Rise time :tr ».
• Temps de blocage
Le temps de désamorçage est donné par : « q off rr i t t t t = = + » d’un thyristor est le moment qui s’écoule entre l’instant de l’annulation du courant principal et l’instant d’application d’une tension directe. Il est défini par les constructeurs, comme étant le temps où le courant d’anode passe par zéro. L’évolution du courant dans le thyristor dépend essentiellement de la structure du convertisseur et du circuit de charge. Lors du blocage, on définit deux temps :
- Temps de recouvrement inverse « trr »
- Temps de polarisation inverse du thyristor « ti »
3.3. Principales caractéristiques
| VRRM (V) | VRRM (V) | ITSM (A) | Référence | VGT (V) | IGT (mA) | IH (mA) | tq (μs) | I2 .t (A2 .s) | Boîtier | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3/2 | 100 à 800 | 70 | TL1006 à TL8006 | 1.5 | 15 | 20 | - | 25 | Tl | |||||
| 12/8 | 50 à 1000 | 100 | TYN510 à TYN692 | 1.5 | 15 | 30 | - | 72 | T22AB | |||||
| 20/1 | 3 | 50 à 800 | 250 | TYN682 à TYN1010 | 1.5 | 25 | 40 | - | 310 | T220AB | ||||
| 25/1 | 6 | 200 à 1000 | 250 | TYN225 à 1025 | BTW3920 | 0 à 1200 | 1.5 | 40 | 80 | 50 | - | 310 | 200 | T220AB To48 |
| 25/1 | 6 | 200 à 1200 | 250 | BTW 30600 à 1200 | 1.5 | 200 | 70 | 12 à 20 | 200 | To48 |
3.4. Transistors bipolaires
Les transistors de puissance sont des transistors adoptés au fonctionnement « tout ou rien ». Les transistors les plus utilisés sont du type NPN, ils sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que le PNP. C’est un interrupteur à deux segments. La commande du courant de charge (courant collecteur) s‘obtient par le courant de base.
3.5. Thyristors GTO
Le thyristor GTO « Gâte Turn Off », c’est un thyristor spécial dont la gâchette permet de commander l’amorçage et le blocage de celle-ci.
Pour l’amorçage :
Il suffit que la tension « v » devienne positive, on envoie à la gâchette une impulsion de courant positive permettant de démarrer le thyristor.
Pour le blocage :
Il suffit que la tension « v » devienne négative, on envoie à la gâchette une impulsion de courant négative permettant de désamorcer le thyristor.
3.6. Transistors à effet de champ
3.6.1. Jonction (JFET)
C’est un transistor à effet de champ, il possède deux segments et commandé en tension. L’électrode de commande est appelée grille « G », alors que le courant de charge passe du drain « D » vers la source « S ».
3.6.2. Transistors MOSFET
La grille métallique est isolée du substrat semi-conducteur par une couche d’oxyde d’où le nom de MOS (métal oxyde semi-conducteur). Par action sur la tension de commande vGS, on varie le passage de courant « ID » du drain vers la source.
3.7. Transistors IGBT
Le transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) désigne un transistor bipolaire à grille isolée. Il est formé par l’association d’un transistor MOSEFT en commande et d’un transistor bipolaire en étage puissance. Le passage de l’état bloqué à l’état passant de l’IGBT est réalisé par polarisation de la grille. Ce transistor associe les avantages du transistor bipolaire pour le VCEsat et les avantages du MOSFET pour la commande.
Principales caractéristiques
| Transistor IGBT | VCE(max) = 600V à tJ=150° | PDmax (W) | Type | VCEonmax (V) | VGEmin (V) | ton (ns) | tr (ns) | tf (ns) | Rth(j−c)max (°c/W) | Boîtier |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 | IRGBC20S | 2 | 3 | 26 | 30 | 1800 | 2.1 | T0-220AB | ||
| 100 | IRGBC30S | 1.9 | 3 | 26 | 25 | 150 | 0 | 2.1 | T0-220AB | |
| 200 | IRGBC50S | 1.6 | 3 | 25 | 58 | 110 | 0 | 2.1 | T0-P3 | |
| 60 | IRGBC20F | 2.8 | 3 | 25 | 18 | 600 | 1.2 | T0-220AB | ||
| 100 | IRGBC30F | 2.1 | 3 | 25 | 21 | 590 | 1.2 | T0-220AB | ||
| 200 | IRGPC50F | 1.7 | 3 | 25 | 49 | 410 | 1.2 | T0-P3 |
4. Rappels sur les signaux périodiques non sinusoïdaux
4.1. Signal périodique
Un signal v(t) est dit périodique, s’il se répète identiquement à lui-même dans un intervalle du temps régulier T. Il est caractérisé, par sa fréquence ou pulsation (f, w), par ses valeurs maximale (Vm), moyenne et efficace. Il s’écrit v t v t nT ( ) =+ ( ) , avec n ∈ Z : entier relatif.
4.2. Valeurs caractéristiques
• Valeur moyenne :
1 tT + 0
( ) ( ) v v t dt moy = ∫ .
T t
FAQ
1. Qu'est-ce que l'électronique de puissance ?
L’électronique de puissance est la discipline qui s’intéresse à l’étude et à la conception des convertisseurs statiques de puissance travaillant à courants très forts en utilisant des composants de puissance à base de semi-conducteurs et travaillant comme interrupteurs.
2. Quels sont les principaux composants de l'électronique de puissance ?
Les principaux composants de l'électronique de puissance incluent les diodes, les thyristors, les transistors bipolaires, les transistors à effet de champ (JFET et MOSFET), et les transistors IGBT.
3. Quelles sont les applications de l'électronique de puissance ?
Les applications de l'électronique de puissance incluent les variateurs de vitesse pour les moteurs à courant continu et alternatif, ainsi que les alimentations sans arrêt.