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HAL Id: jpa-00246042 https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00246042 Submitted on 1 Jan 1989 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Evolution des principes de la commutation assistée dans les onduleurs de tension. Présentation d’un onduleur haute fréquence à “ commutations douces ” F. Forest, P. Lienart To cite this version: F. Forest, P. Lienart. Evolution des principes de la commutation assistée dans les onduleurs de tension. Présentation d’un onduleur haute fréquence à “ commutations douces ”. Revue de Physique Appliquee, 1989, 24 (2), pp.195-205. 10.1051/rphysap:01989002402019500. jpa-00246042 195 Evolution des principes de la commutation assistée dans les onduleurs de tension. Présentation d’un onduleur haute fréquence à « commutations douces » F. Forest et P. Lienart Laboratoire d’électrotechnique, signaux et robotique, E.N.S. de Cachan, 61, avenue du président Wilson, 94230 Cachan, France (Reçu le 26 juin 1988, révisé le 10 octobre 1988, accepté le 17 octobre 1988) Résumé. - Cet article a pour objet l’étude d’un onduleur dont la structure est basée sur l’utilisation d’interrupteurs dit « résonnants ». Après avoir rappelé les différents modes de commutations utilisés au sein des onduleurs de tension et souligné les similitudes structurelles des différentes solutions, nous proposons un convertisseur dont les performances autorisent un fonctionnement en modulation de largeur d’impulsion à haute fréquence. Le choix d’un mode de commande particulier permet d’en exploiter totalement les caractéristiques. L’expérimentation d’un onduleur de 4 kW, utilisant des transistors à grille isolée (I.G.B.T.) met en évidence les qualités de l’ensemble, tant sur le plan des performances dynamiques que du rendement. Abstract. - This paper deals with a study about an inverter whose structure use the « resonant switch » concept. After having reminded the different switching modes commonly used among the voltage inverters, we suggest a converter whose performances provide a high frequency rate pulse width modulation operation. The choice of a particular control mode allows to take advantage of the features. The tests results of a 4 kW inverter using insulated gate bipolar transistors display the real qualities of the structure, particulary about dynamic performances and efficiency. Revue Phys. Appl. 24 (1989) 195-205 FÉVRIER 1989, Classification Physics Abstracts 07.50 - 83.60 1. Introduction. Dans le développement de la conversion d’énergie statique, nourri par l’apparition puis l’amélioration des composants de puissance à semi-conducteurs, les onduleurs de tension tiennent une place importante. Utilisés pour générer des systèmes de tensions alternatives, ils sont devenus un maillon indispensa- ble dans la constitution d’entraînements à vitesse variable à l’aide de machines alternatives. Ces onduleurs demeurent parmi les convertisseurs les plus délicats à mettre en oeuvre du fait de leur structure particulière. La nécessité, dans de nom- breuses applications, d’utiliser des fréquences de commande très supérieures à la fréquence fonda- mentale du signal alternatif généré, amplifie ces problèmes de mise en 0153uvre. Si l’on observe l’évolution de la constitution de ces convertisseurs depuis l’apparition des premiers dis- positifs de puissance commandés à semi-conducteur, les thyristors, on note que, si les modes de commuta- tions des interrupteurs ont évolué, l’on retrouve REVUE DE PHYSIQUE APPL1QUÉE.-T. 24, N. 2, FÉVRIER 1989 constamment la nécessité d’assister totalement (thy- ristors, thyristors duaux) ou partiellement (compo- sants entièrement commandés) l’une ou l’autre des commutations. Ceci s’accompagne invariablement de la présence autour du composant proprement dit, d’un certain nombre d’éléments additionnels. Ces éléments, volumineux dans les circuits d’extinction des thyristors, ont vu leur encombrement se réduire considérablement avec l’apparition des composants entièrement commandés. Néanmoins, dans ce dernier cas, lorsque l’on veut utiliser des fréquences de commande supérieures à 10 kHz, on se heurte rapidement aux problèmes de commutation propres à la structure de l’onduleur de tension ; la constitution des réseaux d’assistance devient rapidement inextricable sans pour autant apporter de solutions véritablement satisfaisantes aux problèmes sus-cités. Une solution consiste à utiliser les propriétés des composants entièrement commandés dans des struc- tures s’apparentant aux structures à thyristors, en éliminant les limitations dues aux performances 14 Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01989002402019500 196 dynamiques de ces derniers. Il est alors possible d’obtenir des commutations dites « douces », propres à faciliter le découpage à fréquence élevée. Dans cet article, après avoir rappelé les différentes étapes de l’évolution des onduleurs de tension et souligné leurs similitudes de forme, nous proposons une structure d’onduleur de tension à commutations douces, adaptée à des fonctionnements au-delà de 20 kHz, et dont les performances sont totalement exploitées du fait de l’utilisation de modes de commande originaux. La réalisation d’un module 300 V-20 A, associée à l’utilisation d’I.G.B.T. (insu- lated gate bipolar transistor), composants réalisant une synthèse des caractères les plus intéressants des transistors MOS et bipolaire et parfaitement adaptés au mode de commutation choisi, confirme la validité des principes retenus. 2. Structure de base de l’onduleur de tension. Cette structure de base est représentée figure 1. Elle résulte de l’association de deux interrupteurs, consti- tués d’un composant commandé et d’une diode antiparallèle. Une source continue, E, supposée parfaite, alimente l’ensemble. On s’attachera ici, comme dans la suite de l’exposé, à un fonctionne- ment correspondant à une commande de type « modulation de largeur d’impulsion ». On suppose donc que le courant de sortie est constant pendant les commutations. Fig. 1. - Convertisseur de base. [Basic converter.] Le composant élémentaire peut être, intrinsèque- ment, entièrement commandé (transistor bipolaire ou MOS, G.T.O., I.G.B.T.), ou réalisé à l’aide d’un thyristor, muni d’un circuit d’extinction contrôlable (thyristor auxiliaire). Le comportement à l’ouverture est sensiblement différent selon que le composant est commandable ou non. Les deux configurations ont leurs avantages et inconvénients que nous allons maintenant préci- ser. 3. Commutations dans les onduleurs à Thyristors. Le thyristor impose dans de telles structures l’intro- duction de circuits d’extinction. Un exemple très classique d’onduleur à thyristors, la structure de Mac-Murray [1], est donné figure 2a. Fig. 2. - Onduleur de Mac-Murray. [Mac-Murray inverter. La séquence de commande et les principales grandeurs de commutation apparaissent figure 2b. Par principe, ces commutations assistées ne sont pas génératrices de pertes. La fermeture, commutation véritablement forcée, peut être assistée à l’aide d’une simple inductance (Fig. 3). Fig. 3. - Inductances d’aide à la commutation. [Switching aid inductances.] ] 197 En pratique, les caractéristiques de thyristors font que ces circuits sont très volumineux et que les performances d’ensemble de l’onduleur sur le plan fréquentiel sont modestes ( f 2 kHz). De surcroît, ces circuits d’extinction imposent un surdimension- nement des composants, conséquence des surintensi- tés qu’ils génèrent (Fig. 2b). Enfin, ces circuits ayant un pouvoir de coupure limité, un raté de blocage, dû à une surcharge, conduira immanquablement à la mise en court-cir- cuit du bras. Il n’en reste pas moins que la nature de la commutation à l’ouverture est extrêmement intéres- sante car elle est non dissipative et permet l’introduc- tion d’un réseau d’assistance à la fermeture n’indui- sant pas de pertes. 4. Commutations dans les onduleurs à interrupteurs entièrement commandés. L’apparition des composants à semi-conducteurs entièrement commandés (transistors bipolaires et MOS, thyristors blocables, I.G.B.T.) a permis, dans un premier temps, de simplifier considérablement les convertisseurs, en éliminant les circuits d’extinc- tion. Cette simplification est effective si les fréquen- ces de commutation restent proches de celles des équipements à thyristors ( f 5 kHz ) ou si les puissances mises en jeu restent faibles (P qqes kW). Si, dans des gammes de puissance plus élevées, on désire utiliser des fréquences de commutation supérieures à 10 kHz, les problèmes de commutation propres à la structure en pont, et qui n’ont pas d’influence notable en basse fréquence, prennent une importance considérable. Ils ne diffèrent pas fondamentalement de ceux rencontrés dans des structures plus simples, tel le hacheur série, mais s’en distinguent car les solutions que l’on peut y apporter sont complexes et insatisfai- santes. Rappelons brièvement, pour illustrer ce propos, la nature des commutations, dans les structures en pont de cette nature. Si l’on reprend le schéma de la figure 1, la nature des commutations résulte de l’association d’un composant commandé et d’une diode, et de la vitesse d’évolution du courant, imposée par ce composant (Fig. 4). De ce fonctionnement résultent des pertes par commutation [6] : - à l’amorçage tmi temps de montée de i Tl 6r charge recouvrée dans la diode Fig. 4. - Mécanisme de la commutation forcée. [Forced switching mechanism.] - au blocage td, temps de descente de i Tl Augmenter les vitesses de commutation du compo- sant n’apporte pas de solution satisfaisante à ce problème car, parallèlement, l’augmentation corres- pondante des contraintes en di dt et dv provoque des effets secondaires tout aussi pénalisants (augmenta- tion des pertes par recouvrement, perturbations sur les commandes). On comprend, dans ces conditions, que la mise uploads/Ingenierie_Lourd/ onduleurs-hf.pdf