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Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Ele

Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 1 Chapitre 1 : Caractéristiques des interrupteurs semi-conducteur de puissance I. Introduction : L’électronique de puissance (EP) à pris une place considérable pratiquement dans tout les domaines d’électricité industrielle, elle permet la conversion de l’énergie électrique entre une source et un récepteur (charge) afin de satisfaire aux besoins des dispositifs électriques. Figure 1 : Synoptique générale d’un dispositif d’EP Autrement dit, les sources que nous disposons (sources triphasés d’amplitude et fréquence fixe et aussi les batteries) ne peuvent pas alimenter convenablement de nombreux systèmes électriques, on a besoins donc d’adapter ou modifier la forme de l’énergie électrique issus de ces sources pour répondre aux besoins des systèmes électriques alimentés. L’EP à pour objectif d’assurer : - une fonction de conversion de la source (changement de forme, fréquence, amplitude….) pour l’adapter au dispositif alimenté. Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 2 - une fonction de réglage de ce transfert d’énergie par une commande appropriée (dans le cas nécessaire). Le dispositif permettant cette conversion est le convertisseur statique (il est appelé ainsi car il ne comprend aucun élément mécanique mobil). On rappel les différents types de convertisseurs statique schématisés sur la figure suivante : La conversion statique est assurée grâce à l’utilisation des interrupteurs à semi-conducteurs de puissance. En effet, les performances de ces composants ne cessent de s’améliorer, ce qui permet une évolution extrêmement rapide de l’électronique de puissance. Notons aussi la notion du rendement qui est essentielle en électronique de puissance et qu’il faut la prendre en considération lors de la fabrication des convertisseurs statique (CS) et le choix des composants à semi-conducteurs, car plus les pertes sont grande plus elles sont difficile à les évacuer et plus les CS sont onéreuses. Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 3 II. Caractéristiques des interrupteurs à semi-conducteurs de puissance : Pour limiter les pertes dans les convertisseurs statiques, on utilise des semi-conducteurs de puissance bien choisit et bien étudiés, qui travaillent en commutation (c.à.d. fonctionnement en interrupteur fermé ou ouvert). Les interrupteurs à semi-conducteurs jouent le même rôle qu’un interrupteur mécanique. Deux états se présentent : - Passant ou fermé : passage de courant avec moins de chute de tension possible. - Bloqué ou ouvert : courant de fuite négligeable. II.1 Passage d’un état fermé (ou ouvert) vers l’état ouvert ou (ou fermé) : Lorsque les composants semi-conducteurs (SC) sont insérés dans un montage de convertisseur statique, le changement d’état d’un interrupteur à SC peut s’effectuer par deux manières : - Spontanée : l’interrupteur s’ouvre au passage par zéro du courant qui le traverse et se ferme au passage par zéro de la tension à ses bornes. Ces passages par zéro sont imposés par l’évolution des variables (courant ou tension) et ne sont pas donc imposés par l’utilisateur. - Commandée : l’interrupteur à SC réagit à un signal de commande à la fermeture ou à l’ouverture, qui intervient à l’instant imposé par l’utilisation. II.2 Caractéristique statique des semi-conducteurs de puissance : On étudie la figure ci-dessous qui donne la caractéristique courant (tension) i(v) statique d’un interrupteur à semi-conducteur. Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 4 Cette caractéristique représente l’ensemble des points de fonctionnement d’un interrupteur à SC en régime statique. Un interrupteur à SC est considéré comme étant une résistance positive : - très faible à l’état passant (fermer) - très élevée à l’état bloqué (ouvert) Le point de fonctionnement se situe alors dans le cadrant 1 et 3 de sort que le produit : v*i > 0 On appel chute directe de tension, la faible tension qu’on à ses borne lorsque l’interrupteur est fermé. On appel courant de fuite, le faible courant qui le traverse lorsque l’interrupteur est ouvert. On déduit alors les segments ou les branches suivants : Segment OA : interrupteur fermé avec courant direct (i>0 et v>0 mais très faible) Segment OB : interrupteur ouvert avec polarisation direct (v >0 et i >0 mais très faible) Segment OC : interrupteur fermé avec courant inverse (i <0 et v<0 mais très faible) Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 5 Segment OD : interrupteur ouvert avec polarisation inverse (v <0 et i<0 mais très faible) La caractéristique statique est donc composée des différents segments situés sur les axes. On distingue alors les interrupteurs à deux segments, trois segments et quatre segments. Pour faciliter l’étude on suppose que les interrupteur sont parfaits c.à.d. - Chute de tension directe nulle - Courant de fuite nul - Durée des commutations négligeable Ce qui donne la caractéristique statique idéale de la figure ci-dessous : Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 6 On note donc que pour un interrupteur idéal, la caractéristique statique est non dissipative. II.2.1 Interrupteur à deux segments : a) La diode : Contenant deux électrodes anode et cathode. La diode est unidirectionnelle en courant et en tension Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 7 C’est un interrupteur non commandé, il se ferme dès que v > 0 et s’ouvre dès que i = 0. Les commutations sont spontanées et le passage d’un segment à l’autre s’effectue nécessairement par le point « 0 ». b) Les transistors de puissances : Un transistor comporte trois bornes (3 électrodes), deux bornes de puissance assurant la fonction « interrupteur » et une borne auxiliaire qui forme avec une borne de puissance l’accès à la commande. C’est un interrupteur commandé, le segment sur lequel se trouve le point de fonctionnement est fixé par un signal de commande, en effet : - Le signale de commande « on » donne le point de fonctionnement sur OA : interrupteur fermé Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 8 - Le signale de commande « off » donne le point de fonctionnement sur OB : interrupteur ouvert Les différents types de transistor :  Transistor bipolaire : L’accès de puissance est assuré par le collecteur C et l’émetteur E. L’accès de commande est assuré la base B et l’émetteur. Il utilise une commande en courant : Interrupteur fermé ou passant (segment OA) : lorsque on injecte dans le circuit base-émetteur un courant de commande iB suffisant. Interrupteur ouvert ou bloqué (segment OB) : lorsque on impose à iB une valeur de courant nulle.  Transistor MOSFET (Metal Oxyde Semi-conductor Field Effect Transistor) Le circuit de puissance est relié au drain D et la source S, et le circuit de commande est branché entre la grille G est la source S. Il utilise une commande en tension, en effet : -une tension de commande VGS nulle donne l’état ouvert du transistor (segment OB), dans ce cas on a une impédance drain-source très élevée ce qui annule le courant i de puissance. -une tension VGS de valeur positive suffisante rend l’impédance drain- source très faible est permet la circulation du courant i, c’est l’équivalent de l’interrupteur fermé (segment OA). Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 9 On note que le MOSFET présente une meilleur vitesse de commutation et permet donc de réduire les pertes par commutation, mais il est limiter en puissance.  Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Le circuit de puissance entre le collecteur C et l’émetteur E. Le circuit de commande entre la grille G et l’émetteur E. Une tension de commande VGE nulle ou négative interrupteur ouvert (segment OB) Une tension VGE positive et suffisante interrupteur fermé (segment OA). Ce type de transistor présente une chute de tension directe faible malgré l’utilisation dans le cas des tensions élevées. II.2.1 Interrupteur à trois segments : a) Le thyristor : On note : - La branche OA présente l’état passant - Les branches OB et OD présentent l’état bloqué - Commutation commandées entre OB et OA. - Commutation spontanées entre OA et OD. Le thyristor contient 3 bornes (trois électrodes). VGE IE I G C E VCE Grille Collecteur Emetteur Univ Jijel & Département d’électrotechnique Master 1 ME & ELT IND Matière : Electronique de puissance avancée 10 Circuit de puissance entre l’anode A et la cathode K. La gachette G forme avec la cathode l’accée de commande : -pour une courant de commande iG=0, le thyristor est bloqué que ça soit pour V>0 (branche OB) ou pour V<0 (branche OD) -lorsque V>0, la fermeture de l’interrupteur s’effectue par injection de courant de commande iG positif, on passe alors de OB à OA. Lorsque le courant I est supérieur au « courant d’accrochage », il n’y aura pas de retour sur OB (pas d’ouverture d’interrupteur) uploads/Litterature/ chap1-cour-ep-avance-2020-2021.pdf