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Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui Université Sultan Moulay Slim

Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui Université Sultan Moulay Slimane Faculté des Sciences et Techniques Département de physique Beni Mellal Polycopié du cours Electronique de puissance LST : I.E.TEL 2013/2014 Brahim Minaoui Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui Sommaire Introduction à l’électronique de puissance Chapitre 1 : Interrupteurs semi-conducteurs de puissance p : 1-12 Chapitre 2 : Convertisseur alternatif-continu P : 13-39 Chapitre 3 : Les hacheurs p : 40-50 Chapitre 4 : Les onduleurs autonomes p : 52-62 Chapitre 5 : Les convertisseur alternatif-alternatif p : 63-66 Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui INTRODUCTION A L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE 1. Définitions Définition : L’électronique de puissance est la branche de l’électrotechnique qui a pour objet l’étude de la conversion statique d’énergie électrique La conversion statique est réalisée au moyen de convertisseurs statiques : Définition : Un convertisseur statique est un dispositif qui transforme de l’énergie électrique disponible en une forme appropriée à l’alimentation d’une charge. L’énergie électrique est disponible soit sous forme alternative (réseau de distribution électrique, alternateur) soit sous forme continue (batterie d’accumulateurs, génératrice à courant continu,…). La charge peut nécessiter une alimentation en alternatif ou en continu. Jusqu'au début des années 1970 environ, la mise en forme de l'onde électrique afin de l'adapter aux besoins, a été obtenue au moyen de groupes tournants (moteurs). Les performances des composants semi conducteurs de l'électronique de puissance (diodes, thyristors, triacs, transistors) ont ensuite permis de réaliser de telles conversions. On supprime ainsi les parties tournantes et on réduit la masse, l'encombrement et le coût de ces matériels. Les convertisseurs statiques sont les dispositifs à composants électroniques capables de modifier la tension et/ou la fréquence de l'onde électrique. On distingue deux types de sources de tension: Sources de tensions continues caractérisées par la valeur V de la tension. Sources de tensions alternatives définies par les valeurs de la tension efficace Veff et de la fréquence f. On différencie quatre types de convertisseurs dont les schémas de principe sont donnés sur la figure 1-1: Convertisseur alternatif-continu : redresseur (alimentation des moteurs à courant continu, charge des batteries); Convertisseur continu-continu : hacheur Commande des moteurs à courant continu (vitesse variable) ; fonctions d'interrupteur; Convertisseur continu-alternatif : onduleur Production de tensions alternatives, (alimentation des appareils électriques autonomes, protection contre les surtensions et coupures de réseau (informatique), commande des machines à courant alternatif) ; Convertisseur alternatif-alternatif : c'est un - gradateur lorsque seule la valeur efficace de la tension alternative est modifiée, Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui - cycloconvertisseur lorsque la valeur efficace de la tension alternative est sa fréquence sont modifiées. (production des vitesses variables en alternatif (levage, machine- outil)). Figure 1-1. 2. Réversibilité des convertisseurs Traitant de l’énergie, une notion importante en électronique de puissance est la notion de réversibilité (Figure 1-2). Définitions :  Un convertisseur statique est dit réversible lorsque l’énergie peut transiter de manière bidirectionnelle, c'est-à-dire aussi bien dans un sens que dans l’autre. Les notions d’entrée et de sortie ne sont alors plus évidentes.  Un convertisseur statique non- réversible transfère l’énergie d’une source vers une charge utilisatrice. L’énergie ne peut pas transiter dans l’autre sens. Certains convertisseurs statiques sont naturellement réversibles (onduleurs,….). D’autres sont naturellement non-réversibles (redresseur à diodes,….). Suivant le schéma de leur structure, certains pourront être réversibles ou non (hacheur,….) Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui Figure 1-2 3. Les composants d’un convertisseur statique Les convertisseurs statiques doivent assurer une conversion d’énergie à pertes minimales, c'est-à-dire une conversion d’énergie avec le meilleur rendement. Pour obtenir ce maximum de rendement, il ne faut utiliser que des composants pas ou peu dissipatifs, c'est-à-dire absorbant une puissance minimale (idéalement nulle). Pour un dipôle (figure 1-3) , la puissance instantanée absorbée est : Pabsorbée=u.i Figure 1-3 Pour qu’un composant ne présente aucune perte, la puissance moyenne qu’il dissipe doit être nulle. Ceci peut se réaliser de deux manières : - Soit la puissance instantanée est nulle à tout instant, - soit la valeur moyenne sur une période de fonctionnement est nulle. Dans le premier cas, il faut et il suffit que u ou i soit nul à tout instant. Ceci est réalisé par un interrupteur parfait. En effet, un interrupteur parfait fermé présente une chute de tension négligeable et les pertes y sont donc nulles quelque soit le courant qui le traverse. Un interrupteur parfait ouvert n’a pas de courant de fuite, les pertes y sont donc nulles quelle que soit la tension qu’il supporte. En pratique les interrupteurs sont réalisés à partir des composants semi conducteurs fonctionnant en commutation. Dans le second cas, le produit u.i peut être tantôt positif (énergie emmagasinée), tantôt négatif (énergie restituée) mais la condition : Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui doit être vérifiée. Les composants qui répondent à cette définition sont les composants réactifs (inductances et condensateurs). Cette notion de puissance dissipée nulle peut être extrapolée aux multi pôles. Le transformateur (parfait) répond à ce critère et peut donc être utilisé dans un convertisseur statique. A l’opposé, les résistances et les composants à semi conducteur fonctionnant en régime linéaire sont donc exclus. Par conséquence : Un convertisseur statique est constitué d’éléments à dissipation minimale : principalement des composants semi conducteurs fonctionnant en interrupteur, des inductances, des condensateurs et des transformateurs. Dans ce cours, nous allons étudier les interrupteurs semi conducteurs (Chapitre1) et les convertisseurs statiques suivants : Redresseurs monophasés : Chapitre 2 Hacheurs : Chapitre 3 Onduleurs monophasés autonomes : Chapitre 4 Gradateurs monophasés : Chapitre 5 : Les étudiants qui vont poursuivre leurs études en électrotechnique-électronique de puissance, auront l’occasion d’étudier les redresseurs triphasés, onduleurs triphasés autonomes, gradateurs triphasés et cycloconvertisseurs. Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui 1 CHAPITRE 1 INTERRUPTEURS SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE 1. Introduction Les composants semi-conducteurs de puissance constituent le cœur des systèmes rencontrés en Electronique de Puissance où ils sont généralement utilisés comme interrupteurs. Leurs structures et leurs technologies ainsi que les problèmes posés en regard des puissances véhiculées sont très différents. En effet, pour des raisons de rendement et de dissipation d’énergie, les interrupteurs semi-conducteurs de puissance sont contraints de travailler en commutation: fonctionnement saturé avec un courant passant de l’ordre du courant nominal et une tension très faible à leurs bornes, ou état bloqué sous une tension de l’ordre de la tension nominale et un courant négligeable. De ce point de vue, leurs caractéristiques les plus importantes sont la tension blocable (quelques dizaines de volts à quelques milliers de volts), le courant passant (de quelques ampères à quelques centaines ampères), la chute de tension à l’état passant et les temps de commutation. L’étude des composants semi-conducteurs de puissance est une discipline à part entière. La physique des semi-conducteurs n’est pas le but de ce chapitre, nous allons décrire simplement les principales caractéristiques externes des composants considérés. Les semi-conducteurs de puissance actuels peuvent être classés en trois catégories : 1. Diodes. Composants non commandables, où les états ON et OFF dépendent des grandeurs électriques du circuit. 2. Thyristors. Fermé par un signal de commande, mais doit être ouvert par le circuit de puissance. 3. Interrupteurs commandables à l'ouverture et à la fermeture. Ouverts et fermés par un signal de commande. La catégorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants : Transistors Bipolaires à Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJT) ; Transistors à effet de champ Metal-Oxyde - Semi conducteur (MOSFET) ; Thyristors commandés à l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors) ; Transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBT) ; Thyristors MOS Commandés (MOS-Controlled Thyristors - MCT). 2. Diodes 2.1 Caractéristiques i-v Les figures 1a et 1b décrivent le symbole de la diode et sa caractéristique statique i-v. Lorsque la diode est polarisée en direct, elle commence à conduire à partir d'une faible (vis à vis des tensions généralement mises en jeu dans les convertisseurs) tension VD0 directe de l'ordre de 1V. Lorsque la diode est polarisée en inverse, seul un faible courant de fuite Cours d’Electronique de puissance I.E.TEL Minaoui 2 négligeable (quelques mA) circule jusqu'à atteindre la tension d'avalanche VDim. En fonctionnement normal, la tension inverse ne doit pas atteindre la tension d'avalanche. Compte tenu du courant de fuite très faible circulant en inverse et de la faible tension de polarisation VD0 en direct comparés aux courants et tensions mis en jeu dans les circuits pour lesquels ces diodes sont utilisées, la caractéristique i-v de la diode peut être idéalisée (figure 1c). Cette caractéristique idéalisée peut être utilisée pour analyser le principe de fonctionnement de base des convertisseurs. Par contre, il est évident que cette idéalisation ne doit pas être utilisée dans le cas d'une conception prenant en compte les problèmes de dissipation thermique ou de chute de tension. (a) (b) (c) Figure 1. Diode: (a) Symbole électrique, (b) caractéristique i-v réelle, (c) caractéristique i-v idéalisée. La figure 2 décrit les différents modèles électriques statiques susceptibles d'être utilisés pour décrire le fonctionnement de la diode selon le degré de précision requis lors de la conception. Figure 2. Schémas électriques équivalent de la diode. (a) uploads/Litterature/ polycopie-du-cours.pdf