Chapitre 1 : LES COMPOSANTS D'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
1. Généralités
L’électronique de puissance est l’électronique des courants forts. Avec la naissance des semi- conducteurs (diodes, transistors, thyristors et IGBT ...etc.).Elle travaille presque toujours en commutation, c’est l’une de ses caractéristiques principales, et permet d’obtenir un bon rendement des convertisseurs suivants :
✅Le redresseurs commandés et non contrôlés,
✅Les hacheurs,
✅Les onduleurs,
✅Les gradateurs.
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 et 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 courtant 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 constitué par une seule jonction. C’est un interrupteur de puissance à deux segments.
3.1.2. La diode de redressement
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 :
3.1.4.Caractéristiques statiques
3.1.5.Caractéristiques dynamiques
Elles concernent le passage de l’état bloqué (blocage) à l’état passant (amorçage) 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.
Généralement le phénomène transitoire à l’amorçage se présente d’une manière plus faible.
🔷 Pertes en conduction
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
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 Controlled 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 :3.2.2. Thyristor rapide
Un thyristor rapide est caractérisé par les données des thyristors standards, auxquelles s’ajoutent les caractéristiques suivantes :3.2.3. Choix d’un thyristor
Il dépend principalement :3.2.4. Caractéristiques statiques
Dans le sens direct, le thyristor est non-conducteur tant que la tension appliquée est inférieure à V RM (tension de retournement).
Si la tension appliquée dépasse V RM , 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 « I M » (courant de maintien). Dans le sens inverse, le thyristor est bloqué tant que la tension inverse ne dépasse pars V DM .
🔵 Amorçage par la gâchette :
Le thyristor étant généralement placé dans un circuit avec une tension directe appliquée inférieure à la tension de retournement « V RM », 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 gâchetteLe passage de l’état bloqué à l’état conducteur d’un thyristor qui reçoit un signal de commande, n’est pas instantané, il dur un instant « t on » qui est lié au temps d’établissement du courant de gâchette « Delay-time : td » et au temps d’amorçage de la jonction « Rise time:t r ».
3.3.Principales caractéristiques
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.
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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 appelé 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 V CEsat et les avantages du MOSFET pour la commande.
4.Rappels sur les signaux périodiques non sinusoïdaux
4.1.Signal périodique
4.2.Valeurs caractéristiques
4.3. Développement en série de FOURIER
5.Notions des puissances et facteur de puissance en monophasé
On considère le circuit électrique décrit par la figure 1.20. Il est alimenté par une tension variable notée v(t) , sous l’effet de cette tension, la charge réclame un courant noté: i(t)