TSI 2ème année




LA CHAINE D’ENERGIE

Conversion statique d’énergie




MADIGOU F.




Lycée Jean Perrin C_Electronique de Puissance_e
 TSI 2ème année

1. Définition : ..................................................................................................................................................2
2. Les structures de base des convertisseurs statiques : ........................................................................2
3. Règles d’association des sources :.........................................................................................................2
3.1. Source de tension : ...........................................................................................................................2
3.2. Source de courant : ..........................................................................................................................3
3.3. Règles d’interconnexion des sources : .............................................................................................3
4. Les interrupteurs parfaits : .......................................................................................................................4
4.1. Régime statique et nombre de segments .........................................................................................4
4.2. Régime dynamique ...........................................................................................................................5
5. Les composants semi-conducteurs de puissance : ..............................................................................5
5.1. Les diodes de puissance ..................................................................................................................5
5.1.1. Symbole et caractéristiques statiques ............................................................................. 5
5.1.2. Caractéristique dynamique ............................................................................................. 6
5.2. Le transistor MOS de puissance.......................................................................................................6
5.2.1. Symbole et caractéristiques statiques ............................................................................. 6
5.2.2. Caractéristique dynamique ............................................................................................. 7
5.3. Le transistor bipolaire à grille isolée : l’IGBT.....................................................................................7
5.3.1. Symbole et caractéristiques statiques ............................................................................. 7
5.3.2. Caractéristique dynamique ............................................................................................. 8
6. La conversion continue-continue (les hacheurs) : ..............................................................................10
6.1. Le hacheur série : ...........................................................................................................................10
6.1.1. Structure théorique avec interrupteurs parfaits : .......................................................... 10
6.1.2. Structure avec composants de l’électronique de puissance : ....................................... 11
6.2. Le hacheur parallèle : .....................................................................................................................12
6.2.1. Structure théorique avec interrupteurs parfaits : .......................................................... 12
6.2.2. Structure avec composants de l’électronique de puissance : ....................................... 12
6.3. Hacheur réversible en courant: .......................................................................................................14
6.4. Hacheur réversible en tension : ......................................................................................................14
6.4.1. Charge unidirectionnelle en courant : .......................................................................... 14
6.4.2. Maintenant si le courant dans la charge est de signe opposé on a : ............................. 15
6.4.3. si on a une charge réversible en courant, on peut en déduit la structure complète : .... 16
6.5. Synthèse : .......................................................................................................................................16
7. La conversion Alternatif-Continue (les redresseurs) : ........................................................................17
7.1. Redresseurs parallèles doubles .....................................................................................................17
7.2. Redresseur MLI : ............................................................................................................................18
8. Bibliographie : .........................................................................................................................................19




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L’électronique de puissance

1. Définition :
L’électronique de puissance est la branche de l’électrotechnique qui a pour objet l’étude de la
conversion statique d’énergie électrique :

2. Les structures de base des convertisseurs statiques :
Type de convertisseur Fonction :


=
Hacheur
=


∼
Redresseur
=

=
Onduleur
∼

∼
Gradateur
Cycloconvertisseur
Association: redresseur+onduleur
∼
Pour réaliser toutes ces fonctions, on utilise des composants électroniques en commutation afin de
limiter les pertes dans ces convertisseurs.
Pour réaliser ces convertisseurs avec ces composants, certaines règles sont indispensables.

3. Règles d’association des sources :
3.1.Source de tension :
Ce peut être un générateur
I



V



Ce peut être une charge. Dans de cas, c’est généralement une charge capacitive
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I I

Ic

V V


dV
Ic = C
dt
1. En conséquence, il ne faut jamais court-circuiter une source de tension
3.2.Source de courant :
Ce peut être un générateur

I

V



Ce peut être une charge. Dans de cas, c’est généralement une charge inductive
I I


V
V


di
V = L
dt
2. On constate que l’on ne doit jamais ouvrir une source de courant
3.3. Règles d’interconnexion des sources :
3. On ne doit jamais relier des sources de même nature ensembles

I



V1 V2




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I1 I2

V




4. On ne peut connecter entre elles qu’une source de tension et une source de
courant en associant des interrupteurs rigoureusement complémentaires.
K1 fermé => K2 ouvert
K1 K1 ouvert => K2 fermé
I


V K2




Ces interrupteurs sont réalisés avec des composants semi-conducteurs de puissance.

4. Les interrupteurs parfaits :
4.1.Régime statique et nombre de segments
Un interrupteur idéal K est considéré comme
Symbole
un dipôle orienté en convention récepteur (cf. v
symbole). Il possède deux états :
ik
K
 Etat ouvert (O) (caractérisé par iK = 0)
 Etat fermé (F) (caractérisé par vK = 0)

La caractéristique statique d’un interrupteur est
ik
composée des segments sur lesquels son point de
fonctionnement (vK , iK) peut se déplacer.
Etat fermé Etat ouvert

Ainsi, il est possible d’envisager des interrupteurs à
2, 3 ou 4 segments, qui seront adaptés à la nature et
aux réversibilités des sources et des charges du v
convertisseur.
Caractéristique statique :
Interrupteur à 2 segments
Ces segments de droite sont confondus avec les
axes pour un interrupteur idéal.

En première approximation, lors de l’étude des convertisseurs, on supposera les interrupteurs
idéaux.


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4.2.Régime dynamique
La caractéristique dynamique d’un interrupteur
ik
est la trajectoire suivie par le point de fonctionnement W<0 W>0
pour passer d’un point situé sur un segment à un point
situé sur un autre segment.
 
Cet aspect dynamique est important car il permet de
mettre en évidence la notion de pertes par vk
commutation. En effet, lors d’une commutation, ou
passage d’un état à l’autre, de durée Tcom (le point de  
fonctionnement parcourt alors une certaine trajectoire),
l’énergie W dissipée s’écrit :
W>0 W<0

W=
∫ v (t) ⋅ i (t) dt
Tcom
k k Passage de l’état (O) à l’état (F)
⇒ Amorçage
Cette énergie ne peut être que positive ou nulle car un Passage de l’état (F) à l’état (O)
interrupteur est nécessairement dissipatif. ⇒ Blocage


Ceci a pour conséquences que :

 Soit le point de fonctionnement se déplace le long des axes dans les quadrants  et  où le
produit iK.vK est négatif : on parle alors de commutation spontanée ou naturelle ;

 Soit le point de fonctionnement se déplace dans les ¼ de plan des quadrants  et  où le produit
iK.vK est positif : on parle alors de commutation commandée à l’amorçage ou au blocage.

Ce caractère dissipatif, qui s’accompagne nécessairement d’une élévation de température du
dispositif, est d’autant plus important que la fréquence de commutation est élevée. Ceci constitue
donc une limitation structurelle à la montée en fréquence de fonctionnement.

Les composants semi conducteurs ont des propriétés différentes quand à leur fonctionnement en
régime statique et dynamique suivant les modèles. Il est important de connaître leurs propriétés
afin de faire un choix correct.


5. Les composants semi-conducteurs de puissance :
5.1.Les diodes de puissance
5.1.1.Symbole et caractéristiques statiques
anode iD cathode

La diode à jonction au silicium est un composant A K
à deux électrodes, l’anode A et la cathode K, sans v
électrode de commande. La figure ci-contre montre le symbole
iD
représentatif de la diode et les deux segments de sa
caractéristique idéale.

Ses conditions de fonctionnement sont caractérisées par :
iD > 0 ⇒ D passante ⇒ vD = 0
vD
vD < 0 ⇒ D bloquée ⇒ iD = 0 O


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L’état passant est imposé par le courant, l’état bloqué par la
tension à ses bornes.
Une diode réelle présente une chute de tension faible à l’état
Courant direct
passant (de l’ordre du volt), pouvant être modélisée par : maximal iD pente
V0 1/RD
RD IFM
iD
V0 : tension de seuil (≈ 0,6 V) F : Forward
RD : résistance dynamique R : Reverse
vD
VRRM vD
Les constructeurs indiquent :
V0
 Le courant direct moyen qu’elle peut écouler : IF(AV) (ou I0)
 La tension inverse maximale qu’elle peut supporter : VRRM
iD
5.1.2.Caractéristique dynamique
Amorçage
et blocage
Le passage d’un segment à l’autre s’effectue nécessairement spontanés
par le point O, donc idéalement sans pertes.

En réalité, le blocage est tributaire de la quantité de
charges électriques emmagasinées dans la diode durant
sa conduction.
Diode Diode
passante bloquée
Pendant un temps trr appelé temps de recouvrement
inverse, le courant est négatif afin d’évacuer les charges iD
en excès dans la diode et lui permettre de recouvrer (ou IF
retrouver) son pouvoir de blocage. t
0 t
Cette charge dite charge recouvrée Qrr est liée à la Qr
Courant de
"géométrie de construction" de la jonction. Elle recouvrement
engendre des pertes en commutation dont il faudra inverse maxi. I
tenir compte à fréquence élevée.
Les fabricants proposent des diodes "normales" et
des diodes "rapides" à faible Qrr selon le type D drain
d’application envisagé. iD
iG
vDS
5.2.Le transistor MOS de puissance grille
G
vGS
5.2.1.Symbole et caractéristiques statiques S source

Le transistor MOS ou MOSFET (Metal Oxyde
Semiconductor Field Effect Transistor) est un composant à iD
trois électrodes, le drain D, la source S et la grille G, qui
constitue l’électrode de commande. Cette dernière est isolée du
composant par une couche d’oxyde.

La figure ci-contre montre le symbole représentatif de la diode
vDS
et les trois segments de sa caractéristique idéale. Le troisième O
segment représenté en traits pointillés est dû à la diode de
structure de ce composant. Si le composant n’a pas été spécifié
pour pouvoir l’utiliser, il faut éviter de la faire fonctionner.

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