Introduction à l’électronique de puissance

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Qui suis-je ?

Je suis Rémi Fonvieille, ex-étudiant en Licence EEA, je me suis tout naturellement dirigé vers un Master Robotique. Je suis moi-même passé par ces moments de recherche d’information sans réels trouvaille. C’est pour cela que j’ai fais ce travail pour vous !

Le génie électrique s’intéresse à trois aspects fondamentaux :

  • La production,
  • Le transport et
  • La conversion d’énergie électrique : de quelques W à 10 MW (propulsion navale) – 20 MW (Transmanche)

Tout d’abord, l’électronique de puissance est un sous-domaine de l’électrotechnique, son objectif est de convertir l’énergie électrique en limitant le plus possible les pertes (aspects rendement primordial).

Généralités

Voici les différents convertisseurs qu’il faut retenir :

  • DC/DC : Convertisseur continu de tension : Alimentation à découpage, alimentation linéaire…
  • AC/DC : Redresseur : Pont de diode, redresseur à thyristor
  • DC/AC : Onduleur : Onduleur de tension à découpage, amplificateur de classe D
  • AC/AC : Cycloconvertisseur (variation de fréquence), gradateur (variation de tension, halogène), alimentation des moteurs des robots ménagers (presse agrume), ventilateur, levage et laminoir.

Afin de garantir un rendement maximum en électronique de puissance, il est important de limiter les composants dissipatifs d’énergie comme :

  • Les résistances et
  • Les composants actifs en situation de « faibles pertes »

Le principe est donc le suivant, on va découper le signal (pour limiter les pertes dans les composants), puis on va remettre en forme le signal par un filtrage avec des composants passifs non dissipatifs d’énergie.

Conception des convertisseurs à découpage

Le fait de découper le signal (variation brutale de la tension et/ou du courant) nécessite des règles d’interconnexion entre les composants.

Les sources

Source de tension

La source de tension impose la tension et n’admet donc pas de variation brutale de la tension.

De même , le condensateur doit être considéré comme une source de tension à l’échelle des commutations afin d’éviter les variations brutales (non contrôlées) du courant.

Source de courant

La source de courant n’admet pas de variation de brutale de courant.

De même, la bobine doit être considérée comme une source de courant à l’échelle des commutations afin d’éviter les variations brutales (non contrôlées) de la tension.

Remarque : On peut dire que Z = jLω dans le cas du régime permanent sinusoïdal.

Les règles d’interconnexion

Ensuite, voici les trois règles fondamentales à respecter :

  1. On peut interconnecter un source de tension et une source de courant mais les deux interrupteurs doivent être rigoureusement complémentaires.
  1. Le circuit d’une source de tension de doit jamais être fermé (court-circuité) mais il peut être ouvert. Sinon le courant serait destructeur.
  1. Le circuit d’une source de courant ne doit jamais être ouvert mais il peut être fermé (court-circuité). Sinon à l’ouverture, la tension serait destructrice (surtension).

De même, il existe deux types de convertisseurs :

  • Les convertisseurs directs associant deux sources de natures différentes et
  • Les convertisseurs indirects avec un étage intermédiaire de stockage entre deux sources de même nature.

Les composants actifs

.Tout d’abord, le principe des convertisseurs consiste à faire commuter des courants entre des mailles adjacents, ce qui nécessite l’emploi de composants permettant de réaliser cette fonction d’interrupteur. Pour illustrer la chose, on peut visualiser des interrupteurs mécaniques ou encore des vannes.

Caractéristique statique

Premièrement, le cas de l’interrupteur ouvert, le composant est à l’état bloqué soit i≈ 0.

Deuxièmement, le cas de l’interrupteur fermé, le composant est à l’état saturé ou passant soit v≈ 0.

Caractéristique dynamique

Les différents semi-conducteurs de puissance

La diode (1950)

La diode de puissance est une composant électronique non commandable (ni à la fermeture ni à l’ouverture), c’est-à-dire que l’amorçage (fermeture ou mise en conduction) et le blocage (ouverture) sont naturels, liés au circuit. Elle est composé d’une anode en amont et d’une cathode en aval, voici donc son symbole :

Ainsi, elle n’est pas réversible en tension et ne supporte qu’une tension anode-cathode négative (vk< 0) à l’état bloqué. Elle n’est pas réversible en courant et ne supporte qu’un courant dans le sens anode-cathode positif à l’état passant (ik > 0).

Le fonctionnement de la diode s’opère suivant deux modes :

  • diode passante, tension anode cathode = 0 pour v> 0
  • diode bloquée, tension anode cathode = 0 pour v< 0
C’est un interrupteur automatique qui se ferme dès que v> 0 et qui s’ouvre dès que i= 0.
Le thyristor (1960)

Ensuite, le thyristor est un composant électronique commandé à la fermeture, mais pas à l’ouverture. Il est également composé d’une anode, d’une cathode mais aussi d’une gâchette, voici donc son symbole :

Ainsi, il est réversible en tension et supporte des tensions vaussi bien positives que négatives lorsqu’il est bloqué. Il n’est pas réversible en courant et ne permet que des courants ipositifs, c’est-à-dire dans le sens anode-cathode, à l’état passant.
Remarque : Le triac fonctionne comme 2 thyristors montés tête-bêches.
Le fonctionnement du thyristor est le suivant :
  • Le composant est bloqué si le courant iest nul tandis que la tension vest quelconque. L’amorçage est obtenu par un courant de gâchette positif d’amplitude suffisante alors que la tension vk est positive.
  • L’état passant est caractérisé par une tension vnulle et un courant ik positif. Le blocage apparaît dès annulation du courant i(commutation naturelle) ou inversion de la tension v(commutation forcée).
Le transistor bipolaire de puissance (1960)

Le transistor bipolaire de puissance est un composant électronique totalement commandé à la fermeture et à l’ouverture. Il est composé d’un émetteur, une base et d’un collecteur, voici donc son symbole :

Notons que parmi les deux types : NPN et PNP, le transistor de puissance existe essentiellement dans la première catégorie.

Ainsi, il n’est pas réversible en courant, ne laissant passer que des courants de collecteur iC positifs. Il n’estpas réversible en tension, n’acceptant que des tensions vCE positives lorsqu’il est bloqué.

Le transistor possède deux types de fonctionnement :
  • Le mode en commutation (ou non linéaire) est employé en électronique de puissance
  • Le fonctionnement linéaire est plutôt utilisé en amplification de signaux.

.Voyons le fonctionnement du transistor bipolaire parfait :

  • Transistor bloqué (B) : état obtenu en annulant le courant ide commande, ce qui induit un courant de collecteur nul et une tension vCE non fixée. L’équivalent est un interrupteur ouvert entre le collecteur et l’émetteur.
  • Transistor passant (P) : ici, le courant iest tel que le transistor impose une tension vCE nulle tandis que le courant iatteint une valeur limite dite de saturation, iCsat. L’équivalent est un interrupteur fermé.
Dans son mode de fonctionnement linéaire, le transistor se comporte comme une source de courant iCcommandée par le courant iB. Dans ce cas, la tension vCE est imposée par le circuit extérieur.
Le transistor MOS et MOSFET de puissance (1960)

Le transistor MOS de puissance est un composant électronique totalement commandé à la fermeture et à l’ouverture. Il est très facile d’usage et c’est le plus rapide lors de ses différentes commutations. Il est classiquement utilisé jusqu’à 300 kHz, voire 1 MHz. On s’intéressera principalement au canal N, il est composé d’une grille, d’un drain et d’une source, voici donc son symbole :

Voyons le fonctionnement du transistor MOS parfait :

  • Transistor ouvert (O) : état obtenu en annulant la tension vGS de commande, procurant une impédance drain-source très élevée, ce qui annule le courant de drain iD. La tension vDS est fixée par le circuit extérieur. L’équivalent est un interrupteur ouvert.
  • Transistor saturé (F) : une tension vGS positive rend RDS très faible et permet au courant ide croître. L’équivalent est un interrupteur fermé.
Remarque : A l’instar du transistor bipolaire, le transistor MOS possède également un mode de fonctionnement linéaire mais qui n’est pas utilisé en électronique de puissance. Il se comporte alors comme une résistance (RDScommandée en tension (vGS).
Le transistor GTO (1980)

Le transistor GTO (Gate Turn Off) est un composant électronique commandé à la fermeture et à l’ouverture.

Ce composant a permis la motorisation des TGV transmanche par des machines asynchrones. En effet,  le fait d’avoir des circuits d’extinction pour la partie onduleur, circuits à base de condensateurs, permettaient de contrer le problème de forces contre électromotrices insuffisantes développés par la machine asynchrone. Les condensateurs sont d’autant plus volumineux que l’énergie à couper est importante. Le volume de l’ensemble onduleur + circuit d’extinction était jugé prohibitif pour un équipement de motrices. L’arrivée du GTO a donc permis d’économiser le volume des condensateurs et donc d’équiper des locomotives.

Le thyristor GTO est donc composé comme le thyristor d’une anode, d’une cathode et de deux gâchettes, une pour la fermeture de l’interrupteur et une pour l’ouverture. Dans la réalité, la même gâchette sert àinjecter le courant gâchette cathode pour commander la fermeture de l’interrupteur et à extraire un courant gâchette cathode pour ouvrir l’interrupteur, voici donc son symbole :

Ainsi, il est réversible en tension et supporte des tensions vaussi bien positives que négatives lorsqu’il est bloqué. Il n’est pas réversible en courant et ne permet que des courants ipositifs, c’est-à-dire dans le sens anode-cathode, à l’état passant.

Un thyristor GTO ne peut couper un courant supérieur (en valeur instantanée) à une valeur précisée par le
fabricant (appelé ITGQ). Cette valeur maximum est actuellement voisine de 1000 A pour les GTO les plus
performants. Il ne faut, en aucun cas, que les conditions de charge puissent entraîner une valeur de courant à couper supérieure à ITGQ.
Le transistor IGBT (1985)
Le transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est l’association d’un transistor bipolaire (collecteur et émetteur) et d’un transistor MOSFET.
La tendance est à la généralisation des IGBT sur le marché ferroviaire, il est notamment utilisé dans les convertisseurs de traction du TGV sur les versions les plus modernes équipées de moteurs synchrones ou asynchrones, ainsi que dans la plupart des convertisseurs auxiliaires (éclairage, ventilation, etc).
Le symbole de l’IGBT est le suivant :
Il associe les performances en courant entre collecteur et émetteur (la faible chute de tension collecteur émetteur ≈ 0,1 V) et la commande en tension par sa grille qui nécessite un courant permanent quasiment nul. Ses caractéristiques sont reprises de celles du transistor bipolaire : vCEsat et iCsat.
Liste des fabricants des composants de puissance

Les plages d’utilisation des semi-conducteurs (Si → SiC, GaN)

Température

La température d’utilisation est limitée par la température du Si. En effet, les semi-conducteurs sont souvent dimensionnés pour une température d’utilisation de 80°C. Les performances du Silicium sontdégradées à partir de 120°C. Il est très souvent nécessaire d’adjoindre aux composants de puissance un système de refroidissement comme le radiateur (convection naturelle ou forcée), système de refroidissement hydraulique, micro-canaux etc…

Tension, courant

Ce sont avec la fréquence, les critères dimensionnant des semi-conducteurs. On parle d’aire de sécurité (Safe Operating Area).

Il est possible d’association (série-parallèle) les composants afin de commuter plus de courants (parallèle) ou avoir une meilleure tenue en tension (série).

Afin de mieux visualiser la répartitions des interrupteurs utilisés en fonction de la puissance et de la fréquence d’utilisation, voici un graphique et un tableau récapitulatif extrait d’une thèse d’un doctorant de l’université Paul Sabatier (Toulouse) :

Les composants passifs

La bobine

Généralement, la bobine a une valeur d’inductance allant d’une dizaine de microHenry à une dizaine de milliHenry.

Le principal matériau utilisé comme noyau de la bobine est la ferrite (oxyde de fer) qui est isolant contrairement au matériau à base de fer doux. Ce matériau est fortement utilisé du fait de son fonctionnement à hautes fréquences (> 100 Hz en électrotechniques). Par contre, la ferrite a une induction relativement faible (induction maximale : 400 mT) contrairement au fer (1,5 T). Sinon dans certains cas, il est possible d’utiliser les terres rares.

Le condensateur

Le condensateur utilise deux technologies différentes :

  • polypro (plastiques)
  • chimiques (condensateurs polarisés)

De même, une caractéristique importante du condensateur est la ESR : (Equivalent Series Resistor) permettant de connaître la fréquence au-delà de laquelle le condensateur peut avoir un comportement résistif qui induit des ondulations de tension en sortie des alimentations.

La supercapa

La supercapa est un condensateur capable de stocker de l’énergie à basse tension et de la restituer(double couche structurelle).

Source : Cours Electronique de puissance Licence EEA,
……………Lionel Laudebat – Maîtres de conférences et chercheurs (LAPLACE) Université Paul Sabatier

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