Électronique de puissance Article, Signification, Explication
L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne l'étude des dispositifs (les convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique.Elle comprend l'étude :
- des composants électroniques utilisés en forte puissance
- des structures des convertisseurs
- de la commande de ces convertisseurs
- des applications industrielles de ces convertisseurs
Rappelons qu'un convertisseur de puissance de rendement unitaire (sans pertes) ne peut être constitué que d'interrupteurs idéaux et de dipôles purement réactifs : condensateurs et inductances.
Les dipôles réactifs sont des éléments de stockage d'énergie dont la taille (et donc le coût) est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement.
En plus des applications traditionnelles de l'électronique de puissance comme la traction électrique et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application :
Depuis les années 1990, ce sont les composants les plus utilisés pour réaliser des convertisseurs fonctionnant avec des tensions de quelques centaines de volts à quelques kV et avec des courants de quelques dizaines d'ampères à quelques kA.
Deux types d’interrupteurs peuvent être utilisés, conduisant à deux types de commutations douces :
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L'électronique de puissance, que l'on devrait d'ailleurs nommer " électronique de conversion d'énergie " a moins de 50 ans. Elle a connu un tel essor qu'aujourd'hui près de 15 % de l'énergie électrique produite est convertie sous une forme ou une autre.
Au cours de ces années la taille, le poids et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès fait dans le domaine des interrupteurs électroniques.
Les interrupteurs
Historique
C'est dans le domaine du redressement de forte puissance que se développent les premiers convertisseurs statiques destinés à remplacer les convertisseurs électromécaniques. Dans les années 1950, pour la traction électrique, on s'oriente vers la solution - transport en alternatif + motorisation en continu. Les convertisseurs statiques nécessaires sont réalisés à l'aide de redresseurs à vapeur de mercure (ignitrons) ayant la même fonctionnalité que les thyristors.
Les diodes
Elles sont équivalente à un clapet dans une installation hydraulique.
les deux paramètres importants à prendre en compte sont :
les trois principaux défauts du composant sont :
Actuellement les diodes se déclinent en plusieurs catégories :
Elles sont utilisées dans le domaine des convertisseurs de forte puissance comme les onduleurs de traction. Elles sont réalisées en boîtier encapsulé.La jonction qui les constitue est de type PIN (P - Intrinsèque - N), ou PN-N+. L'introduction d'une zone très faiblement dopée permet d'obtenir une tension de blocage élevée.
Elles ont des temps de recouvrement de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes.
Elles sont constituées d'une jonction métal - semi-conducteur. Par rapport au diode silicium, la tension de seuil est plus faible, mais la résistance est plus élevée (d'où une chute de tension qui dépend plus fortement du courant qui la traverse). Elles peuvent fonctionner à des fréquences très élevées mais la tension inverse maximale autorisée est plus faible. Pour toutes ces raisons, elles sont principalement utilisées dans les convertisseurs fonctionnant en TBT et à fréquence élevée : alimentations à découpage.
Elles conjuguent C très faible et une tension de blocage plus élevée que les diodes Schottky classiques mais ces améliorations se font au détriment de l'augmentation de VSLes MOSFET de puissance
Ce sont des interruteurs électroniques dont le blocage ou l'amorcage sont commandés par une tension (Ils se comportent comme des portes que l'on peut ouvrir ou fermer à volonté).Ce sont les plus utilisés dans le domaine des faibles et moyennes puissances (quelques kW).
Leur domaine d’utilisation est limité à quelques centaines de volts, excepté le domaine des fréquences élevées pour lesquelles le MOSFET surclasse tous les autres composants.
Leur principal défaut est qu'à l'état passant ils se comportent comme des résistances (RDSon) de quelques dizaines de mΩ. Cette résistance est responsable des pertes en conduction.
Les Transistors bipolaires de puissance
Par rapport aux transistors MOS de puissance, ils nécessitent une commande plus compliquée et ont des performances dynamiques plus médiocres. Toutefois ils sont thermiquement plus stables et surtout, du fait d’une commande en courant, ils sont moins sensibles aux perturbations électromagnétiques
Les IGBT
Le transistor MOS est rapide et facile à commander mais les transistors bipolaires ont une meilleure tenue en tension et présentent une chute de tension à l’état passant plus faible pour des courants élevés. La volonté de cumuler ces deux avantages ont donné naissance à des composants hybrides nommé IGBTLes thyristors
Composant fonctionnant grossièrement comme un clapet commandé par un "tire-suisse" :
Pour ces raisons le thyristor est réservé à des applications concernant les très fortes tensions (> kV) et les forts courants, comme par exemple les liaisons longues distances ou sous-marines par courant continu – haute tension). Exemple de valeurs : Thyristor 16 kV – 2 kA, fréquence 300 Hz.
Commutation dure et commutation douce
La montée en fréquence des convertisseurs statiques entraîne une augmentation des pertes par commutation dans les interrupteurs. Ces pertes peuvent être réduites, mais surtout délocalisées par l’adjonction de circuit d’aide à la commutation (CALC) sans modifier le principe de fonctionnement du convertisseur.
Une autre possibilité consiste à modifier la nature des interrupteurs pour qu’ils réalisent une commutation spontanée, dite aussi commutation douce car les pertes sont nulles, mais aussi celle des convertisseurs qui doivent alors créer les conditions de commutations. Ces convertisseurs sont dits convertisseurs (quasi) résonnants.
Pour parvenir au passage à zéro de l’une des grandeurs il est nécessaire d’ajouter un circuit oscillant dans le montage, d’où leurs noms de convertisseurs quasi résonants.
Quelques dispositifs