Composants de l’électronique de puissance

 Composants de l'électronique de puissance Niveau BAC +2

I. Généralité :
L’électronique de puissance est une technique dont la principale fonction est d’adapter le transfert d’énergie entre une source d’entrée et une source de sortie avec les convertisseurs statiques de puissance.

convertisseurs de puissance
Un convertisseur statique est dit réversible lorsque l’énergie peut transiter dans les deux sens (source ↔ récepteur).
II. Sources d’entrée et de sortie:
1. Différents types de sources:
On trouve deux grandes familles de sources : de tension ou de courant.
Les sources peuvent être réversibles ou non.
• Une source de tension parfaite : est un dipôle linéaire actif qui maintient entre ses bornes une tension constante quel que soit le courant qui le traverse.
caractéristique courant tension
• Une source de courant parfaite : est un dipôle linéaire actif qui débite un courant d’intensité constant quelle que soit la tension appliquée à ses bornes.
caractéristique courant tension
2. Transformation de la nature d’une source:
Une source de tension en série avec une inductance est équivalente à une source de courant:
source de courant
Une source de courant en parallèle avec un condensateur est équivalente à une source de tension :
source de tension
3. Règles d’association des sources:
1ère Règle : Ne jamais court-circuiter une source de tension.
2ème Règle : Ne jamais ouvrir une source de courant.
3ème Règle : Ne jamais interconnecter deux sources de même nature.
association des sources
4ème Règle : On peut interconnecter une source de tension et une source de courant.
Association des sources
III. Etude fonctionnelle des interrupteurs:
1. Caractéristiques statique:
a) Interrupteur à deux segments :
Il peut avoir une des caractéristiques suivantes :

Deux segments
b) Interrupteur à trois segments :
Il peut avoir une des caractéristiques suivantes :
Trois segments
L’interrupteur a trois segments est formé de deux interrupteurs à deux segments montés en série s’ils ont le même courant et en parallèle s’ils ont la même tension.
Application
On donne les caractéristiques statiques (diode et transistor) :
Deux segments
Seulement avec diode est transistor, réaliser les interrupteurs qui ont les caractéristiques suivantes :
caractéristique statique
Solution:
2. Modes de commutation:
a) Commutation spontanée:
La diode est un composant à amorçage et blocage spontané.
Commutation spontanée
Amorçage spontané → Passage de la tension par zéro.
Blocage spontané → Passage du courant par zéro.
b) Commutation commandée :
Les composants a commutation commandée possèdent une troisième électrode de commutation.
Le transistor est un composant à amorçage et blocage commandé.
Commutation  commandée
IV. Les interrupteurs de l’électronique de puissance:
1. Interrupteur parfait:
Un interrupteur parfait possède deux états :
- Etat ouvert (OFF) :
Etat OFF
- Etat fermé (ON) :
Etat ON
2. Interrupteurs à semi-conducteurs:
Interrupteurs semi conducteurs
• L’impulsion de courant dans la gâchette du thyristor doit être de durée suffisante pour que le courant iT s’établisse.
• Après l’amorçage du thyristor, la gâchette perd son pouvoir de contrôle, le courant iG peut être supprimé.
• Les grandeurs de commande des transistors (iB,vGS,vGE) doivent être maintenues pendant tout l’intervalle de conduction.
• Le transistor IGBT combine les avantages du transistor bipolaire et du MOSFET :
- Bipolaire : faible pertes en conduction, commutation de fort courant et tension …
- MOSFET : temps de commutation faible, commande en tension …
3. Critères de choix :
V. Les pertes dans un composant de puissance:
1. Pertes en conduction :
Correspondent à la puissance dissipée ${{P}_{Cond}}=\left\langle {{v}_{k}}\cdot {{i}_{k}} \right\rangle $ lorsque le composant est passant.
On peut les calculer à partir d’un des modèles suivants à l’état passant :
Pertes en conduction
2. Pertes en commutation :
Correspondent à la puissance dissipée à l’amorçage (fermeture) et le blocage (ouverture) de l’interrupteur :
\[\begin{align} & {{P}_{com}}={{P}_{ouverture}}+{{P}_{fermeture}} \\ & \text{ }=\frac{1}{T}\underset{\left( ton \right)}{\overset{~}{\mathop \int }}\,{{v}_{k}}\left( t \right)\cdot {{i}_{k}}\left( t \right)dt+\frac{1}{T}\underset{\left( toff \right)}{\overset{~}{\mathop \int }}\,{{v}_{k}}\left( t \right)\cdot {{i}_{k}}\left( t \right)dt \\ & \text{ }=\frac{E}{T}\left( \underset{\left( ton \right)}{\overset{~}{\mathop \int }}\,{{i}_{k}}\left( t \right)dt+\underset{\left( toff \right)}{\overset{~}{\mathop \int }}\,{{i}_{k}}\left( t \right)dt \right) \\ & \text{ }=\frac{E}{T}\left( \frac{I\cdot {{t}_{on}}}{2}+\frac{I\cdot {{t}_{off}}}{2} \right) \\ & \text{ }=\frac{E\cdot I}{2}\cdot \left( {{t}_{on}}+{{t}_{off}} \right)\cdot \frac{1}{T} \\ & \text{ }=\frac{E\cdot I}{2}\cdot \left( {{t}_{on}}+{{t}_{off}} \right)\cdot f \\ \end{align}\]
Pertes en commutation
Remarque:
Les pertes en commutation sont d’autant plus importantes que la fréquence est élevée.
On note Pd la puissance totale dissipée dans le composant de l’électronique de puissance :
$${{P}_{d}}={{P}_{cond}}+{{P}_{com}}$$
VI. Refroidissement des composants de puissance:
Un composant à semi-conducteur (diode, transistor, …) peut être détruit si sa température interne ou de jonction θJ dépasse la température de jonction maximale θJmax (de l’ordre de 150°C)
θJ dépend de :
- la puissance totale dissipée Pd (en W).
- la température ambiante θA (en °C).
- la résistance équivalente thermique jonction-air Rth(J-A) (en °C/W).
On donne la loi thermique approchée :
$$\boxed{{{\theta }_{J}}-{{\theta }_{A}}={{R}_{th\left( J-A \right)}}\cdot {{P}_{d}}}$$ 1. Circuit électrique équivalent :
a) Sans dissipateur thermique:
Circuit électrique équivalent
La loi d’ohm thermique : ${{\theta }_{J}}-{{\theta }_{A}}~=~{{R}_{thJ-A}}\cdot {{P}_{d}}~=~\left( ~{{R}_{thJ-B}}~+~{{R}_{thB-A}}~ \right)\cdot {{P}_{d}}$ Si ${{\theta }_{J}}>{{\theta }_{Jmax}}$ il y a destruction de la jonction. Pour maintenir une température acceptable il est nécessaire de monter sur le composant un dissipateur thermique (appelé aussi : radiateur)
b) Avec dissipateur thermique :
Circuit électrique équivalent
La loi d’ohm thermique : ${{\theta }_{J}}-{{\theta }_{A}}~=~\left( ~{{R}_{thJ-B}}~+~{{R}_{thB-R}}+{{R}_{thR-A}}~ \right)\cdot {{P}_{d}}$
Pour éviter la destruction de la jonction il faut que :
$${{\theta }_{J}}<{{\theta }_{Jmax}}~~\to ~~~~\frac{{{\theta }_{J}}-{{\theta }_{A}}}{{{P}_{d}}}<\frac{{{\theta }_{Jmax}}-{{\theta }_{A}}}{{{P}_{d}}}~~~~\to ~~~~{{R}_{thJ-B}}~+~{{R}_{thB-R}}+{{R}_{thR-A}}<\frac{{{\theta }_{Jmax}}-{{\theta }_{A}}}{{{P}_{d}}}$$
$$\boxed{{{R}_{thR-A}}<\frac{{{\theta }_{Jmax}}-{{\theta }_{A}}}{{{P}_{d}}}-\left( {{R}_{thJ-B}}~+~{{R}_{thB-R}} \right)}$$
2. Différents types de radiateurs :
Refroidisseur,radiateur,dissipateur thermique

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