Électronique de puissance

L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les systèmes servant à changer la forme de l'énergie électrique.



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L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les systèmes (convertisseurs) servant à changer la forme de l'énergie électrique.

Elle comprend l'étude, la réalisation, la maintenance :

Généralités

L'électronique de puissance, qu'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 faits dans le domaine des interrupteurs électroniques.

Rappelons qu'un convertisseur de puissance de rendement unitaire (sans pertes) ne peut être constitué que d'interrupteurs idéaux et de dipôles purement réactifs par conséquent sans la moindre résistance parasite : condensateurs et inductances. Les dipôles réactifs sont des éléments de stockage d'énergie dont la taille (et par conséquent le coût) est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement.

En plus des applications respectant les traditions de l'électronique de puissance comme la traction électrique et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application :

Les interrupteurs

Interrupteurs de l'EdP.png

Historique

C'est dans le domaine du redressement de forte puissance que se développent les premiers convertisseurs statiques conçus pour 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 avec redresseurs à vapeur de mercure (ignitrons) ayant la même fonctionnalité que les thyristors.

Les diodes

Elles sont équivalentes 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 forme est de type PiN (P - Intrinsèque - N), ou PN-N+. L'introduction d'une zone particulièrement 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. Comparé aux diodes PiN, 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 particulièrement élevées mais la tension inverse maximale autorisée est plus faible. Pour toutes ces raisons, elles sont essentiellement utilisées dans les convertisseurs fonctionnant en TBT ainsi qu'à fréquence élevée : alimentations à découpage.
Elles conjuguent C particulièrement faible et une tension de blocage plus élevée que les diodes Schottky classiques mais ces améliorations se font au détriment de l'augmentation de VS.

Les MOSFET de puissance

Ce sont des interrupteurs électroniques dont le blocage ou l'amorçage sont commandés par une tension (Ils se comportent comme des portes qu'on peut ouvrir ou fermer à volonté). Ce sont les plus utilisés dans le domaine des faibles et moyennes puissances (quelques kilowatts).

Leur domaine d'utilisation est limité à quelques centaines de volts, excepté le domaine des fréquences élevées pour lesquelles le MOSFET surclasse l'ensemble des 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. Le MOSFET peut aussi présenter des pertes de commutation quand il est utilisé comme interrupteur dans les alimentations à découpage. En effet, à chaque commutation, les capacités parasites présentes à ses limites doivent être chargées ou déchargées entraînant des pertes en CV².

Les Transistors bipolaires de puissance

Comparé aux transistors MOS de puissance, ils nécessitent une commande plus compliquée et ont des performances dynamiques plus médiocres. Cependant ils sont thermiquement plus stables et en particulier, 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 a donné naissance à des composants hybrides appelés IGBT.

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 kilovolts et avec des courants de quelques dizaines d'ampères à quelques kiloampères.

Les thyristors

Composant fonctionnant grossièrement comme un clapet commandé par un «tire-suisse» :

Pour ces raisons le thyristor est réservé à des applications concernant les particulièrement fortes tensions (> kilovolts) et les forts courants, où son coût inférieur compense ses limitations techniques. Par exemple les liaisons longues distances ou sous-marines par courant continu – haute tension (HVDC) sont presque toujours réalisées avec des thyristors.

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 en particulier 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 également celle des convertisseurs qui doivent alors créer les conditions de commutations. Ces convertisseurs sont dits convertisseurs (quasi) résonnants.

Deux types d'interrupteurs peuvent être utilisés, conduisant à deux types de commutations douces :

Pour parvenir au passage à zéro de l'une des grandeurs il est indispensable d'ajouter un circuit oscillant dans le montage, d'où leur nom de convertisseurs quasi résonnants.

Quelques systèmes

On peut distinguer le plus souvent quatre grandes fonctions de convertisseurs dans l'électronique de puissance :
Conversion continu - continu, alternatif - continu, continu - alternatif et alternatif - alternatif.

Mais en plus de ces appellations purement fonctionnelles, des noms spécifiques ont été donnés à certains convertisseurs.

Les convertisseurs de l'EdP.png

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