Convertisseur alternatif/continu   diodes

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  • cole Nationale Suprieure dArts et MtiersCentre dEnseignement et de Recherche - LILLE

    Texte de Travaux Pratiquesen

    LECTRONIQUE DE PUISSANCE

    CONVERTISSEURS ALTERNATIF/CONTINUA DIODES

    Professeur : Jean-Pierre CARONJanvier 1998

    A-. Introduction thorique

    Prsentation dun systme lmentaire de conversion statique dnergie lectrique

    Le systme conversion statique dnergie de la figure A.1 est qualifi dhybride puisque form dunepartie continue (la source Sv de tension sinusodale vs et les lments passifs de modlisation L r, de labobine) et dune partie discontinue (les diodes fonctionnant en tout-ou-rien : interrupteur ouvert ouferm).

    Le transfert nergtique entre Sv et la bobine est conditionn par ltat des diodes D D1 2, ; il dpendgalement des mcanismes de changement dtat.

    v

    S

    i

    i

    uL

    r

    D

    D

    s

    v

    m

    m

    1

    2

    convertisseur bobine

    Figure A.1 Structure du systme de conversion

    A.1 Caractrisation de linterrupteur idal diode

    La diode de puissance est un composant semi-conducteur deux bornes (Anode, Cathode) dont lacaractristique statique courant(tension) sapparente celle dun diple interrupteur qui permet souscertaines conditions dtablir une connexion binaire (tat ouvert ou bloqu - tat ferm ou passant) dansun circuit lectrique. Pour ltude fonctionnelle de la conversion dnergie, les raisonnements sontconstruits partir du concept dinterrupteur idal. Dans la pratique, les limites et contraintes defonctionnement modifient quelque peu les proprits, dmontres thoriquement dans le cas idal, et lesperformances du convertisseur. Les notices des fabricants permettent de connatre ces limitations et de

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    choisir les composants en fonction de leur environnement lectrique et des objectifs fixs ; lobservationexprimentale rend compte de linfluence des imperfections des semi-conducteurs de puissance.

    Linterrupteur idal diode D est un lment nergtiquement neutre, sige daucune perte dnergie etmuni des proprits suivantes : chute de tension nulle ltat passant, courant nul ltat bloqu, passage instantan dun tat lautre.

    Sa caractristique statique (voir fig. A.2) est confondue avec deux demi axes non borns du rfrentiel( , )v iD D :

    interrupteur ouvert : i vD D= =0 0, .

    v

    i

    D

    f

    Anode cathodesymbole

    diode

    interrupteurconnexion f

    D

    D

    iD

    vD

    0ferm

    ouvert

    Figure A.2 Symboles et caractristique statique

    Sa caractristique dynamique est reprsente par un rseau de Petri dtat interprt deux places et deux transitions (voir fig. A.3), proche du Grafcet pour les machines squentielles.

    A chaque place numrote est associe une action dfinissant la configuration de la connexion f : place 0, interrupteur ouvert, connexion rompue, fonction de connexion f = 0 ; place 1, interrupteur ferm, connexion tablie, fonction de connexion f = 1.

    Les places sont relies entre elles par des arcs orients.

    La transition, marque dun trait, dfinit la possibilit dvolution dune place une autre dans le sensdes flches ; la condition logique de franchissement est appele rceptivit, elle est crite ct de latransition correspondante ou dans un tableau annexe.

    La prsence du marqueur ou jeton (point noir) signale que la place est active, sinon elle est inactive.Une place active valide toutes ses transitions de sortie qui ne peuvent tre franchies que de manireexclusive. Une transition valide est instantanment franchie lorsque sa rceptivit est vraie. Lefranchissement entrane la dsactivation de ltape (ou place) prcdente et lactivation de ltapesuivante.

    liaison place

    transition

    numro

    marqueur

    rceptivit

    actionCO CF

    f = 1

    f = 0

    1

    0

    1

    2

    Constituants d'un RdP RdP d'un interrupteur idal

    Figure A.3 Caractristique dynamique dun interrupteur

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    3

    Les conditions du changement dtat, ou de fermeture et douverture (respectivement CF et CO),constituent la commande codant les rceptivits des transitions. Pour la diode, la commande est diteinterne car elle ne concerne que le signe de sa tension vD et de son courant iD :

    CF vD = 0 (1)

    (fermeture lors du passage 0 de vD par valeur croissante)

    CO iD = 0 (2)

    (ouverture lors du passage 0 de iD par valeur dcroissante)

    Le changement dtat produit par la commande interne est dit spontan : sur la caractristiquestatique, le point de fonctionnement volue continment dun segment de tension (resp. de courant) unsegment de courant (resp. de tension) de signe oppos en passant par lorigine du rfrentiel.

    En synthse, on associe linterrupteur idal diode son quivalence fonctionnelle (voir fig. A.4)dcompose en partie oprative (PO) : la connexion f et en partie commande (PC) : le rseau de Petri(RdP) interprt. Cette reprsentation sera tendue tout groupe dinterrupteurs dterminant ainsi lemodle de connaissance de la structure considre.

    f = 1f = 0

    10

    i

    v

    D

    PC POf

    Commandeinterne

    D

    D

    = 0

    = 0

    i Di D

    vD

    vD

    vD

    i D

    D

    f

    Figure A.4 quivalence fonctionnelle de linterrupteur idal diode

    A.2 Cellule de commutation

    A.2.1 Dfinitions

    La structure, constitue dinterrupteurs diples ayant une borne commune relie une source decourant et les deux autres bornes connectes des sources de tension, porte le nom de cellule decommutation ; cest en fait llment de base de tout convertisseur statique dnergie lectrique.

    On rappelle les dfinitions (duales) des sources idales respectivement de tension et de courant : Une source idale de tension ( Sv ) est un diple dont la tension aux bornes est indpendante du courant

    qui le traverse.

    Proprits

    limpdance interne est nulle, les bornes peuvent rester dconnectes de tout circuit lectrique, la mise en court-circuit provoque une surintensit (danger) si la tension nest pas nulle.

    Une source idale de courant ( Si ) est un diple dont le courant est indpendant de la tension auxbornes.

    Proprits

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    limpdance interne est infinie,

    les bornes doivent rester raccordes un circuit lectrique ferm assurant ainsi la circulation ducourant (non nul),

    louverture du circuit provoque une surtension (danger) si le courant nest pas nul.

    Les condensateurs (capacit C) et les bobines (inductance L) sont des sources ractives car ils peuventemmagasiner et restituer de lnergie. Ils se comportent en dynamique (sur un temps trs bref) comme dessources quasi idales respectivement de tension et de courant. En effet une variation rapide de courant(discontinuit) dans un condensateur ne modifie pas sa tension (mais seulement sa drive) et unevariation rapide de tension (discontinuit) aux bornes dune inductance ne modifie pas son courant (maisseulement sa drive). Par contre, imposer une discontinuit de tension aux bornes dun condensateur, decourant dans une bobine conduit toujours un dommage (danger pour les humains et pour le matriel)aux consquences parfois trs graves.

    Le convertisseur deux diodes est une cellule de commutation, le point commun aux cathodes est reli une source ractive de courant (bobine) et les deux anodes une source idale de tension ; le courant isortant des cathodes ne peut tre que positif (voire nul) et il en est de mme pour la tension um . Le signe

    () pour i et um est obtenu en retournant borne pour borne les diodes ; une anode prenant la place dunecathode et inversement.

    A.2.2 Description fonctionnelle de la cellule de commutation diodes.

    La cellule constitue de deux diodes prsente en pratique trois configurations (voir fig. A.5) selon lescombinaisons dtats (ouvert (0), ferm (1)) des diodes ; la quatrime, logiquement possible etcorrespondant aux deux diodes passantes simultanment, est de dure nulle (commutation instantane) desorte quil est inutile de la reprsenter par une place dans le rseau de Petri.

    Quelle que soit la configuration, les grandeurs courant, tension des diodes vrifient dune part la loi desnoeuds :

    i i iD D1 2+ = (3)et, dautre part, la loi des mailles :

    v v vD D s1 2 = (4)

    i

    D

    D

    vD

    vi

    D

    f , f = 1

    > 0

    1

    2

    s

    i D

    vD

    1

    1

    2

    2

    i vs

    D

    vi

    D

    f , f

    1

    2

    s

    D

    vi

    D

    f , f

    1

    2

    s

    1 1 12 2 2

    = 0

    = 0 = 0 = 0 = 0= 1

    > 0

    Figure A.5 Notation et configurations

    Comment seffectue alors la commutation spontane entre les deux diodes ?

    Il sagit des transitions ( ) ( )1 2 et ( ) ( )2 1

    A la place 1

    D1 conduit : v i i fD D1 1 10 1= = =, , tant que i > 0 ;

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    5

    D2 est bloque : v v i fD s D2 2 20 0 0= < = =, , tant que vs < 0 .

    Lvolution de i est donne par lquation dtat :

    Ldi

    dtr i V ts+ = 2 0sin( ) (5)

    Le circuit inductif retarde lvolution de i par rapport celle de vs , autrement dit i est encore positif linstant o vs change de signe pour devenir ngatif. Par