Polycop Composants Elec Puiss

7/27/2019 Polycop Composants Elec Puiss

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Composants de llectronique de puissance

Claude ChevassuA jour du 01/09/2005


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Prsentation de l'lectronique de puissance :

L'lectronique de puissance a pour but de modifier la prsentation de l'nergie lectrique avec un rendementmaximum. Modifier la prsentation de l'nergie lectrique veut dire que :

on transforme l'alternatif en continu : montages redresseurs, on transforme le continu en alternatif : montages onduleurs, on modifie la valeur efficace d'une tension alternative : montages gradateurs, on modifie la valeur moyenne d'une tension continue : montages hacheurs, on modifie la frquence d'une tension alternative : montage cycloconvertisseurs.

L'lectronique de puissance ayant le souci de travailler rendement maximum ne peut tre qu'une lectroniquede commutation o les composants ne fonctionnent qu'en interrupteurs ouverts ou ferms.Le mot "puissance" ne signifie pas que l'lectronique de puissance ne s'intresse qu' la commande de moteurd'au moins 1MW ! Le domaine de l'lectronique de puissance s'tend de quelques micro watts (nano machineslectriques) unecentaine de mga watts (MW).

Les "interrupteurs" de l'lectronique de puissance travaillent jusqu' plusieurs dizaines de kHz. Il est impossibled'employer des interrupteurs classiques. Ceux-ci ne supporteraient pas de telles frquences de fonctionnement.De plus, un arc lectrique s'tablirait entre les contacts qui ne couperaient plus aucun courant. Seuls lesinterrupteurs statiques base de semi conducteurs sont utiliss. On trouve :

la diode, le transistor bipolaire, le transistor effet de champ grille isol (MOS), l'IGBT (insulated gate bipolar transistor), le thyristor "classique", le thyristor GTO (gate turn off).


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Principes fondamentaux :

Aire de scuri t en d irect :Un composant de puissance ne peut pas faire passer un courant infini, ni supporter des tensions infinies.

On dfinit une aire de scurit en direct qui correspond aux performances maximum du composant.Elle se dcoupe en 3 parties :1. limitation du courant maximum par la section des connexions de sortie ;

2. limitation par la puissance maximum que peut dissiper le composant AK AK MAXI V P ;3. limitation par lavalanche (tension inverse maximum).

Ces trois paramtres sont essentiels pour le choix dun composant de puissance.

VAKVMAX

IAK

PMAX

IMAX


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Lorsque lon tudie les performances relatives des composants en fonction des tensions dalimentation et desfrquences auxquelles le composant est capable de fonctionner, on peut tracer le domaine suivant. Notons quilest valable aujourdhui en 2003, mais quil peut tre assez profondment modifi dans le futur en fonction delvolution des composants, volution qui est trs rapide.

Classification des commutateurs de puissance

0,01 0,1 1 10 100 1000

0,1

0,2

F (kHz)

1

2

6

10

MOS

Transistors bipolaires

IGBT

Thyristor / thyristors GTO

Vitesse

Densit de courant

thyristor

GTO

bipolaire

IGBT

MOSFET

U (kV)


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Pertes Joule la coupure ou la fermeture :Supposons un composant de puissance idal du point de vue de ses qualits statiques dinterrupteur et non idaldu point de vue dynamique, c'est--dire que cet interrupteur se ferme ou souvre en un temps non nul.Ce composant ne prsente pas de perte Joule lorsquil est ltat dinterrupteur ferm. En effet, la d.d.p. ses

bornes est nulle et donc 0 0AK AK AK

V I I .Lorsquil est ltat dinterrupteur ouvert, ce composant est galement le sige de pertes nulles car, cette fois ci,

cest le courant qui est nul. Donc, 0 0AK AK AKV I V .Par contre, louverture ou la fermeture du composant, la tension et le courant ne sont pas simultanment nul(ouverture ou fermeture prennent un temps non nul) :

On obtiendrait un diagramme symtrique de celui-ci dessus pour louverture du composant. Ceci montre que lespertes Joule dans le composant ont lieu essentiellement lors des commutations. On comprend quil y a intrt limiter la frquence de travail des composants de puissance afin de ne pas augmenter ces pertes. La frquencede travail dun dispositif dlectronique de puissance est le rsultat dun compromis. On aurait souvent intrt travailler frquence la plus leve possible. Par exemple pour un hacheur, plus la frquence est leve, plus latension de sortie est lisse. Mais, dune part les performances du composant employ imposent une limite haute cette frquence, dautre part la ncessit de rduire les pertes Joule dans le composant limite galement cettefrquence.Exemple numrique :

Prenons E = 200 V, I = 10 A, P = 1000 W, tous les temps de commutation T = 100 ns, frquence de dcoupagef = 100 kHz.Les pertes par commutation seront de 2 40 Wf T E I soit 4 % de P. Les pertes par commutation sontdirectement proportionnelles la frquence de dcoupage pour un composant actif donn. C'est de l que

Pertes Joule composant

temps

temps

IAK

temps

Fermeture

temps de commutation

VAK


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provient la limite en frquence d'utilisation. On souhaiterait que cette frquence soit la plus leve possible, celapermettrait d'obtenir des ondes plus sinusodales par exemple ou bien des courants plus lisses. Mais, tantdonn que les pertes augmentent avec cette frquence, il faut trouver un compromis entre une forme d'ondeacceptable (frquence la plus leve possible) et des pertes raisonnables (limiter la frquence).


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Diode de puissance

Prsentation

La diode de puissance (Figure 1) est un composant non commandable (ni la fermeture ni louverture).

Elle nest pas rversible en tension et ne supporte quune tension anode-cathode ngative (V AK < 0) ltatbloqu.Elle nest pas rversible en courant et ne supporte quun courant dans le sens anode-cathode positif ltatpassant (IAK > 0).

Fonctionnement du composant parfait

Le fonctionnement de la diode sopre suivant deux modes :

diode passante, tension anode cathode = 0 pour VAK > 0 diode bloque, courant anode cathode = 0 pour VAK < 0C'est un interrupteur automatique qui se ferme ds que VAK > 0 et qui s 'ouvre ds que IAK = 0.

En rsum, une diode se comporte comme un interrupteur parfait dont les commutations sont exclusivementspontanes :

il est ferm tant que le courant qui le traverse est positif (conventions de la Figure 1).

il est ouvert tant que la tension ses bornes est ngative.

Composant rel et ses imperfections

Le fonctionnement rel est toujours caractris par ses deux tats :

ltat passant : IAK , le courant direct est limit au courant direct maximal ;

ltat bloqu : VAK , la tension inverse est limite (phnomne de claquage par avalanche) la tension inversemaximale.


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Critres de choix dune diode

Avant tout dimensionnement en vue de choisir les composants, ltude du fonctionnement de la structure deconversion dnergie permet de tracer les chronogrammes de vAKet iAK.

Ce sont les valeurs extrmes de ces grandeurs qui sont prises en considration :

La tension inverse de vAK ltat bloqu ;

Le courant moyen de iAK ltat passant ;

ventuellement, le courant maximal rptitif (sans dure prolonge).

Par scurit de dimensionnement, on applique une marge de scurit (de 1,2 2) pour ces grandeurs. Cestavec ces valeurs que le choix du composant est ralis.

Protection du composant

Protection contre les surintensits

Cette protection est assure par un fusible ultra rapide (UR) dont la contrainte thermique (I 2.t) est plus faible quecelle de la diode. (Si bien quil fond avant la diode.)

Protection contre les surtensions

Les surtensions peuvent tre attnues en insrant un circuit RC-srie en parallle avec le commutateur (Figure4) ou un lment non linaire supplmentaire, la diode transil (Figure 5) : place en parallle avec llment ouen tte de linstallation, elle dissipe lnergie de la surtension.

Protection en dv/dt et di/dt

Les semi-conducteurs sont trs sensibles aux variations brutales de tension et de courant qui apparaissent lorsdes commutations. Contre les variations de courant, on utilise une inductance (qui retarde le courant) tandis que

le condensateur retarde la tension (Figure 6). Pour amortir les oscillations induites par le circuit LC, les circuitsdaide la commutation (CALC ou snubber ) ou adoucisseurs sont insrs (Figure 7).


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Protection thermique

En fonctionnement normal, la jonction PN encoure le risque datteindre une temprature trop leve ( jmaxdonne par le constructeur). Pour palier cet inconvnient, le composant est mont sur un dissipateur thermiqueou radiateur pour assurer lvacuation de lnergie thermique.

Aprs avoir calcul la puissance maximale dissipe par le composant (en utilisant son schma quivalent : fcemou {fcem + rsistance}), on peut calculer la rsistance thermique du radiateur installer.

Diode de roue libre

Hormis les applications de redressement, les montages dlectronique de puissance sont souvent quips dediodes dites de roue libre. Le but de ces diodes est dempcher lapparition de surtensions

die L

dt dues aux

brusques variations dintensit (essentiellement la coupure) dans les charges inductives (moteurs,transformateurs). Les surtensions qui apparatraient en labsence de DRL (diode de roue libre) auraient tt fait dedtruire les composants de puissance du montage. On peut illustrer le phnomne de la coupure de lintensitdans un rcepteur inductif laide de lanalogie hydraulique : circuit lectrique = canalisation o circule un liquide(tension = diffrence de pression entre deux point du circuit, intensit lectrique = dbit de liquide).Lanalogue hydraulique dun circuit inductif est une canalisation o circule plus ou moins rapidement le liquide.Imaginons la longue partie rectiligne dun terminal ptrolier o le pipe line qui va remplir les citernes peut fairequelques centaines de mtres de long pour un diamtre de lordre du mtre. La vitesse de la veine liquide atteintquelques kilomtres lheure. Il nest pas question de fermer brusquement la vanne se trouvant juste avant leptrolier. Lnergie cintique du ptrole circulant dans le pipe provoquerait une monte trs brusque et trs rapidede la pression (la ddp) et la canalisation se romprait, exploserait au niveau de la vanne. De mme que lorsquequun vhicule automobile rentre dans un mur, les dgts sont considrables, mme vitesse rduite.Dans un autre ordre dide, imaginons un cycliste dont les pieds seraient attachs aux pdales dun vlo sansroue libre. Lanc vive allure, le cycliste arrte brusquement de pdaler. Lnergie cintique va faire basculercycliste et vlo cul par-dessus tte. Tout change si on muni la bicyclette dune roue libre. Lengin va continuersur son erre lorsque le cycliste arrte de pdaler et rien de fcheux ne lui arrivera. La diode de roue libreremplit cet office pour les circuits lectriques. Elle permet lnergie accumule dans les inductances

( 2

0

1

2

t

Li )de se dissiper sans occasionner de dommages.Ces diodes doivent tre promptes commuter, on emploie souvent pour ce faire des diodes de types Schottky.

Exemple dapplication des DRL dans un hacheur

Diode deroue libre


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Transistor bipolaire de puissance

Prsentation

Parmi les deux types : NPN et PNP, le transistor de puissance existe essentiellement dans la premire catgorie

(Figure 8).Cest un composant totalement command la fermeture et louverture. Il nest pas rversible en courant, nelaissant passer que des courants de collecteurIc positifs. Il nest pas rversible en tension, nacceptant que destensions VCEpositives lorsquil est bloqu.

Figure 8

Fonctionnement du composant parfait

Le transistor possde deux types de fonctionnement :

le mode en commutation (ou non linaire) est employ en lectronique de puissance

le fonctionnement linaire est plutt utilis en amplification de signaux.

Fonctionnement et tats du transistor

Transistor bloqu (B) : tat obtenu en annulant le courant IBde commande, ce qui induit un courant decollecteur nul et une tension VCEnon fixe. Lquivalent est un interrupteur ouvert entre le collecteur et lmetteur. Transistor satur (S) : ici, le courant IBest tel que le transistor impose une tension vCEnulle tandis que lecourant iCatteint une valeur limite dite de saturation, iCsat. Lquivalent est un interrupteur ferm.

Figure 9

Dans son mode de fonctionnement linaire, le transistor se comporte comme une source de courant I Ccommande par le courant IB. Dans ce cas, la tension VCEest impose par le circuit extrieur.La Figure 10 propose lvolution des grandeurs entre le blocage, le fonctionnement linaire et la saturation.

VCE

IC

IE

IB

VBE


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Figure 10

Composant rel et limites de fonctionnement

Le composant rel subit quelques diffrences par rapport llment parfait.

A ltat satur

le transistor est limit en puissance : courbe limite dans le plan (VCE, IC), lhyperbole de dissipation maximale ;

le courant maximal moyen de collecteur est donc lui aussi limit (ICmax) ;

la tension nest pas tout fait nulle (VCEsat 0).

A ltat bloqu

la tension VCEne peut dpasser une tension (VCE0) qui provoquerait de claquage de la jonction ;

un courant rsiduel d aux porteurs minoritaires circule dans le collecteur (ICB0).

Choix dun transistor

Aprs avoir tabli les chronogrammes de fonctionnement (vCEet iC), on calcule les valeurs extrmes prises par :

la tension ( ltat bloqu) ; le courant maxi ( ltat satur).

Par scurit de dimensionnement, on applique un coefficient de scurit (1,2 2) ces valeurs. Elles doiventtre supportes par le composant choisi. On doit ensuite dterminer le courant IB (> IC/) que doit dlivrer lacommande.


Protection contre les court circuits

Les fusibles ne sont pas suffisamment rapides pour protger les transistors qui claquent trs rapidementlorsque le courant dpasse I0.

La protection est donc assure par lintermdiaire dun circuit lectronique qui mesure i Cou iEet interrompt lacommande en cas de danger.

Figure 11

Protection thermique

La puissance dissipe, vacue par un radiateur, a deux origines :


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pertes en conduction, ltat satur car ces grandeurs ne sont pas nulles ;

pertes en commutation, car pendant les commutations courants et tensions coexistent.

Commutation du transistor

Le passage de ltat satur ltat bloqu (ou inversement) ne seffectue pas instantanment. Ce phnomnedoit tre systmatiquement tudi si les commutations sont frquentes (fonctionnement en haute frquence), caril engendre des pertes qui sont souvent prpondrantes.

A la fermeture

Un retard de croissance de iCapparat la saturation. Le constructeur indique le temps de retard (delay time)not td et le temps de croissance (rise time) not tr.

La tension est alors impose par le circuit extrieur (charge, alimentation) et par lallure de iC.

Figure 12A louverture

Le courant de collecteur iC ne sannule pas instantanment. Le constructeur indique le temps de stockage(storage time), not ts, correspondant lvacuation des charges stockes (ce temps dpend du coefficient desaturation .iB/ICsat) et le temps de descente (fall time) not tf.

Remarque : dans la pratique, les courants voluent de manire plutt arrondie . Pour en tenir compte, lestemps sont rfrencs par rapport 10% et 90% du maximum.

Interfaces de commandeLa ralisation dinterfaces de commande doit satisfaire plusieurs exigences, lies aux caractristiques destransistors bipolaires :

le gain en courant des transistors bipolaires tant faible, un courant de base important est souvent ncessaire,do la ncessit dun tage amplificateur de courant transistors, pouvant comporter plusieurs transistors encascade ;

pour assurer une dsaturation rapide du transistor de puissance (diminution de ts), le circuit dinterface doit trecapable dextraire les charges stockes dans sa base en faisant circuler un courant IB ngatif linstant dublocage (polarisation ngative) ;

Remarque : il existe dautres circuits ayant les mmes buts et rassembls sous lappellation circuit daide lacommutation ou CALC.

dans le cas de circuits de puissances en pont, il arrive frquemment que les potentiels de la base de plusieurstransistors soient flottants (les rfrences de tension sont diffrentes). Le remde cette situation estlisolation galvanique entre la commande et linterface. Les solutions les plus souvent rencontres sont les opto-coupleurs car les temps de commande plutt faibles sont incompatibles avec le produit E. des transformateursdimpulsions ;


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en outre, la plupart du temps, les circuits dinterface comportent certains composants permettant au transistorprincipal une saturation limite (en empchant son VCEde devenir trop faible). Ceci assure un blocage rapide ducomposant. On y retrouve galement des systmes de protection en courant.


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MOS et MOSFET de puissance

Prsentation

Le transistor MOS est un composant totalement command la fermeture et louverture. C'est le composant le

plus rapide se fermer et s'ouvrir. Il est classiquement utilis jusqu' 300 kHz, voire 1 MHz. C'est uncomposant trs facile commander. Il est rendu passant grce une tension VGSpositive (de lordre de 7 V 10V). La grille est isole du reste du transistor, ce qui procure une impdance grille-source trs leve. La grillenabsorbe donc aucun courant en rgime permanent. Cela nest pas vrai lors des commutations et cest pour celaque les microprocesseurs (Pentium ou Athlon) chauffent autant. La jonction drain-source est alors assimilable une rsistance trs faible : RDSon de quelques m.On le bloque en annulant VGS, RDS devient alors trs leve.

Figure 13 transistor MOS canal N

L'inconvnient majeur est sa rsistance l'tat passant ( RDS on) qui augmente suivant la loi :2,7

maxDSV . Pour pallier

cet inconvnient, les fabriquants proposent des composants grande surface de silicium. Cela rend les MOSchers ds que la tension nominale dpasse 200 V.

Fonctionnement et modles du composant parfaitTransistor ouvert (O) : tat obtenu en annulant la tension VGSde commande, procurant une impdance drain-source trs leve, ce qui annule le courant de drain ID. La tension VDS est fixe par le circuit extrieur.

Lquivalent est un commutateur ouvert.

Transistor satur (F) : une tension VGSpositive rend RDStrs faible et permet au courant iDde crotre.Lquivalent est un commutateur ferm.

Figure 14 caractristiques du transistor MOS

Remarque

A linstar du transistor bipolaire, le transistor MOS possde galement un mode de fonctionnement linaire maisqui nest pas utilis en lectronique de puissance. Il se comporte alors comme une rsistance (RDS) commandeen tension (vGS).


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Limites de fonctionnement

Les MOS les plus courants supportent des tensions allant jusqu' 500 V. On trouve des MOS pouvant supporterjusqu' 1400 V. Le MOS n'est intressant pour les tensions leves que dans le cas des convertisseurs de faiblepuissance (< 2 kW) ou lorsque la rapidit est indispensable.

Circuits de puissance transistors MOS

Les interfaces sont beaucoup plus simples que pour les transistors bipolaires, car les transistors MOS sontcommands en tension (le courant de grille trs faible est sans influence). Ils peuvent donc tre directementcommands par un simple circuit numrique en logique TTL ou CMOS.

Les seuls problmes qui apparaissent sont lis aux potentiels de source levs ou flottants. Les solutionsadoptes sont les mmes que pour les transistors bipolaires (opto-coupleurs).

Transistor IGBT : le mariage du bipolaire et du MOS

Un interrupteur idal doit avoir les caractristiques suivantes: impdance nulle ltat ferm et infinie ltatouvert, puissance consomme et temps de commutation nuls. On peut donc avancer quun interrupteur idalnexiste pas aujourdhui et nexistera pas davantage demain.Les deux plus clbres composants lectroniques ralisant la fonction interrupteur sont : le transistor bipolaire etle transistor MOS. Le premier prsente comme avantages une faible tension de dchet ltat passant et lepouvoir de commuter de forts courants, mais ncessite une puissance de commande non ngligeable et safrquence de travail est relativement basse. Le MOS quant lui, connu pour des frquences de travail plusleves et une puissance de commande presque nulle, est limit par sa tension de dchet qui est importantepour des dispositifs mettant en jeu des hautes tensions (quelques centaines de Volts).Depuis 1979, se dveloppe lide dintgrer sur une mme puce un transistor MOS et un transistor bipolaire afinde profiter des avantages de chacun des deux dispositifs en vitant au mieux leurs inconvnients.

Le transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est lassociation dun transistor bipolaire (collecteur etmetteur) et dun transistor MOSFET. Il associe les performances en courant entre collecteur et metteur (lafaible chute de tension collecteur metteur 0,1 V) et la commande en tension par sa grille qui ncessite un

courant permanent quasiment nul.Ses caractristiques sont reprises de celles du transistor bipolaire : vCEsat et iCsat.

Figure 15 symbole de l'IGBT


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Schma quivalent de lIGBT

Le schma quivalent dun IGBT est celui de la figure 16. L'effet thyristor apparat quand la tension aux bornesde Rp atteint la tension Vbi (seuil de la jonction base-metteur du NPN). Dans ce cas, cette jonction est polariseen direct et le transistor NPN est conducteur, ce qui entrane le dclenchement de l'effet thyristor. Dans lesIGBTs modernes, cette rsistance est rendue suffisamment faible pour que le thyristor ne soit plus dclenchdans le domaine de fonctionnement garanti par le constructeur.

Figure 16 schma quivalent de l'IGBT

Le transistor NPN n'a alors plus d'influence sur le fonctionnement de lIGBT dans ce domaine et le schmaquivalent se rduit alors un transistor bipolaire PNP command par un MOSFET dans une configurationpseudo-darlington. La figure 17 symbolise alors le fonctionnement normal de lIGBT.

Figure 17 schma quivalent simplifi de l'IGBT


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Rversibilit en courant des transistors

Les transistors bipolaires et MOS sont des composants que lon pourrait qualifier un quadrant : quivalents un interrupteur, la tension et le courant sont exclusivement positifs. Il faudrait tendre leurs caractristiques en lesassociant dautres lments pour en faire des commutateurs rversibles en courant. Grce cette adaptation,lassemblage peut faire circuler des courants inverses au sens privilgi du transistor seul.

Cette solution est envisageable en plaant une diode anti-parallle .

Figure 16 transistor bipolaire rendu rversible en courant

Figure 17 transistor MOS rendu rversible en courant


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Exemples de ralisations :

Figure 18 onduleur IGBT


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Thyristor ordinaire

Prsentation

Lanctre des thyristors tait un tube gaz : le thyratron. Le terme thyristor est la contraction de THYRatron et detransISTOR. Le thyristor est un composant command la fermeture, mais pas louverture (Figure 19).

Il est rversible en tension et supporte des tensions VAKaussi bien positives que ngatives lorsquil est bloqu.Il nest pas rversible en courant et ne permet que des courants IAKpositifs, c'est--dire dans le sens anode-cathode, ltat passant.

Figure 19 symbole du thyristor

Fonctionnement du composant parfaitCaractristique et fonctionnement

Le composant est bloqu si le courant IAKest nul tandis que la tension VAKest quelconque.

Lamorage (A) est obtenu par un courant de gchette IGpositif damplitude suffisante alors que la tension VAKestpositive.

Ltat passant est caractris par une tension VAKnulle et un courant IAKpositif.Le blocage (B) apparat ds annulation du courant iAK(commutation naturelle) ou inversion de la tension vAK(commutation force).

Figure 20 caractristiques du thyristor


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ConstitutionUn thyristor est un dispositif 4 couches et 3 jonctions qui possde 3 connexions externes : lanode, la cathodeet la gchette. Cest un composant bistable (passant bloqu).

Figure 21 analogie classique expliquant le fonctionnement du thyristor

Le courant de gchette (gale au courant base metteur) sature le transistor NPN qui extrait un courant metteurbase du transistor PNP qui est satur son tour. Le PNP injecte un courant base metteur dans le NPN, quiextrait un courant metteur base du PNP. Ds lors, le courant de gchette peut sannuler, le phnomne sautoentretient.

Caractristiques de sortie du thyristor

P1

N1

P2

N2

cathode

anode

gchette

N1

P2

N2

P1

N1

P2

A

K

GG

K

A

iAK

vAK

iG4 > iG3 > iG2 >iG1

Tensioninverse max

Courant demaintien ihiL/3

Courantdaccrochage

Vt1,5 2 V

it


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Blocage par commutation naturelle

Ce blocage intervient par extinction naturelle du courant anode-cathode.Le montage de la Figure 22 fournit un exemple de commutation naturelle qui se traduit par les chronogrammesde la Figure 23.

Figure 22

Figure 23 chronogramme illustrant la commutation naturelle

Blocage par commutation force

Ce blocage est impos par la mise en conduction dun autre composant, qui applique une tension ngative auxbornes du thyristor, provoquant donc son extinction.Les deux thyristors sont initialement bloqus. Ds que ThP est amorc, il conduit et assure le courant iP dans lacharge.

Figure 24 circuit d'extinction d'un thyristor ordinaire

Ds lamorage de ThE, la tension vAK = uC est ngative et donc bloque ThP.


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Figure 25 chronogrammes d'une commutation force

Composant relCaractristique et limites de fonctionnement

Le fonctionnement rel est, comme pour une diode, caractris par ses deux tats (Figure 25 ) :

ltat passant, vAK 0, le courant direct est limit par le courant direct maximal. ltat bloqu, iAK 0, la tension inverse est limite (phnomne de claquage par avalanche) par la tensioninverse maximale.

Figure 26 caractristiques d'un thyristor rel

Amorage

Pour assurer lamorage du composant, limpulsion de gchette doit se maintenir tant que le courant danode na

pas atteint le courant de maintien Ih (h = hold = maintien)1000

AK MAX

h

ii .

La largeur de limpulsion de gchette dpend donc du type de la charge alimente par le thyristor. Sa dure seradautant plus importante que la charge sera inductive


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Figure 27 volution du courant iAK l'amorage

Blocage

Aprs annulation du courant iAK, la tension vAKdoit devenir ngative pendant un temps au mois gal au tempsdapplication de tension inverse tq (tq 100 s).

Si ce temps nest pas respect, le thyristor risque de se ramorcer spontanment ds que vAKtend redevenirpositive, mme durant un court instant.

Figure 28 volution du courant iAK au blocage

Figure 29 circuit dextinction forc de thyristor utilis lorsquun thyristor conduit du courant continu

ThyristorprincipalThyristor

auxiliaire

Capacitdextinction


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Choix dun thyristor

Aprs avoir tabli les chronogrammes de fonctionnement du thyristor (vAKet iAK) dans le systme envisag, oncalcule les valeurs extrmes prises par :

la tension inverse VRRM ou directe maximale VDRM de vAK ( ltat bloqu) ; le courant moyen I0(= ltat passant) ;

le courant efficace iAKeff( ltat passant).

De la mme manire que la diode, on applique un coefficient de scurit (de 1,2 2) ces grandeurs. Cest avecces valeurs que le choix du composant est ralis.


Protection contre les surintensits, les surtensions, les variations brusques et thermiques

Pas de diffrence avec celles dune diode. Le dimensionnement sera trait comme si le thyristor tait dans lespires conditions de conduction, lorsquil est passant, donc quivalent une diode.

Circuits de commande de gchetteModlisation et commande de la gchetteLa gchette peut tre assimile une diode de grande rsistance dynamique : tension de seuil VGK0 (proche de0,7 V) et rsistance RGK(Figure 30 ). Pour provoquer lamorage, on doit tablir dans la gchette un courant iGdequelques centaines de mA tant que le courant danode na pas atteint Ih

Pour amorcer, on peut utiliser une impulsion simple, mais une rafale dimpulsions chacune susceptible damorcerle composant (largeur suffisante) est prfrable pour palier les "rats".

Figure 30 modle de la gchette

Mode de commande et prcautions

Les signaux de commande oprent des niveaux de puissance faibles. Pour assurer un courant suffisant dans lagchette, un tage amplificateur adapte les signaux issus de la commande.

Dautre part, les niveaux de tension de la partie puissance sont levs : la sparation par une isolation galvaniquesimpose afin de protger la partie commande.

Enfin, dans les structures labores, la disposition des composants ne leur permet pas les mmes rfrences depotentiel.Toutes ces fonctions sintgrent dans lensemble entre la commande et les gchettes (avant la puissance) pourconstituer un circuit dinterfaage qui a pour but disoler galvaniquement le circuit de commande du circuitpuissance (Figure 31 ).


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Figure 31 pont redresseur mixte monophas et sa commande

Isolement magntique par transformateur dimpulsions (T.I.)

Un transformateur dimpulsions possde un circuit magntique en ferrite pour minimiser les pertes fer. Sonrapport de transformation est gnralement gal 1 (Figure 32).

Son utilisation normale a lieu dans la zone linaire du matriau magntique. L, les relations qui sappliquent sont:

1 2d

u u Ndt

(Faraday)

1 GNi Ni R (Hopkinson).

Pendant lapplication dune impulsion de commande la base de T, la tension u2 = u1 = E apparat au secondairedu TI pour crer le courant damorage iG : cest la phase de magntisation.

Au blocage de T, les diodes D et Dz sont transitoirement passantes pour imposer une tension ngative auprimaire du TI. Ceci provoque la dcroissance puis lannulation du flux : cest la phase de dmagntisation.

Figure 32 commande par TI, le signal de commande permet au transistor T d'tre alternativement passant puisbloqu pendant chaque demi-priode.

Exemple de carte de commande industrielle : la commande arccosinus

Dans le cas de la commande dun redresseur, il faut assurer une volution linaire de la tension moyenne desortie du pont. Lexpression de celle-ci est proportionnelle au cosinus de langle damorage. Si la commandedamorage varie suivant une fonction arccosinus, la relation entre la tension moyenne et la tension decommande externe sera linaire.

Le schma de la Figure 33 reprsente une carte de commande de thyristor utilise dans un pont redresseurcommand. Le potentiomtre P1 permet de rgler langle damorage tandis que et P2 contrle la largeur desimpulsions de commande.


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Figure 33 commande "arccosinus"

Isolement optique par opto-coupleur ou fibre optique

Lisolement galvanique de limpulsion de gchette peut tre obtenue par un intermdiaire optique : un opto-coupleur et/ou une fibre optique par exemple.Sur la Figure 34, le transistor de sortie du composant est satur lorsque la diode missive envoie une nergielumineuse suffisante. Il est bloqu sinon.

Linconvnient majeur de cette solution est la ncessit dune alimentation isole E2 rfrence par rapport lacathode du thyristorTh pour fournir lnergie ncessaire au dblocage (donc une alimentation par composant siles cathodes ne sont pas communes).

Par contre, ce systme possde lavantage de pouvoir transmettre des impulsions longues, et il est insensibleaux perturbations lectromagntiques.

Remarque : pour les systmes fonctionnant dans un environnement perturb sur le plan lectromagntique, oulorsque la distance entre la carte de commande et le dispositif de puissance est importante, lisolation par fibreoptique offre dexcellentes performances. Le principe de fonctionnement est le mme.

Figure 34 isolation galvanique par opto-coupleur

Exemples d'applications :

Figure 35 pont redresseur monophas thyristor (pont de Gratz)


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Figure 36 pont redresseur triphas thyristors (pont de Gratz)


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Thyristor GTO (Gate Turn Off)

Prsentation

Le thyristor GTO est un composant command la fermeture et louverture.

Ce composant a permis la motorisation des TGV transmanche par des machines asynchrones. En effet, lamachine asynchrone ne dveloppe pas, comme la machine synchrone, de forces contre lectromotricessuffisantes pour teindre le thyristor n lorquon allume le n+2. Il faut donc des circuits dextinction pour la partieonduleur, circuits base de condensateurs. Les condensateurs sont dautant plus volumineux que lnergie couper est importante. Le volume de lensemble onduleur + circuit dextinction tait jug prohibitif pour unquipement de motrices. Larrive du GTO a permis dconomiser le volume des condensateurs et doncdquiper des locomotives.

Il est rversible en tension et supporte des tensions vAKaussi bien positives que ngatives lorsquil est bloqu.Il nest pas rversible en courant et ne permet que des courants iAK positifs, c'est--dire dans le sens anode-cathode, ltat passant.

Symbole du thyristor GTOLe symbole comprend deux gchettes, une pour la fermeture de linterrupteur et une pour louverture. Dans laralit, la mme gchette sert injecter le courant gchette cathode pour commander la fermeture delinterrupteur et extraire un courant gchette cathode pour ouvrir linterrupteur. Le courant extraire est

important, environ5

AKI

(par exemple, pour couper 600 A, il faut extraire un courant de gchette de 120 A

environ).Un thyristor GTO ne peut couper un courant suprieur (en valeur instantane) une valeur prcise par lefabricant (appel ITGQ). Cette valeur maximum est actuellement voisine de 1000 A pour les GTO les plusperformants.Cette caractristique est trs importante car elle conditionne lempli du GTO. Il ne faut, en aucun cas, que lesconditions de charge puissent entraner une valeur de courant couper suprieure ITGQ.

A

G

K


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ExercicesExo n1

On donne : E = 100 V ; R1 = 0,1 ; R2 = 200 ; R3 = 100 ; R4 = R5 = 2 k ; C = 1 F.Charge rsistive de rsistance RC = 10 .Lintensit du courant de maintien de T2 est de 80 mA.

1. Expliquer les volutions du circuit lors de la squence suivante : mise du circuit sous tension par fermeture de K ;

impulsion sur le bouton poussoir 1 ; impulsion sur le bouton poussoir 2.

2. Prciser le rle de la rsistance R1 et de la diode D.

RC

R4R5

R1 R2

C

2

1R3T1

T2

E

K

D


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Exo n2

Dans le schma ci-dessus, E est une tension continue.

1. Analyse squentielle qualitative : Quel est ltat du thyristor la mise sous tension du circuit ? Justifier la rponse. Que se passe-t-il quand A souvre ? Quadvient-il quand A se referme ? Quel est leffet de lappui sur B.P. ?

2. Quelle est lutilit du composant D ?3. Quel est le rle des deux composants T1 et T2 ? (prciser le nom du montage).4. Que se passe-t-il en cas douvertures et de fermetures trs brves de A (vibrations) ?

R3

R2

R1 T3

T2

T1

D LC

A

B.P.

+ E


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exo n3

Le schma ci-dessus reprsente un avertisseur de coupure dalimentation lectrique.

Analyser ce montage qui dcle une coupure dalimentation, mme transitoire. On suppose le transistor Tnormalement satur tant que la tension dalimentation surveiller est prsente.Expliquer les rles respectifs de la batterie 12 V, de la diode D et du pont diviseur de tension R1, R2.

K

R3

R1L

Alimentation surveiller

R2

R4

R5

Th

12 V

+

-T


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Le triac

PrsentationLe Triac (TRIode for Alternative Current) est un composant permettant la ralisation de gradateurs pour les

puissances jusqu 30 kW environ (limite maximum : 50 A et 800 V). On le trouve surtout dans les ralisationsdomestiques : rglage de luminosit des lampes incandescence, rglage de la puissance des radiateurslectriques, rglage de la vitesse des moteurs universels quipant de nombreux outils portatifs (moteurs courant continu excitation srie avec circuit magntique feuillet).

La structure du triac offrant une certaine symtrie (deux thyristors tte bche), il nest gure possible dedistinguer clairement une anode et une cathode. Nous dsignerons la connexion ct gchette par anode 2 ouA2 et lautre par anode 1 ou A1.

Quadrants damorage du triac

Couramment, le premier et le troisime quadrant damorage sont utiliss dans les montages gradateurs.

grille

Anode1

Anode2

premier quadrantdeuxime quadrant

troisime quadrant quatrime quadrant

iGK faible

iGK faible

iGK moyen fort

iGK fort

A1A1

A1 A1

A2A2

A2 A2


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Fonctionnement du triacLe triac samorce par injection ou extraction dun courant de gchette suffisant. Ensuite, comme les thyristors, ilreste ltat dinterrupteur ferm tant que le courant A1 A2 reste suprieur au courant de maintien Ih. Ds que lecourant A1 A2 est infrieur Ih le triac redevient un interrupteur ouvert. Cela se produit chaque passage de latension secteur par 0 (soit 100 fois par seconde en 50 Hz). Il faut ramorcer le triac ensuite.La commande analogique des triacs seffectue laide de Diac. Le diac est un composant symtrique seuil.Pour simplifier, cest un interrupteur automatique qui se ferme ds que la tension ses bornes (peu importe lesens de cette tension) devient suprieur un seuil (couramment 20 30 V). Cet interrupteur se r ouvre ds quele courant qui le traverse sannule.

Symboles du diac

Applications du triac : le gradateur

Schma de principe du gradateur triac

charge

220 V 50 Hz


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Table des matiresClaude Chevassu A jour du 01/09/2005 .................................................................................... 1Prsentation de l'lectronique de puissance : ............................................................................ 3

Principes fondamentaux : ....................................................................................................... 4Aire de scurit en direct : .................................................................................................. 4

Classification des commutateurs de puissance ......................................................................... 5Pertes Joule la coupure ou la fermeture : ..................................................................... 6Diode de puissance ................................................................................................................... 8

Prsentation ....................................................................................................................... 8Fonctionnement du composant parfait................................................................................ 8Composant rel et ses imperfections .................................................................................. 8Critres de choix dune diode ............................................................................................. 9Protection du composant .................................................................................................... 9Diode de roue libre ........................................................................................................... 10

Transistor bipolaire de puissance ............................................................................................ 11Prsentation ..................................................................................................................... 11

Fonctionnement du composant parfait.............................................................................. 11Choix dun transistor ......................................................................................................... 12Protection du composant .................................................................................................. 12Commutation du transistor ................................................................................................ 13Interfaces de commande .................................................................................................. 13

MOS et MOSFET de puissance ............................................................................................... 15Prsentation ..................................................................................................................... 15Fonctionnement et modles du composant parfait ........................................................... 15Limites de fonctionnement ................................................................................................ 16

Transistor IGBT : le mariage du bipolaire et du MOS .............................................................. 16Schma quivalent de lIGBT ........................................................................................... 17

Thyristor ordinaire .................................................................................................................... 20Prsentation ..................................................................................................................... 20Fonctionnement du composant parfait.............................................................................. 20Constitution ....................................................................................................................... 21Blocage par commutation naturelle .................................................................................. 22Blocage par commutation force ...................................................................................... 22Composant rel ................................................................................................................ 23Amorage ......................................................................................................................... 23Blocage ............................................................................................................................. 24Choix dun thyristor ........................................................................................................... 25Protection du composant .................................................................................................. 25Circuits de commande de gchette .................................................................................. 25Mode de commande et prcautions.................................................................................. 25

Thyristor GTO (Gate Turn Off) ................................................................................................. 29Prsentation ..................................................................................................................... 29Exercices .......................................................................................................................... 30

Le triac ..................................................................................................................................... 33Prsentation ..................................................................................................................... 33Fonctionnement du triac ................................................................................................... 34


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Polycop Composants Elec Puiss

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