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Module

Convertisseurs

statiques d’énergie

Formation initiale

Cursus développement capacités techniques fondamentales

Objectifs du module

✓ Connaître le concept de base et le principe de fonctionnement des

composants de l’électronique de puissance,

✓ Connaître le principe de fonctionnement et acquérir les aspects

techniques et technologiques de base sur les convertisseurs statiques

d’énergie,

Convertisseurs statiques d’énergie

Plan de présentation

1. Rappels sur les composants de l’électronique de puissance

2. Convertisseur statique Alternatif / Continu

3. Convertisseur statique Continu / Continu

4. Convertisseur statique Continu / Alternatif

5. Convertisseur statique Alternatif / Alternatif


4

Chapitre 1 :

Rappels sur les composants

de l’électronique de puissance



PRINCIPES FONDAMENTAUX DE L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

Aire de sécurité en direct :

Un composants de puissance ne peut pas faire passer un courant infini, ni

supporter des tensions infinies. On définit une aire de sécurité en direct qui

correspond aux performances maximum du composant

Elle se découpe en 2 parties :

➢ Limitation par la puissance maximum que peut dissiper le composant

IAK*VAK<Pmax

➢ Limitation par l’avalanche (tension inverse maximale)


Pertes Joule à la coupure ou à la fermeture:

➢ Ce composant ne présente pas de perte joule lorsqu’il est à

l’état d’interrupteur fermé .En effet , la ddp à ses bornes est

nulle et donc VAK*IAK=0*Iak=0

➢ Lorsqu’il est à l’état d’interrupteur ouvert, ce composant est

également le siège de pertes nulles car , cette fois ci , c’est le

courant qui est nul donc ,VAK*IAK=VAK*0=0

Par contre , à l’ouverture ou à la fermeture du composant, la

tension et le courant ne sont pas simultanément nul (ouverture

ou fermeture prennent un temps non nul)


DIODE DE PUISSANCE :PRÉSENTATION :

La diode de puissance est un composant non commandable (ni à la fermeture ni à

l’ouverture). Fonctionnement du composant parfait:

Le fonctionnement de la diode s’opère suivant deux modes:

➢ Si VAK > 0 : La diode est passante ( A + ; K - )

Equivalente à 1 interrupteur Fermé

➢ Si VAK < 0 : La diode est bloquée ( A - ; K + )

Equivalente à 1 interrupteur Ouvert

C’est un interrupteur automatique qui se ferme dés que VAK ˃0 et qui s’ouvre dés

que IAK=0


DIODE DE PUISSANCE :CRITÈRES DE CHOIX D’UNE DIODE :

Avant tout dimensionnement en vue de choisir les composants , l’étude du fonctionnement de la structure de conversion d’énergie permet de tracer les chronogrammes de VAK et IAK;

Ce sont les valeurs extrêmes de ces grandeurs qui sont prises en considération:

➢ La tension inverse de VAK à l’état bloqué ;

➢ Le courant moyen de IAK à l’état passant ;

➢ éventuellement , le courant maximal répétitif (sans durée prolongée)

Par sécurité de dimensionnement , on applique une marge de sécurité (de 1,2 à 2 ) pour ces grandeurs c’est avec ces valeurs que le choix du composant est réalisé.


DIODE DE PUISSANCE :PROTECTION DU COMPOSANT :

➢ Protection contre les surintensités:

Cette protection est assurées par un fusible ultra rapide (UR) dont la contraint thermique (I²t) est

plus faible que celle de la diode (si bien qu’il fond avant la diode).

➢ Protection contre les surtensions:

Les surtensions peuvent être atténuées en insérant un circuit RC-série en parallèle avec le

commutateur ou un élément non linéaire supplémentaire .


➢ Protection en dv/dt et di/dt:

Les semi conducteurs sont très sensibles aux variations brutales de tension et de courant qui

apparaissent lors des commutations .Contre les variations de courant ,on utilise une inductance (qui

retarde le courant ) tandis que le condensateur retarde la tension ; Pour amortir les oscillations

induites par le circuit LC, les circuit d’aide à la commutation (CALC ou snubber)ou adoucisseur

➢ Protection thermique:

En fonctionnement normal, la jonction PN encoure le risque d’atteindre une température trop élevée

(θmax donnée par le constructeur ).Pour palier cet inconvénient , le composant est monté sur un

dissipateur thermique ou « radiateur » pour assurer l’évacuation de l’énergie thermique.


TRANSISTOR BIPOLAIRE DE PUISSANCEPRÉSENTATION :

NPN ou PNP , le transistor de puissance existe essentiellement dans la

première catégorie. C’est un composant totalement commandé à la

fermeture et à l’ouverture .Il n’est pas réversible en courant , ne laissant

passer que des courant de collecteur Ic positifs. Il n’est pas réversible en

tension ,

Fonctionnement et états du transistor parfait :

➢ Transistor bloqué (B):état obtenu en annulant le courant Ib de

commande , ce qui induit un courant de collecteur nul et une tension Vce non

fixée . L’équivalent est un interrupteur ouvert entre le collecteur et

l’émetteur.

➢ Transistor saturé (S): ici , le courant Ib est tel que le transistor

impose une tension Vce nulle tandis que le courant Ic atteint une valeur limite

dite de saturation Icsat L’équivalent est un interrupteur fermé


Composant réel et limites de fonctionnement :

Le composant réel subit quelques différences par rapport à l’élément parfait

➢A l’état saturé :Le transistor est limité en puissance : courbe limite dans le plan (Vce,Ic)

l’hyperbole de dissipation maximale; Le courant maximal moyen de collecteur est donc

lui aussi limité (Icmax);

La tension n’est pas tout à fait nulle (Vcesat différent de 0)

➢A l’état bloqué :La tension Vce ne peut dépasser une tension (Vce0) qui provoquerait de

claquage de la jonction ;un courant résiduel dû aux porteurs minoritaires

circule dans le collecteur (Icb0)


MOS ET MOSFET DE PUISSANCE:PRÉSENTATION :

➢ Le transistor MOS est un composant totalement commandé

à la fermeture et à l’ouverture

➢ C’est le composant le plus rapide à se fermer et à s’ouvrir.

Il est classiquement utilisé jusqu’à 300KHz , voire 1MHz.

➢ C’est un composant très facile à commander . Il est rendu

passant grâce à une tension VGS positive (De l’ordre de 7V

à 10 V).

➢ La grille n’absorbe donc aucun courant en régime

permanent .

➢ La jonction drain source est alors assimilable à une

résistance très faible : Rds de mohm


Fonctionnement et modèles du composant parfait :

➢ Transistor ouvert(O): état obtenu en annulant la tension Vgs de

commande , procurent une impédance drain source très élevée

, ce qui annule le courant de drain Id . L’équivalent est un

commutateur ouvert .

➢ Transistor saturé (F): une tension Vgs positive rend Rds très

faible et permet au courant Id de croitre . L’équivalent est un

commutateur fermé


TRANSISTOR IGBT: LE MARIAGE DU BIPOLAIRE ET DU MOS

Le transistor IGBT (insulated Gate Bipolar Transistor) est

l’association d’un transistor bipolaire (collecteur et

émetteur) et d’un transistor MOSFET . Il associe les

performances en courant entre collecteur et émetteur (la

faible chute de tension collecteur émetteur =0,1V) et la

commande en tension par sa grille qui nécessite un

courant permanent quasiment nul.


THYRISTOR ORDINAIRE :PRÉSENTATION :

Le thyristor est un composant commandé à la fermeture , mais

pas à l’ouverture .

Il est réversible en tension et supporte des tensions VAK aussi

bien positives que négatives lorsqu’il est bloqué .

Il n’est pas réversible en courant et ne permet que des

courants IAK positifs, c’est-à-dire le sens anode cathode , à

l’état passant .


Fonctionnement du composant parfait :

Caractéristique et fonctionnement :

Le composant est bloqué si le courant IAK est nul tandis que la

tension VAK est quelconque .

➢ L’amorçage (A) est obtenu par un courant de gâchette Ig

positif d’amplitude suffisante alors que la tension VAK est

positive .

➢ L'état passant est caractérisé par une tension VAK nulle et

un courant IAK positif .

➢ Le blocage (B) apparait dés annulation du courant IAK

(commutation naturelle) ou inversion de la tension Vak

(Commutation forcée ).


Composant réel :

Caractéristique et limites de fonctionnement :

Le fonctionnement réel est , comme pour une diode , caractérisé par ses deux états :

➢A l’état passant , Vak=0, Le courant direct est limité

par le courant direct maximal.

➢A l’état bloqué, Iak=0, la tension inverse est limitée

(phénomène de claquage par avalanche ) par la tension

inverse


THYRISTOR GTO (GATE TURN OFF):PRÉSENTATION:

Le thyristor GTO est composant commandé à la fermeture et à l’ouverture .

Il réversible en tension et supporte des tensions VAK aussi bien positives que

négatives lorsqu’il est bloqué. Il n’est pas réversible en courant et ne permet

que des courants IAK positifs , c’est-à-dire dans le sens anode cathode , à

l’état passant


THYRISTOR GTO (GATE TURN OFF):PRÉSENTATION:

Le symbole comprend deux gâchettes , une pour la fermeture de

l’interrupteur et une pour l’ouverture ; Dans la réalité , la même

gâchette sert à injecter le courant gâchette cathode pour

commander la fermeture de l’interrupteur et à extraire un courant

gâchette cathode pour ouvrir l’interrupteur.

Un thyristor GTO ne peut couper un courant supérieur (en valeur

instantanée) à une valeur précisée par le fabriquant .Cette valeur

maximum est actuellement voisine de 1000A pour les GTO les plus

performants.

Chapitre 2 :

Convertisseur statique

Alternatif/ Continu


L’étude d’un montage redresseur porte sur :

· la recherche de la forme de la tension redressée vS : étude des semi-conducteurs en

conduction et de leur durée de conduction ;

· le calcul de la valeur moyenne de vS(t) ;

· le calcul de la valeur efficace VS de vS(t) ;

· le calcul du facteur de forme F et taux d’ondulation

Par définition, le facteur de forme F est :

Plus F tend vers 1, plus la tension redressée vS(t) peut être considérée comme continue.

Par définition, le taux d’ondulation est :

- Plus t tend vers 0, plus la tension redressée vS(t) peut être considérée comme continue.

s

s

V

VF

max mins sV V

Vs


• charge résistive :

)sin(ˆ tVv ee

Quelque soit l’état de la diode D,

on a : ve = ud + vs

ve(t) > 0, la diode D est passante ud = 0 V donc

Et

ve(t) < 0, la diode D est bloquée ud = ve donc

is = 0 et vs=0

vevs R

veis


Chronogrammes.

ve (t)

q [rad]p/2 3p/2

q [rad]

O

vs (t)

2p

eV̂

0

0

22

00

1 1 1

20 1

2

ˆˆ( ) .sin( ) . .cos( )

ˆ ˆ ˆ.cos( ) cos( ) . cos( )

TT

t T

es s e

t

e e e

VV v t dt V t dt t

T T T

V V VT

T T T

p

2 ˆ ˆ.

e es

V VV

T p D’où

Valeur moyenne de la tension redressée.


Valeur efficace de la tension redressée.

0 22 2

2 2 2 2

0 0

2 22

2

0

11 2

2

12

2 2 4

ˆˆ( ) . sin ( . ) . cos( )

ˆ ˆ. .sin( ) .

.s

T Tt T

es s e

T

T

e e

VVs v t dt V T V t dt t dt

T

V VV T t t T

w

D’où : 2

2

4 2

ˆe e

s s

V VV V

Facteur de forme

taux d’ondulation.

57.12ˆ

2

ˆ

p

pe

e

s

s

V

V

V

VF

14.3ˆ

0ˆminmax

p

p

eV

eV

V

VV

s

ss


Facteur de forme est supérieur à 1

Le taux d’ondulation est important Il faut réduire les ondulations

• charge inductive.

ve(t) > 0, la diode D est passante ud = 0 vS = ve

)sin(.ˆ)(.. wtVtviRdt

diL ees

s

Solution sans second membre associé

0.. ss iR

dt

diL

te

s

s

s Ct

idtdtL

R

i

di

)ln(.

1.

Avec K réel

Solution particulière :

. . . .( )s sj L I R I Vs Is R jL Ve

LwjR

eVsI

.

2 2( )

VeIs

R L

1 .tan ( )

L

R

2 2( ) . sin( ) .sin( )

( )

tVe

is t t eR L


2 22( ) . .sin( )

( )

Veis t t

R L

T

t

s eKti

.)(

Solution générale

Même ve(t) < 0 La diode D reste passante

tant que iS n’est pas redevenu nul. ud = 0 et

uR = ve < 0.

A t = t0 (l’instant de l’annulation du courant),

iS(t0) = 0 D se bloque ud= vS iS = 0 et

vS = 0

Important : pour2

Tt On a :

0)1())(sin(tan.)(

)2

( 21

22

T

L

R

eR

Lw

LwR

VeTis


ve (t)

q [rad]

p/2 3p/20

q [rad]

Vs (t)

is (t)

uD (t)

q [rad]

Chronogrammes.


La charge inductive introduit un retard à

l’installation et à la suppression du courant

Les performances du montage sont médiocres

- la tension redressée vS étant en partie négative

- sa valeur moyenne est diminuée par rapport au cas d’une charge résistive

Solution Diode de roue libre


• charge active.

ve(t) > 0 : Pour que la diode D soit passante,

il faut que ud soit positif, c’est-à-dire qu’il faut au moins ve > E.

Pour ve entre 0 et E, D est bloquée iS = 0, vS = E

(la batterie ne se charge pas) et ud = ve - E < 0.

Pour ve>E, D est passante vs = ve,

R

Eveis

(la batterie se charge et R sert à limiter l’intensité de charge) et ud = 0.

ve(t) < 0 : La diode D est polarisée en inverse et reste bloquée.

iS = 0, vS = E (la batterie ne se charge pas) ;

ud = ve - E < 0 ;


ve (t)

q [rad]p 2p

q [rad]

O

Ud (t)

is (t)

vs (t)

D passante D passante

q [rad]

E


Chronogrammes.

redressement double alternance : pont parallele double (PD2) ou pont de Graetz.

Sur charge résistive.ve (t)

q [rad]p 2p

q [rad]

q [rad]

q [rad]

q [rad]

O

uD2 (t)

uD1 (t)

vs (t)

Is (t)


pe

Tt

t

s

Vdttvs

TV

ˆ2)(

1 0

0

Valeur moyenne

TV

wtw

tV

TV

dtwtV

dttwVTsVdttvT

Vs

e

T

e

T

e

T

e

Tt

t

s

s .4

ˆ)2sin(.

.2

1

2

ˆ'.

)2cos(1.2

).(sinˆ'.)(1

22

0

22

2

0

22

0

222

'

20

0

2

ˆ

'.

4

ˆ)2sin(.

.2

1

'2

ˆ 22

0

2

2 es

e

T

e VV

T

TVwt

wt

T

VV s

Valeur efficace

facteur de forme

taux d’ondulation

11.12.2ˆ.2

2

ˆ

p

pe

e

s

s

V

V

V

VF

57.12ˆ.2

0ˆminmax

p

p

eV

eV

V

VV

s

ss


• charge inductive.

)(.. tviRdt

diLuu ss

sRL

Vs (t)

q [rad]p 2p

q [rad]

O

is (t)DiS


Plus l’inductance est grande, plus l’ondulation Dis du courant is est faible. En théorie, souvent

on suppose que L est suffisamment grande pour pouvoir considérer is comme constant et égal à

(logique car is(t) évolue autour de ).

sI

sI

Courant moyen dans la charge.

p.

ˆ.2.

R

eV

R

sVsIIR

dt

diIRV s

sss

Courant moyen dans une diode.

D2D1 II 2

Is

La bobine de lissage


Filtrage capacitif : Lissage de la tension.

Afin d’améliorer la tension redressée double alternance, on utilise un filtrage capacitif en plaçant

en parallèle sur R un condensateur de capacité C (souvent grande > 470 μF).


td : temps de décharge ;

tc : temps de charge. td + tc =

DvS : ondulation de la tension filtrée.2

T

Ondulation de la tension filtrée Dvs.

Pour obtenir une valeur approchée de l’ondulation rapidement, on

effectue les hypothèses suivantes :

la décharge de C est linéaire en fonction du temps; pour cela

t = R.C >> T et on assimile l’exponentielle à sa tangente à l’origine ;

cette tangente commence au sommet de la courbe vs(t) et on

suppose que td (td >> tc).

On a alors : 2

T

2

ˆ)tan(

T

vV se D

fCR

VVTv ee

s...2

ˆ

.2

ˆ.D


Pour diminuer l’ondulation il faut augmenter C puisque généralement , f et R sont fixés. Or, en

augmentant C, on diminue le temps de conduction des diodes (tc) qui doivent alors fournir le même

courant moyen :

pendant un temps très court, par conséquent il apparaît un «pic » de courant dans les diodes de plus

en plus important Þ risque de destruction des diodes.

R

V

R

vV

I s

se

s

D

2ˆ


Intensité maximale dans une diode.

Par exemple pour la diode D1 (et D4) on a iD1 = iC + iS.

R

V

R

vV

Ci s

se

te

s

D

2ˆ

Or, si t est grand, alors : vS Cte = et sV

R

vV

V

vwCVi

se

e

seD

2ˆ

)ˆ

1(sincos...ˆ 1

max

D

D

Tension inverse maximale pour une diode.

Si on assimile la tension redressée et filtrée aux bornes de C à sa valeur moyenne :

tese C

vV

D

2ˆ

Chaque diode est soumise en inverse à une tension maximale égale à :

2ˆ2)

2ˆ(ˆ sseeDinvMax

veV

vVVV

D

D

Pour >> Dvs VDINVMAX -2eV̂eV̂


redressement commandé :

redressement monoalternance commandé sur charge résistive :

Thyristor est parfait

Ve tension sinusoidale

la charge est une résistance

l’angle de retard à l’amorçageTt .2p


ve (t)

[V]

q [rad]

q [rad]

p 2pO0

vs (t)

iG(t)

Chronogrammes.

ee

e

Tt

t

s

VeVV

wteV

dV

deVdttvsT

V

ˆ.2

)cos(1)cos(1.

2

ˆ)cos()cos(

2

ˆ

)cos(..2

ˆ)sin(

2

ˆ)sin(.ˆ

2

1)(

12

0

0

0

p

pp

p

pqq

pqq

p

p

p p


la valeur moyenne de la tension vS

peut être ajustée en fonction de la

valeur de l’angle de retard à

l’amorçage .


Redressement double-alternance commandé.


Ve tension sinusoïdale


l’angle de retard à l’amorçage

On amorce th1 pendant l’alternance positive et th2

pendant l’alternance négative

Tt .2p


ve (t) [V]

q [rad]

q [rad]

p 2pO0

iG(t)

Vs (t)

is (t)

VTH1 (t)

Chronogrammes.


VV

dVdttvsT

V

s

Tt

t

s

ˆ)cos(1

).sin(.ˆ1)(

1 0

0

p

qqp

p

Traçons la valeur moyenne de Vs en fonction de l’angle de retard à l’amorçage

Pour = 0 rad, on retrouve la relation établie dans le cas du redressement non commandé


Pont P2 sur charge inductive.





On amorce th1 pendant l’alternance positive et th2 pendant l’alternance

négative

en conduction de TH2 étant retardée de T/2 par rapport à celle de TH1.

Tt .2p


q [rad]

q [rad]

q [rad]

p 2pO

q [rad]

Vs (t)

ITH1 (t)

Is (t)

IG (t)

Ve (t)

Chronogrammes.

2

p


la tension redressée vs est bidirectionnelle et is > 0 :

vs > 0 p = vs.is > 0, la charge reçoit de la puissance ;

vs < 0 p = vs.is < 0, la charge fournie de la puissance

(L restitue de l’énergie).

la charge n’est pas active 0 <p

p

p

qp

qqp

)cos(ˆ

).sin(.ˆ1)(

1 0

0

VdVdttvs

TV

Tt

t

s

)cos(.ˆ2

)cos()cos(ˆ

p

pp

VVVs

Valeur moyenne de la tension redressée

Traçons l’allure de = f() sVCalculons la valeur

Moyenne de is(t).

or

donc

Puissance échangée.

Avec

dt

diLIRV s

ss .

0dt

diL s

)cos(.

ˆ.2

pR

V

R

sVI s

)(cos.4

ˆ.4. 2

2

2

p

VIVIVP ssss

2

p


Pont mixte symétrique sur charge active.





On amorce th1 pendant l’alternance positive et th2

pendant l’alternance négative

en conduction de TH2 étant retardée de T/2 par

rapport à celle de TH1.

On suppose L suffisamment grande pour considérer

le courant dans la charge comme constant et

ininterrompu is =

Tt .2p

sI


Chronogrammes

ElémentsPassants

ve (t)

q [rad]

q [rad]

q [rad]

q [rad]

q [rad]

q [rad]

vS (t)

is(t)

iTH1 (t)

ID1 (t)

ie (t)

p/2 3p/2O p/2

TH1TH2 TH2 TH1

D2 D2D1

q Entre et pq Entre p et + pq Entre + p et 2pq Entre 2 p et 2p+



p

p

qp

qqp

)cos(ˆ

).sin(.ˆ1)(

1 0

0

eVdeVdttvs

TV

Tt

t

s

eVVsˆ.

)cos(1

p

Valeur moyenne du courant dans la charge.

Edt

diLIRV s

ss .

0dt

diL s

R

EeV

R

EsVI s

ˆ.)cos(1

p


Pont PD2 tout thyristor sur charge active réversible : moteur DC

ic (t)

ve (t)

q [rad]

p 2p0

Vs (t)

Quand la valeur moyenne de la

tension redressée devient négative

0

la vitesse de rotation s’inverse

'cos.ˆ2

. KIrV

IrVE se

ss p


Pont 2

quadrants

2 et 3

Pont 1

quadrants

1 et 4

Avec un seul pont le moteur fonctionne dans 2 quadrants mais avec deux pont peut fonctionner

dans les quatre quadrants


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