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ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Electronique de puissance (suite)Electronique de puissance (suite)

E. MATAGNEE. MATAGNE

[email protected]@uclouvain.be

ELEC 2753 Électrotechnique

2 ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Convertisseurs triphasés

Rappel de la notion de tension de phaseRappel de la notion de tension de phase


En triphasé, trois familles principales de convertisseursEn triphasé, trois familles principales de convertisseurs

• les redresseurs : triphasé vers DC ;les redresseurs : triphasé vers DC ;

• les onduleurs autonomes : DC vers triphasé ;les onduleurs autonomes : DC vers triphasé ;

• les gradateurs : triphasé vers triphasé, ils modulent sur chaque période les gradateurs : triphasé vers triphasé, ils modulent sur chaque période la durée de l’intervalle durant lequel chaque phase du récepteur est la durée de l’intervalle durant lequel chaque phase du récepteur est alimentée par le générateur.alimentée par le générateur.

Principales applicationsPrincipales applications

• dans l’industrie, alimentation à partir du réseau triphasé de moteurs à dans l’industrie, alimentation à partir du réseau triphasé de moteurs à vitesse variable (pompes, ventilateurs, manutention…) ;vitesse variable (pompes, ventilateurs, manutention…) ;

• dans le transport, alimentation à partir du réseaudans le transport, alimentation à partir du réseau

* des caténaires si elles sont en DC* des caténaires si elles sont en DC

* des moteurs asynchrones et synchrones de traction* des moteurs asynchrones et synchrones de traction

• dans les réseaux d’énergie, pour la production de puissance réactive et la dans les réseaux d’énergie, pour la production de puissance réactive et la compensation des harmoniques (correction des formes d’onde)compensation des harmoniques (correction des formes d’onde)


Redresseur à diodes sur charge fortement inductive

La valeur moyenne de la tension La valeur moyenne de la tension de sortie et la valeur efficace du de sortie et la valeur efficace du courant d’entrée sont faciles à courant d’entrée sont faciles à calculer dans ce cas (vous devez calculer dans ce cas (vous devez pouvoir le faire tant en monophasé pouvoir le faire tant en monophasé qu’en triphasé !).qu’en triphasé !).

Le facteur de forme du courant d’entrée Le facteur de forme du courant d’entrée est bien meilleur que dans le cas d’une est bien meilleur que dans le cas d’une charge capacitive !charge capacitive !


Redresseur à thyristors

On peut imposer un retard par rapport à l’instant On peut imposer un retard par rapport à l’instant de mise en conduction qui aurait lieu dans un pont de mise en conduction qui aurait lieu dans un pont de diodes. Ce retard est souvent exprimé en angle de diodes. Ce retard est souvent exprimé en angle (1 période = 360°).(1 période = 360°).

Sur charge inductive, la tension moyenne de sortie Sur charge inductive, la tension moyenne de sortie est proportionnelle au cosinus de cet angle. Elle est proportionnelle au cosinus de cet angle. Elle peut devenir négative si la charge maintient le peut devenir négative si la charge maintient le sens du courant (on renvoie alors de la puissance sens du courant (on renvoie alors de la puissance au réseau triphasé).au réseau triphasé).


Onduleur triphasé de tension (commande pleine onde)


Onduleur triphasé de tension(commande MLI)


Gradateurs (montage « étoile »)


Gradateurs (montage « triangle » sur charge résistive)

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Gradateurs (montage « triangle » sur charge inductive)


Calcul des pertes dans les semiconducteurs

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Introduction

Si les semiconducteurs étaient idéaux, ils ne dissiperaient pas Si les semiconducteurs étaient idéaux, ils ne dissiperaient pas d’énergie.d’énergie.

En pratique, ils occasionnent une perte de puissance qui cause, En pratique, ils occasionnent une perte de puissance qui cause, outre la baisse de rendement des convertisseurs, l’échauffement des outre la baisse de rendement des convertisseurs, l’échauffement des semiconducteurs.semiconducteurs.

Le courant de fuite qui traverse les semiconducteurs est souvent Le courant de fuite qui traverse les semiconducteurs est souvent très petit, et n’occasionne donc pas de pertes de puissance très petit, et n’occasionne donc pas de pertes de puissance significativessignificatives

On distingue donc deux types de pertesOn distingue donc deux types de pertes

• pertes de conduction liées au courantpertes de conduction liées au courant

• pertes de commutation (souvent négligeables à 50 Hz, mais pertes de commutation (souvent négligeables à 50 Hz, mais augmentent avec la fréquence).augmentent avec la fréquence).

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Pour évaluer les pertes, il faut déterminer l’évolution des courants et Pour évaluer les pertes, il faut déterminer l’évolution des courants et tensions dans les semiconducteurs. Comme les pertes sont tensions dans les semiconducteurs. Comme les pertes sont normalement petites, ceci se fait généralement sans tenir compte des normalement petites, ceci se fait généralement sans tenir compte des imperfections des semiconducteurs.imperfections des semiconducteurs.

On utilise alors ces évolutions pour calculer les pertes en tenant On utilise alors ces évolutions pour calculer les pertes en tenant compte de ces imperfections.compte de ces imperfections.

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Pertes de conduction

Une façon simple de calculer ces pertes est de modéliser la relation Une façon simple de calculer ces pertes est de modéliser la relation tension-courant du semi-conducteur à l’état passant sous la formetension-courant du semi-conducteur à l’état passant sous la forme

u = uu = useuilseuil + R + Rincinc i i

(Dans les MOSFETs, u(Dans les MOSFETs, useuilseuil est nul. Par contre, R est nul. Par contre, Rincinc est plus grand ) est plus grand )

La puissance dissipée vaut alors, en moyenneLa puissance dissipée vaut alors, en moyenne

<p> = <ui> = u<p> = <ui> = useuilseuil <|i|> + R <|i|> + Rincinc <i <i22> = u> = useuilseuil I Iredr. moy.redr. moy. + R + Rincinc I I22

Importance Importance de pouvoir calculer Ide pouvoir calculer Iredr. moy.redr. moy. et I pour diverses formes d’onde ! et I pour diverses formes d’onde !

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Pertes dues à la vitesse de commutation limitée

Idéalement, les changements d’état des semiconducteurs sont instantanées, et ne Idéalement, les changements d’état des semiconducteurs sont instantanées, et ne donnent donc pas lieu à une perte d’énergie. En pratique, il faut un certain temps (tdonnent donc pas lieu à une perte d’énergie. En pratique, il faut un certain temps (tonon) )

pour la mise en conduction et un certain temps (tpour la mise en conduction et un certain temps (toffoff) pour le blocage.) pour le blocage.

Pendant les commutations, le courant et la tension sont tous deux différents de zéro. Pendant les commutations, le courant et la tension sont tous deux différents de zéro.

Ainsi, lors de la mise en conduction, la tension passe d’une valeur u à une valeur 0 et le Ainsi, lors de la mise en conduction, la tension passe d’une valeur u à une valeur 0 et le courant d’une valeur 0 à une valeur i. En supposant que ces évolutions se font courant d’une valeur 0 à une valeur i. En supposant que ces évolutions se font simultanément (ou à la suite l’une de l’autre) et de façon linéaire en le temps, on calcule simultanément (ou à la suite l’une de l’autre) et de façon linéaire en le temps, on calcule sans peine (à faire comme exercice) que l’énergie dissipée estsans peine (à faire comme exercice) que l’énergie dissipée est

wwonon = u i t = u i tonon / 6 / 6 (ou w(ou wonon = u i t = u i tonon / 2) / 2) Très approché !Très approché !

On a de même wOn a de même woffoff = u i t = u i toffoff / 6 (w / 6 (woffoff = u i t = u i toffoff / 2 ) / 2 ) " " " "

Si ces phénomènes se répètent, la puissance moyenne perdue vaut (wSi ces phénomènes se répètent, la puissance moyenne perdue vaut (wonon + w + woffoff ) f . ) f .

En pratique, les pertes de commutation sont plus élevées que ce que prévoient ces En pratique, les pertes de commutation sont plus élevées que ce que prévoient ces formules car il faut tenir compte de l’environnement du composant.formules car il faut tenir compte de l’environnement du composant.

dtiuw ncommutatio

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Pour réduire les pertes de commutation, on a intérêt à réduire tPour réduire les pertes de commutation, on a intérêt à réduire tonon et t et toffoff . .

Les valeurs minimum de tLes valeurs minimum de tonon et t et toffoff sont parfois imposées par le sont parfois imposées par le

semiconducteur lui-même (ainsi, les mosfet sont plus rapides que les semiconducteur lui-même (ainsi, les mosfet sont plus rapides que les transistor bipolaires et les igbt).transistor bipolaires et les igbt).

Cependant, on utilise souvent les semiconducteurs avec des temps de Cependant, on utilise souvent les semiconducteurs avec des temps de commutation plus grands que ce que le semiconducteur permet, car une commutation plus grands que ce que le semiconducteur permet, car une commutation rapide est sourcecommutation rapide est source

• de surtension lors du blocage à cause des inductances « parasites » en de surtension lors du blocage à cause des inductances « parasites » en série avec le semiconducteursérie avec le semiconducteur

• de surcourant lors de la mise en conduction à cause notamment des de surcourant lors de la mise en conduction à cause notamment des capacités « parasites » en parallèle avec le semiconducteur.capacités « parasites » en parallèle avec le semiconducteur.

Pour commuter rapidement, il faut donc non seulement que le Pour commuter rapidement, il faut donc non seulement que le semiconducteur le permette, mais encore qu’il supporte la surtension et le semiconducteur le permette, mais encore qu’il supporte la surtension et le surcourant qui en résultera, ce qui augmentera son prix !surcourant qui en résultera, ce qui augmentera son prix !

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Augmentation des pertes de commutation dues au circuit

Si le semiconducteur est en série avec une inductanceSi le semiconducteur est en série avec une inductance , l’énergie , l’énergie accumulée dans cette inductance, soit Liaccumulée dans cette inductance, soit Li22 /2 si elle est linéaire, sera /2 si elle est linéaire, sera inclue dans winclue dans woffoff lors du blocage du semiconducteur. lors du blocage du semiconducteur.

Note : dans un circuit plus compliqué, considérer pour le calcul Note : dans un circuit plus compliqué, considérer pour le calcul l’inductance « vue » par le semiconducteur.l’inductance « vue » par le semiconducteur.

De même, si le semiconducteur est en parallèle avec une capacitéDe même, si le semiconducteur est en parallèle avec une capacité , , l’énergie accumulée dans cette capacité, soit Cul’énergie accumulée dans cette capacité, soit Cu22 /2 si elle est linéaire, /2 si elle est linéaire, sera inclue dans wsera inclue dans wonon lors de la mise en conduction du semiconducteur. lors de la mise en conduction du semiconducteur.

Note : dans un circuit plus compliqué, considérer pour le calcul la Note : dans un circuit plus compliqué, considérer pour le calcul la capacité « vue » par le semiconducteur.capacité « vue » par le semiconducteur.

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Lors du blocage d’une diode, celle-ci laisse passer momentanément un Lors du blocage d’une diode, celle-ci laisse passer momentanément un courant inverse, le temps d’extraire les porteurs qui la rendaient courant inverse, le temps d’extraire les porteurs qui la rendaient conductrice.conductrice.

La charge correspondant à cette impulsion de courant porte le nom de La charge correspondant à cette impulsion de courant porte le nom de charge recouvrée.charge recouvrée.

Cette charge occasionne des pertes de commutation non seulement dans la Cette charge occasionne des pertes de commutation non seulement dans la diode, mais aussi dans le semiconducteur commandé qui commute en diode, mais aussi dans le semiconducteur commandé qui commute en même temps que la diode (un peu comme si celui-ci voyait une capacité même temps que la diode (un peu comme si celui-ci voyait une capacité parasite). Lors de la commutation d’une tension u, on peut donc s’attendre à parasite). Lors de la commutation d’une tension u, on peut donc s’attendre à des pertes de commutation de l’ordre du produit qdes pertes de commutation de l’ordre du produit qrecrec u , à répartir u , à répartir

éventuellement entre deux semiconducteurs.éventuellement entre deux semiconducteurs.

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En réduisant les inductances et capacités « parasites », ainsi que la En réduisant les inductances et capacités « parasites », ainsi que la charge recouvrée des diodes, on réduit les pertes de commutation charge recouvrée des diodes, on réduit les pertes de commutation dues à ces éléments.dues à ces éléments.

En outre, cela permet de réduire tEn outre, cela permet de réduire tonon et t et toffoff , ce qui contribue aussi à , ce qui contribue aussi à

réduire les pertes de commutation.réduire les pertes de commutation.

Dans les circuits qui fonctionnent à fréquence élevée, les pertes de Dans les circuits qui fonctionnent à fréquence élevée, les pertes de commutation jouent un rôle important et on a donc tout intérêt à commutation jouent un rôle important et on a donc tout intérêt à réduire les inductances et capacités « parasites » par une réduire les inductances et capacités « parasites » par une réalisation soigneuse du câblage électrique, et à choisir des diodes réalisation soigneuse du câblage électrique, et à choisir des diodes à faible charge recouvrée.à faible charge recouvrée.

En pratique, on a intérêt à augmenter la fréquence de En pratique, on a intérêt à augmenter la fréquence de fonctionnement pour diminuer la taille des inductances et fonctionnement pour diminuer la taille des inductances et capacités, mais on est limité dans cette voie par l’augmentation capacités, mais on est limité dans cette voie par l’augmentation des pertes de commutation : le choix de la fréquence résulte donc des pertes de commutation : le choix de la fréquence résulte donc souvent d’un compromis. souvent d’un compromis.

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Circuits d’aide à la commutation

Parfois, on munit les semiconducteurs d’un circuit d’aide à la Parfois, on munit les semiconducteurs d’un circuit d’aide à la commutation qui réduit les valeurs transitoires vues par le commutation qui réduit les valeurs transitoires vues par le semiconducteur ou « envoie ailleurs » l’énergie liée aux éléments semiconducteur ou « envoie ailleurs » l’énergie liée aux éléments parasites. Ce circuit est formé de condensateurs, inductances, diodes, parasites. Ce circuit est formé de condensateurs, inductances, diodes, résistances…résistances…

On peut alors utiliser un semiconducteur moins robuste (donc moins On peut alors utiliser un semiconducteur moins robuste (donc moins cher ou plus facilement disponible), mais au prix d’un circuit cher ou plus facilement disponible), mais au prix d’un circuit supplémentaire. De plus, l’énergie liée aux éléments parasites est supplémentaire. De plus, l’énergie liée aux éléments parasites est souvent perdue car dissipée dans ce circuit, ce qui soulage le souvent perdue car dissipée dans ce circuit, ce qui soulage le semiconducteur mais n’améliore pas le rendement du dispositif.semiconducteur mais n’améliore pas le rendement du dispositif.

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Choix de composants

Les composants doivent non seulement pouvoir supporter les valeurs Les composants doivent non seulement pouvoir supporter les valeurs de crête des tensions et des courants dont ils sont le siège, mais encore de crête des tensions et des courants dont ils sont le siège, mais encore pouvoir évacuer la chaleur dégagée.pouvoir évacuer la chaleur dégagée.

L’évacuation de la chaleur ne dépend pas uniquement du L’évacuation de la chaleur ne dépend pas uniquement du semiconducteur, mais aussi du radiateur (ou autre dispositif de semiconducteur, mais aussi du radiateur (ou autre dispositif de refroidissement) sur lequel il est fixé, ainsi que de la température du refroidissement) sur lequel il est fixé, ainsi que de la température du milieu vers lequel on évacue la chaleur produite.milieu vers lequel on évacue la chaleur produite.

On trouve dans les datasheets des fabricants la donnée de la On trouve dans les datasheets des fabricants la donnée de la température de jonction acceptable (pour une durée de vie donnée) et température de jonction acceptable (pour une durée de vie donnée) et la valeur de la résistance thermique jonction-boîtier (qui n’est qu’une la valeur de la résistance thermique jonction-boîtier (qui n’est qu’une partie de la résistance thermique jonction-ambiante).partie de la résistance thermique jonction-ambiante).

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Évolution des composants

Le silicium ne peut fonctionner qu’à des températures inférieures à 120 .. Le silicium ne peut fonctionner qu’à des températures inférieures à 120 .. 160 °C . On cherche à le remplacer par d’autres matériaux 160 °C . On cherche à le remplacer par d’autres matériaux semiconducteurs, notamment le carbure de silicium qui peut fonctionner à semiconducteurs, notamment le carbure de silicium qui peut fonctionner à 300°C.300°C.

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pertes dans

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