Chapitre 1 : Rappel sur les composants de puissance (PDF)

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Les composants de puissance chapitre I Chapitre I Rappel sur les composants de puissance -1- Les composants de puissance chapitre I Chapitre I Rappel sur les composants de puissance 1. Introduction générale : La mise au point des redresseurs de puissance, diodes, thyristors et transistors et les applications de ces composants représentent un intérêt considérable dans le domaine de l’électronique industrielle. Cette technique d’ordinaire appelée électronique de puissance permet de mettre en jeu des puissances importantes et considérable pour développer des fonctions industrielles de base, nécessaires dans des multiples domaines, exemple:  entraînements réglés,  variation de vitesse,  usines et réseaux électriques,  alimentation auxiliaires de secours,....etc. Donc, il est devenu nécessaire de traiter cette technique distinctement de ces voisines: électrotechnique classique et électronique général. Les circuits développés, appelé convertisseurs statiques, permettent non seulement d’effectuer à moindre coût les différents réglages cités ci-dessus, mais de modifier la présentation de l’énergie électrique:  Alternatif en Continu (redresseurs),  Continu en Alternatif (onduleurs),  Alternatif en Alternatif direct (gradateurs, cyclo-convertisseurs..etc.)  Alternatif en Alternatif indirect (convertisseurs de fréquence.)  Continu en Continu direct (hacheur dévolteur ou survolteur)  Continu en Continu indirect (convertisseurs de tension) Avec la possibilité dans certains convertisseurs de varier la fréquence ou le niveau de tension et/ou de courant (amplification). Les convertisseurs statiques sont réalisés à partir de composants de puissance qui permettent le transit de courants de valeurs souvent élevées (jusqu’à de kA) et peuvent avoir à leurs bornes des tensions tout aussi élevées (jusqu’à des kV). Ces valeurs de tension et de courant -2- Les composants de puissance chapitre I ne peuvent exister en même temps sinon la puissance dissipée dans le composant entraînerait sa destruction immédiate. 2. les composants de puissances On peut grouper les composants utilisés dans les convertisseurs statiques en 3 catégories :  Les diodes  Les thyristors (Silicon-Controlled Rectifier : SCR)  Les transistors de puissance 2.1. Les diodes : Une diode est un élément non commandé composé de 2 couches de matériaux semi- conducteur dopé (Silicium ou germanium). Le dopage permet d’obtenir des semi-conducteurs à trous chargés positivement ou chargés de porteuse négative. Les symboles d’une diode sont représentés figures 2.1.a et b. Anode A P N Cathode K (a) (b) Figure 2.1 a) Les caractéristiques statiques d’une diode : Elles sont données dans la figure 2.2 , avec : VF : tension directe IF : courant direct VRRM : tension inverse maximale répétitive VRSM : Tension inverse maximale non répétitive. En conduction la tension directe aux bornes de la diode est de l’ordre de 0.8 à 1 volt. On trouve des diodes qui supportent un courant direct : Ia = 2000 A, et des tensions inverse jusqu’à 4000 volts. -3- Les composants de puissance chapitre I Figure 2.2 b) Les caractéristiques dynamiques : On fait l’hypothèse que l’amorçage et le blocage se font à dIa/dt =constant b.1) Amorçage (figure 2.3): Il y aura une surtension aux bornes de la diode et une puissance dissipée non négligeable. b.2) Blocage (figure 2.4) : Il y aura un courant inverse dans la diode d’une valeur non négligeable IRM. La tension de recouvrement VRM qui est en fonction de dir/dt est très élevée. Si VRM > VRSM , il faut protéger la diode par un réseau RC à ses bornes. On appelle TOFF la période de recouvrement inverse. En général, l’ordre de valeurs des temps de blocage et d’amorçage est : - TON = 1 µs - TOFF= 25 à 100 ns pour les diodes rapides, jusqu’à quelques µs pour les diodes lentes. -4- Les composants de puissance chapitre I Figure 2.4 c) Critères de choix d’une diode de puissance :  VRM maximale  VF minimale  TON et TOFF minimaux  IF : (courant direct )  IFSM : courant direct de pointe ( sur une durée)  IFRM : courant direct de pointe répétitif. d) Blocage d’une diode : Pour qu’une diode se bloque, il faut que le courant qui le traverse s’annule ; Ia = 0. 2.2. Les thyristors : Le thyristor est un élément commandé en courant. On trouve une famille des thyristors : - thyristors classiques (SCR) - TRIAC : bidirectionnel (équivalent à 2 thyristors tête - bêche) - Photo thyristor - GTO : « Gate Turn Off thyristor » qui est un thyristor commandé en amorçage et en blocage. Il est composé de 4 couches PNPN formant 3 jonctions Ja, Jc et Jk (figure 2.5.a) et par analogie on obtient la figure (2.5.b). Les symboles d’un thyristor sont donnés dans la figure (2.5.c). (a) (b) (c) Figure 2.5 -5- Les composants de puissance chapitre I a.1) Caractéristiques statiques:  En inverse, ces caractéristiques sont identiques aux caractéristiques de la diode (figure 2.6).  En direct : Si le courant de la gâchette est ‘Ig = 0 ‘ et on applique certaine tension assez importante VB0, le thyristor s’amorce effectivement et on aura VD=0.8 V en conduction. Pour ‘Ig = Ig1 > 0 ‘ le thyristor s’amorce pour une tension directe VB1 < VB0. Pour ‘Ig = Ign suffisant, VBN est très faible (conduction comme une diode). Figure 2.6 a.2) Caractéristiques dynamiques:  Amorçage : Amorçage n’est pas instantané quand Ig > 0. Il se divise en 2 intervalles de temps : Td (temps de retard) = 1µs à 0.2 µs selon la valeur de Ig. Ia arrive à 10% de IF et VAK baisse de 10% Tr (temps de basculement). Ia arrive à 90% de IF et VAK baisse jusqu’au 10% de sa valeur maximale. Le temps de commutation est : Ton= Td+Tr Ton = 1 à 6 µs Il reste un intervalle de temps Tw (temps de saturation) à la fin duquel le thyristor passe en régime de conduction. Il faut que la largueur d’impulsion t sur la gâchette soit suffisante pour que Ia dépasse la valeur du courant d’accrochage IL (Latching current), sinon, il n’y a pas d’amorçage du thyristor après la disparition de l’impulsion. -6- Les composants de puissance chapitre I Figure 2.7  Blocage (figure 2.8): Le temps de blocage est composé de 2 intervalles : Trr: temps de recouvrement inverse Tgr: temps de recouvrement de la gâchette. Tgr > Trr TOFF = Trr + Tgr TOFF= 5 µs à 400 µs TOFF dépend du : - Courant direct Ia - dI/dt et dV/dt - Température de la jonction - Tension inverse - Tension directe Figure 2.8 -7- Les composants de puissance chapitre I a.3) Limites d’utilisation des thyristors : La mise en œuvre d’un thyristor nécessite la connaissance de nombreux paramètres, on peut citer à titre d’exemples : le thyristor SKT 300 SEMIKRON IT courant efficace à l’état passant : Ia =550A ITAV courant moyen à l’état passant : Imoy 300 A ITSM Courant de surcharge accidentelle (état passant) 10 000 A i2t donnée servant à dimensionner le fusible de protection 500 000 A2s dI/dt vitesse critique de croissance du courant 100 A/µs V RRM tension inverse de pointe = 800V V DRM tension directe de pointe=800V dV/dt vitesse critique de croissance de la tension 200 V/µs VGT tension de gâchette 3V IGT courant de gâchette 200 mA A partir de ces données et du mode de fonctionnement décrit, l’environnement d’un thyristor de puissance est constitué d’un système de commande de la gâchette, d’une inductance L pour éviter la variation brutale du courant, d’un condensateur pour limiter la variation de tension et d’un fusible. La figure 2.9 donne le schéma d’un thyristor protégé contre les di/dt et les dV/dt. Figure 2.9 En général :  dV/dt trop grand peut provoquer l’amorçage du thyristor : 20 (V / µs)  dV/dt  200 (V / µs)  Tension directe  VB0  Courant de maintient IH minimal (IH = 1 mA à 100 mA).  Température maximale de fonctionnement = 125° C  dIa/dt < 100 A / µs  dIg/dt < 500 mA/ µs  fréquence d’utilisation maximale : fmax < 1/(TON + TOFF + t(utile)) : f = quelques kHz.  Imax est fonction de TOFF et de la fréquence. 100 mA Ia  3000 A 100 V  VAK  4000 volts -8- Les composants de puissance chapitre I b) Les TRIACs : Un TRIAC est équivalent à 2 thyristors en parallèle tête-bêche. Il est utilisé dans les interrupteurs statiques et les gradateurs. On donne, dans la figure 2.10, la représentation et les caractéristiques statiques. (a) symbole (b) circuit équivalent (c) caractéristiques statiques Figure 2.10 c) Les G.T.O (Gate Turn Off) : Ils sont commandés au blocage ou à l'amorçage par la même gâchette. Donc les 2 états ON et OFF du composant sont contrôlé par le courant de la gâchette. Le symbole est donné dans la figure 2.11. Figure 2.11  Amorçage : Amorçage d’un GTO est identique à celle d’un thyristor classique  Blocage : Les étapes d’extinction sont différentes du cas d’un thyristor classique (figure 2.12). - Ts (quelques µs ) temps de stockage : Ia diminue de 10 %. - Tf ( < 1 µs) temps de descente : Ia diminue jusqu’à 10 % de IF. - D’ou le temps d’extinction par la gâchette est : Tgq = Ts + Tf - Ttail : pendant lequel le GTO laisse passer un courant de queue Itail. Note : pendant Tf, il y a une chute brutale du courant : dIa/dt = 10 A/s. Cela produit une -9- Les composants de puissance chapitre I surtension intolérable aux bornes du composant. D’où, on associe au GTO un circuit d’aide à la commutation CALC. Figure 2.12 2.4. Les transistors de puissance : Ils sont des transistors à commande classique (électronique analogique classique). Ils ont l’avantage d’être rapides en commutation et facile à contrôler notamment au blocage. On cite : Les transistors bipolaires, Les MOS et les IGBT. a) Les bipolaires ( Bipolar Junction Transistor BJT) : Ils sont composés de 3 couches PNP ou NPN, avec 2 jonctions. Figure 2.13 donne la structure et le symbole d’un BJT, Avec B : Base, C : Collecteur et E : Emetteur. Les bornes du C et E sont connectées au circuit de puissance. La borne B est connectée au signal de contrôle. - Si IB = 0 donc le transistor est bloqué (OFF) - Si IB > 0 (suffisamment) le transistor est en conduction (ON) Donc c’est le courant IB qui fixe l’état ON ou OFF du transistor. Le gain en courant dans le BJT (Ic / IB ) est environ 10. Donc pour Ic=100A, il faut IB = 10 A. Pour augmenter le gain, on réalise des montages Darlington, comme en figure 2.14, qui nous permet d’obtenir des gains en centaines. - 10 - Les composants de puissance chapitre I Figure 2.13 Figure 2.14 A l’amorçage et au blocage, les temps de commutation sont : TON = 1 µs et TOFF = 2 µs Donc on peut utiliser ces transistors pour des applications où la fréquence est de l’ordre de 100 kHz. A noter que ces transistors sont très délicats, et il faut les utilisés dans des limites spécifiques connu par le SOA (Self Operating Area : Aire de Sécurité). Cette aire est composée de 4 parties comme en figure 2.15, où : ab : limite du courant maximal bc : limite de la puissance dissipée maximale cd : limite par le claquage secondaire. C’est le cas où nous avons une forte tension et un courant élevé simultanément pendant le blocage, cela produit un point chaud dans la jonction ce qui est détériorant pour le composant. On utilise des circuits d’aide à la commutation (snubber) pour éviter ces problèmes. de : limite de la tension maximale On trouve des BJT à 1000 V et 500 A Figure 2.15 - 11 - Les composants de puissance chapitre I b) Les MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) : C’est composant très rapide en commutation, utilisé dans des applications jusqu’à 1 Mhz, mais à des faibles puissances (quelques kiloWatt). il porte d’autres noms : HEXFET (International rectifier) SIMMOS (Siemens) TIMOS (Motorola)... etc Le symbole est donné dans la figure 2.16, où : D : drain S : source et G : grille. Le courant passe du D au S, et le composant n’a pas la capacité de bloquer par une tension inverse et il est fournit toujours avec une diode. En opposition du BJT (qui est un composant qui commute des courants) le MOSFET est un contrôleur de tension en général. L’impédance d’entrée du circuit de la grille est extrêmement élevée, cela permet la commande du MOS directement à partir d’un CMOS ou un circuit logique TTL. D’où, le courant de la grille est très faible (inférieur à 1mA). Le MOSFET a un coefficient thermique positif pour la résistance, donc la possibilité d’un claquage secondaire est exclue. L’aire de sécurité du MOS est donnée dans la figure 2.17. Les limites du SOA sont : ab : limite du courant bc : limite des dissipations de la puissance cd : limite de la tension Le SOA peut être augmenté pour des opérations avec impulsions. Les MOSFETs commutent très vite en ON et OFF (inférieur à 50 ns), mais ils sont très sensibles aux pics des tensions (on ajoute des circuits snubber pour éliminer ces pics) Figure 2.16 Figure 2.17 Les pertes par commutation dans les MOS sont négligeables, mais la chute de tension aux bornes du MOS est importante pendant la conduction. Exemple : pour un élément 400V : U= 4V à 10 A. On trouve des MOSFETs à 500V, 10A, 50 ns, mais on les utilise en parallèle pour les courants élevés. - 12 - Les composants de puissance chapitre I d) Les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) : Un IGBT est considéré comme l’association d’un transistor bipolaire (BJT) piloté par un MOS dans une configuration pseudo-darlington. Figure 2.18 donne le symbole et le schéma équivalent. On associe l’intérêt du MOS (vitesse de commutation, courant crête, facilité de commande, aire de sécurité...etc.) au caractéristique d’un bipolaire (VF faible). TON = 100 ns environ, TOFF = 700 ns environ Figure 2.18 Temps de blocage de l’IGBT TOFF = Tr + Tc + Tt Tr : temps de retard (environ 100 ns) Tc : temps de coupure (environ 10 ns) Tt : Trainage (blocage du bipolaire ) = 600 ns environ La limite de fréquence de fonctionnement est de 50 Khz environ. L’aire de sécurité a une forme carrée. Figure 2.19 - 13 - Les composants de puissance chapitre I 2.5. Utilisation des composants dans les convertisseurs statiques: Par définition un semi-conducteur est un interrupteur statique unidirectionnel en courant. Dans certains convertisseurs on a besoin d’interrupteurs permettant le passage du courant dans les 2 sens; dans ce cas on utilise 2 composants élémentaires, identiques ou différents, montés en parallèle inverse ou autres combinaison des composants. On va rappeler les caractéristiques des composants : 2.5.1. Interrupteurs unidirectionnel en courant : La Diode : est un interrupteur unidirectionnel en courant,  à fermeture naturelle ou spontanée (amorçage dès que VAK devient positive),  à ouverture naturelle (il se bloque quand le courant qui était positif s’annule),  apte à bloquer des tensions négatives, Le thyristor : est un interrupteur unidirectionnel en courant,  à fermeture commandée, par l’alimentation de la gâchette,  à ouverture naturelle (il se bloque quand le courant qui était positif s’annule),  apte à bloquer des tensions négatives, On remarque que la diode est équivalente à un thyristor dont la gâchette est alimentée en permanent. Le thyristor GTO : est un interrupteur unidirectionnel en courant,  à fermeture commandée, par l’alimentation de la gâchette,  à ouverture commandée,  apte à bloquer des tensions négatives, Le transistor : fonctionnant en commutation est un interrupteur unidirectionnel en courant,  à fermeture commandée,  à ouverture commandée,  ne pouvant pas bloquer de tension inverse notable. Pour qu’il puisse bloquer une tension inverse, il faut placer une diode en série avec lui. 2.5.2. Interrupteurs bidirectionnels en courant : Le gradateur monophasé (figure 2.20): est un interrupteur bidirectionnel en courant,  à fermeture commandée,  à ouverture naturelle dans les 2 sens,  apte à bloquer une tension dans les 2 sens, Figure 2.20 - 14 - Les composants de puissance chapitre I - On utilise souvent le groupement d’un GTO ou d’un transistor avec une diode (figure 2.21). cet interrupteur bidirectionnel en courant est : à fermeture et ouverture commandées dans le sens direct, à fermeture spontanée dans le sens inverse (dès que VAK qui était positive devient nulle, l’interrupteur de ferme), apte à bloquer une tension dans les 2 sens, La diode empêche le fonctionnement à tension VAK négative. - Pour réaliser un interrupteur totalement commandé dans les 2 sens, il faut utiliser 2 GTO (figure 2.22.a). Cet interrupteur est: à fermeture et ouverture commandées dans les 2 sens, apte à bloquer des tensions directe et inverse, - Pour réaliser un interrupteur totalement commandé dans les 2 sens, avec des transistors, il faut grouper en parallèle inverse de deux ensembles transistors-diode en série. On utilise d’ordinaire un seul transistor inséré dans un pont à quatre diodes comme le montre la figure 2.22.b. Figure 2.21 Figure 2.22 2.7. Amélioration ou Changement de la nature d’une source : 1- Amélioration  Pour améliorer une source de courant continu, on ajoute une inductance supplémentaire en série. La f.e.m. d’induction L di/dt s’oppose aux variations de courant.  Pour améliorer une source de tension continue, on monte un condensateur entre ses bornes. Le condensateur empêche les discontinuités de la tension. Il fournit du courant quand u diminue. 2- Changement de nature  Pour obtenir une source de courant continu à partir d’une source de tension continue, on met en série avec celle-ci une inductance L de valeur suffisante (figure 2.23.a). L’inductance se charge ou se décharge sous l’effet des variations de u. Si L est suffisamment grande, les variations de i sont négligeables : di U  u  dt L  Pour transformer en source de tension continue une source de courant continu, on dérive aux bornes de celle-ci un condensateur de capacité C suffisante (figure 2.23.b). Les courants I et i ont même valeur moyenne. Le courant de charge ou de décharge de la capacité rend u moins sensible aux variations de i que C est plus important : du I  i  dt L - 15 - Les composants de puissance chapitre I (a) (b) Figure 2.23 - 16 -