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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
Convertisseurs statiques d’énergie
4
Chapitre 1 :
Rappels sur les composants
de l’électronique de puissance
Convertisseurs statiques d’énergie
Convertisseurs statiques d’énergie
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)
Convertisseurs statiques d’énergie
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)
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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.
Convertisseurs statiques d’énergie
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 .
Convertisseurs statiques d’énergie
➢ 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.
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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)
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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.
Convertisseurs statiques d’énergie
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 .
Convertisseurs statiques d’énergie
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 ).
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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.
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
Convertisseurs statiques d’énergie
• 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
Convertisseurs statiques d’énergie
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.
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
ve (t)
q [rad]
p/2 3p/20
q [rad]
Vs (t)
is (t)
uD (t)
q [rad]
Chronogrammes.
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
• 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 ;
Convertisseurs statiques d’énergie
ve (t)
q [rad]p 2p
q [rad]
O
Ud (t)
is (t)
vs (t)
D passante D passante
q [rad]
E
Convertisseurs statiques d’énergie
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)
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
• charge inductive.
)(.. tviRdt
diLuu ss
sRL
Vs (t)
q [rad]p 2p
q [rad]
O
is (t)DiS
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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).
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Valeur moyenne de la tension redressée.
la valeur moyenne de la tension vS
peut être ajustée en fonction de la
valeur de l’angle de retard à
l’amorçage .
Convertisseurs statiques d’énergie
Redressement double-alternance commandé.
Thyristor est parfait
Ve tension sinusoïdale
la charge est une résistance
l’angle de retard à l’amorçage
On amorce th1 pendant l’alternance positive et th2
pendant l’alternance négative
Tt .2p
Convertisseurs statiques d’énergie
ve (t) [V]
q [rad]
q [rad]
p 2pO0
iG(t)
Vs (t)
is (t)
VTH1 (t)
Chronogrammes.
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
Pont P2 sur charge inductive.
Thyristor est parfait
Ve tension sinusoïdale
la charge est une résistance
l’angle de retard à l’amorçage
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
Convertisseurs statiques d’énergie
q [rad]
q [rad]
q [rad]
p 2pO
q [rad]
Vs (t)
ITH1 (t)
Is (t)
IG (t)
Ve (t)
Chronogrammes.
2
p
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie
Pont mixte symétrique sur charge active.
Thyristor est parfait
Ve tension sinusoïdale
la charge est une résistance
l’angle de retard à l’amorçage
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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+
Convertisseurs statiques d’énergie
Valeur moyenne de la tension redressée.
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
Convertisseurs statiques d’énergie
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
Convertisseurs statiques d’énergie