Les composants de l'électronique de puissance

Transcription

1 Les composans de l'élecronique de puissance «Rien ne va de soi. Rien n es donné. Tou es consrui.» Gason Bachelard in «La Formaion de l espri scienifique». Résumé L élecronique de puissance uilise des composans semi-conduceurs pour réaliser les foncions de commuaion (inerrupeurs) chargées d adaper les ensions e les courans issus d un réseau de disribuion pour saisfaire les besoins de la charge à alimener. Les commuaeurs non commandés son réalisés par les diodes de puissance. Lorsque les applicaions nécessien une inervenion exérieure, les composans commandables enren en jeu : parmi ceux-ci, le documen se limie à l éude des hyrisors e des ransisors de puissance bipolaires ou MOS. Un bref aperçu du ransisor IGBT, plus moderne, es présené pour erminer. L éude de la diode de puissance commence par un rappel de ses foncions, considérée parfaie e foncionnan en commuaion. Une exension relaive aux imperfecions essenielles amène naurellemen aux crières de son dimensionnemen ou en précisan les moyens de sa proecion. Élémen majeur de l élecronique de puissance (en ous cas hisoriquemen), le hyrisor a un comporemen proche de la diode avec la propriéé d une conducion commandable élecriquemen. Suivan le même plan que précédemmen, sa descripion commence par l élémen parfai andis que les moyens d obenir sa conducion e son blocage, par commuaion naurelle ou forcée, son précisés. Les caracérisiques réelles imposen des condiions de foncionnemen plus conraignanes. Similaires à ceux de la diode, le choix e la proecion d un hyrisor en suiven les mêmes règles. Mais puisque ce composan es commandable, une large descripion des circuis de commande es réalisée : modèle élecrique de la broche de commande, naure des signaux de conrôle e précauion de l isolemen galvanique (abordée par des moyens élecromagnéiques ou élecro-opiques). Technologiquemen plus récen, le ransisor bipolaire supplane le hyrisor pour les applicaions de moyenne puissance. Il peu se comporer comme un commuaeur aisémen conrôlable à l ouverure e à la fermeure ce qui perme une commande plus aisée. Caracérisiques parfaies puis réelles permeen de fixer les élémens de choix e de proecion de ce composan. A l insar du hyrisor, les srucures e les modes de foncionnemen de la commande son précisés à la fermeure e à l ouverure. Les inerfaces ne son que rapidemen évoquées (sans êre éudiées) en s appuyan sur des exemples indusriels. Toujours dans la lignée des ransisors, le MOS appore une facilié de mise en œuvre accrue pour des performances rès proches des bipolaires. Pour erminer la descripion des composans principaux, le ransisor IGBT es rapidemen évoqué comme fusion des avanages des deux ransisors précédens. Pour erminer oalemen, la dernière parie évoque le moyen de consiuer un commuaeur réversible en couran par associaion d un ransisor e d une diode. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

2 Sommaire I. Inroducion... 3 II. Diode de puissance... 3 II.1. Présenaion...3 II.2. Foncionnemen du composan parfai...3 II.3. Composan réel e ses imperfecions...4 II.4. Crières de choix d une diode...4 II.5. Proecion du composan...4 III. Thyrisor... 5 III.1. Présenaion...5 III.2. Foncionnemen du composan parfai...5 III.2.1. Caracérisique e foncionnemen...5 III.2.2. Blocage par commuaion naurelle...6 III.2.3. Blocage par commuaion forcée...6 III.3. Composan réel...7 III.3.1. Caracérisique e limies de foncionnemen...7 III.3.2. Amorçage...7 III.3.3. Blocage...7 III.4. Choix d un hyrisor...7 III.5. Proecion du composan...8 III.6. Circuis de commande de gâchee...8 III.6.1. Modélisaion e commande de la gâchee...8 III.6.2. Mode de commande e précauions...8 III Isolemen galvanique magnéique par ransformaeur d impulsions (T.I.)...9 III Isolemen galvanique opique par opo-coupleur ou fibre opique...9 III.6.3. Circuis inégrés de commande...1 IV. Transisor bipolaire de puissance IV.1. Présenaion...11 IV.2. Foncionnemen du composan parfai...11 IV.2.1. Foncionnemen e éas du ransisor...11 IV.2.2. Composan réel e limies de foncionnemen...11 IV.3. Choix d un ransisor...12 IV.4. Proecion du composan...12 IV.5. Commuaion du ransisor...12 IV.5.1. À la fermeure...12 IV.5.2. À l ouverure...12 IV.5.3. Les peres dans le ransisor...13 IV.6. Inerfaces de commande...13 IV.7. Applicaion : analyse parielle d un monage indusriel...14 V. Transisor MOS e MOSFET de puissance V.1. Présenaion...14 V.2. Foncionnemen e modèles du composan parfai...14 V.3. Limies de foncionnemen...15 V.4. Circuis de puissance à ransisors MOS...15 VI. Transisor IGBT : le mariage du bipolaire e du MOS VII. Réversibilié en couran des ransisors VII.1. Représenaion par segmens...15 VII.2. Recherche de la réversibilié en couran...16 VII.3. Cas du hyrisor...16 YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

3 I. Inroducion L élecronique de puissance éudie les converisseurs saiques d énergie élecrique. Ils uilisen des composans de l élecronique à semi-conduceurs e des élémens linéaires. Pour conrôler des puissances élecriques imporanes, les composans son parcourus par des courans élevés aeignan le kiloampère sous des ensions imporanes avoisinan aisémen le kilovol. Toues ces conraines leur imposen de dissiper une puissance minimale duran leur foncionnemen. Pour assurer cee paricularié, les composans à semi-conduceurs foncionnen en commuaion (ils se comporen comme des commuaeurs (ie inerrupeurs) aussi parfais que possible. Les élémens linéaires son réacifs e non dissipaifs. Dans un converisseur, le choix d un ype de composan es basé sur sa commandabilié à l ouverure e à la fermeure, en ension ou en couran, e sa réversibilié. La réversibilié en ension es l apiude à supporer des ensions direces e inverses à l éa bloqué, andis qu en couran, il s agi de l apiude à laisser passer des courans direcs e inverses à l éa passan. L éude des converisseurs saiques es d abord réalisée en considéran les commuaeurs parfais, puis vien l approfondissemen en enan compe des imperfecions des composans. II. Diode de puissance II.1. Présenaion La diode de puissance (Figure 1) es un composan non commandable (ni à la fermeure ni à l ouverure). Elle n es pas réversible en ension e ne suppore qu une ension anode-cahode négaive (v AK < ) à l éa bloqué. Elle n es pas réversible en couran e ne suppore qu un couran dans le sens anode-cahode posiif à l éa passan ( > ). v AK Anode (A) Cahode (K) Figure 1 : Diode de puissance. II.2. Foncionnemen du composan parfai Le foncionnemen de la diode s opère suivan deux modes : diode passane (ou ON), ension v AK = pour > diode bloquée (ou OFF), ension = pour v AK < On di aussi que la diode a une caracérisique à deux segmens. Foncionnemen en inverse Caracérisique inverse Foncionnemen en direc v AK Caracérisique direce Figure 2 : Caracérisique de la diode parfaie. En résumé, une diode se compore comme un inerrupeur parfai don les commuaions son exclusivemen sponanées : il es fermé ON an que le couran qui le raverse es posiif (convenions de la Figure 1). il es ouver OFF an que la ension à ses bornes es négaive. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

4 II.3. Composan réel e ses imperfecions Le foncionnemen réel es oujours caracérisé par ses deux éas : à l éa passan : v AK, le couran direc es limié au couran direc maximal ; à l éa bloqué :, la ension inverse es limiée (phénomène de claquage par avalanche) à la ension inverse maximale. En inverse, le couran es faible Tension inverse maximale Avalanche Couran direc maximal En direc, V AK es faible v AK Figure 3 : Caracérisique de la diode réelle. II.4. Crières de choix d une diode Avan ou dimensionnemen en vue de choisir les composans, l éude du foncionnemen de la srucure de conversion d énergie perme de racer les chronogrammes de v AK e. Ce son les valeurs exrêmes de ces grandeurs qui son prises en considéraion : la ension inverse de v AK à l éa bloqué ; le couran moyen de (< >) à l éa passan ; évenuellemen, le couran maximal répéiif (sans durée prolongée). Par sécurié de dimensionnemen, on applique un coefficien de sécurié (de 1,2 à 2) à ces grandeurs. C es avec ces valeurs que le choix du composan es réalisé. (Cf. documen 1) II.5. Proecion du composan Proecion conre les surinensiés Cee proecion es assurée par un fusible ulra rapide (UR) don la conraine hermique (I 2.) es plus faible que celle de la diode. (Si bien qu il «fond» avan la diode.) Proecion conre les surensions Les surensions peuven êre aénuées en inséran un circui RC-série en parallèle avec le commuaeur (Figure 5) ou un élémen non linéaire supplémenaire, la diode ransil (Figure 5) : placée en parallèle avec l élémen ou en êe de l insallaion, elle dissipe l énergie de la surension. C R C R i K i K Figure 4 : Proecion avec circui RC. Figure 5 : Proecion avec diode ransil. Proecion en dv/d e di/d Les semi-conduceurs son rès sensibles aux variaions bruales de ension e de couran qui apparaissen lors des commuaions. Conre les variaions de couran, on uilise une inducance (qui rearde le couran) andis que le condensaeur rearde la ension (Figure 6). Pour amorir les oscillaions induies par le circui LC, les circuis d aide à la commuaion (CALC) ou adoucisseurs son insérés (Figure 7). YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

5 C D 2 L i K R 1 D 1 L C i K R 2 Figure 6 : Proecion avec inducance e condensaeur. Figure 7 : Proecion avec circui adoucisseur ou CALC. Proecion hermique En foncionnemen normal, la joncion PN encoure le risque d aeindre une empéraure rop élevée (θj max donnée par le consruceur). Pour palier ce inconvénien, le composan es moné sur un dissipaeur hermique ou «radiaeur» pour assurer l évacuaion de l énergie hermique. Après avoir calculé la puissance maximale dissipée par le composan (en uilisan son schéma équivalen : fcem ou {fcem + résisance}), on peu calculer la résisance hermique du radiaeur à insaller. (Cf. Fiche echnique «Proecion hermique des composans de puissance»). III. Thyrisor III.1. Présenaion Le hyrisor es un composan commandé à la fermeure, mais pas à l ouverure (Figure 8). Il es réversible en ension e suppore des ensions v AK aussi bien posiives que négaives. Il n es pas réversible en couran e ne perme que des courans posiifs, c es à dire dans le sens anodecahode, à l éa passan. Gachee (G) I G v AK Anode (A) Cahode (K) Figure 8 : Symbole du hyrisor. III.2. Foncionnemen du composan parfai III.2.1. Caracérisique e foncionnemen Le composan es bloqué (OFF) si le couran es nul (quelque soi la ension v AK ). Si la ension v AK es posiive, le hyrisor es amorçable. L amorçage (A) es obenu par un couran de gâchee i G posiif d ampliude suffisane alors que la ension v AK es posiive. L éa passan (ON) es caracérisé par une ension v AK nulle e un couran posiif. Le blocage (B) apparaî dès annulaion du couran. On ne peu pas commander ce changemen, mais on en disingue deux ypes : La commuaion naurelle par annulaion du couran ou la commuaion forcée par inversion de la ension v AK. Foncionnemen en inverse Foncionnemen en direc Thyrisor passan A v AK Thyrisor bloqué Thyrisor amorçable Figure 9 : Caracérisique du hyrisor. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

6 On peu remarquer que le hyrisor, à la différence de la diode, a une caracérisique à rois segmens, c es à dire qu une des grandeurs es bidirecionnelle (ici la ension). III.2.2. Blocage par commuaion naurelle Ce blocage inervien par exincion naurelle du couran anode-cahode. Th Le monage de la Figure 1 fourni un exemple de commuaion naurelle qui se radui par les chronogrammes de la Figure 11. u e i G R u s Figure 1 u e () Impulsions i G ψ π 2π ω u s () Le blocage es naurel π 2π ω Le hyrisor rese bloqué car v AK es négaive Figure 11 : chronogrammes illusran d une commuaion naurelle. III.2.3. Blocage par commuaion forcée Ce blocage es imposé par la mise en conducion d un aure composan, qui applique une ension négaive aux bornes du hyrisor, provoquan donc son exincion. Les deux hyrisors son iniialemen bloqués. Dès que ThP es amorcé, il condui e assure le couran i P dans la charge. E C ThP U c + I E I P ThE R Figure 12 : Monage avec circui d'exincion. u s Dès l amorçage de ThE, la ension v AK = u C es donc négaive e bloque ThP. Impulsion i GThP Impulsion i GThE u s () E 2E -u C < es appliquée aux bornes du hyrisor ThP i p () E/R Le couran i P s annule. E u C () E Figure 13 : Chronogrammes issus d'une commuaion forcée. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

7 III.3. Composan réel III.3.1. Caracérisique e limies de foncionnemen Le foncionnemen réel es, comme pour une diode, caracérisé par ses deux éas (Figure 14) : à l éa passan, v AK, le couran direc es limié par le couran direc maximal. à l éa bloqué,, la ension inverse es limiée (phénomène de claquage par avalanche) par la ension inverse maximale. Tension inverse maximale Couran direc maximal Avalanche Thyrisor bloqué I h Thyrisor passan A v AK Thyrisor amorçable Figure 14 : Caracérisique du hyrisor réel. III.3.2. Amorçage Pour assurer l amorçage du composan, l impulsion de gâchee doi se mainenir an que le couran d anode n a pas aein le couran de mainien I h. La largeur de l impulsion de gâchee dépend donc du ype de la charge alimenée par le hyrisor. Sa durée sera d auan plus imporane que la charge sera inducive (Figure 15). I H i G () I AK () Impulsion coure Impulsion longue Figure 15 : Évoluion du couran à l'amorçage. III.3.3. Blocage Après annulaion du couran, la ension v AK doi devenir négaive pendan un emps au mois égal au emps d applicaion de ension inverse q ( q 1 µs). Si ce emps n es pas respecé, le hyrisor risque de se réamorcer sponanémen dès que v AK end à redevenir posiive, même duran un cour insan (Figure 16). I AK v AK Réamorçage Durée < q Durée > q Figure 16 : Évoluion du couran au blocage. III.4. Choix d un hyrisor Après avoir éabli les chronogrammes de foncionnemen du hyrisor (v AK e ) dans le sysème envisagé, on calcule les valeurs exrêmes prises par : la ension inverse V RRM ou direce V DRM maximale de v AK (à l éa bloqué) ; le couran moyen I (= < > à l éa passan) ; le couran efficace I AKeff (à l éa passan). De la même manière que la diode, on applique un coefficien de sécurié (de 1,2 à 2) à ces grandeurs. C es avec ces valeurs que le choix du composan es réalisé. (Cf. documen 2). YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

8 III.5. Proecion du composan Proecion conre les surinensiés, les surensions, les variaions brusques e hermique Pas de différence avec celles d une diode. Le dimensionnemen sera raié comme si le hyrisor éai dans les pires condiions de conducion, lorsqu il es passan en permanance, donc équivalen à une diode. III.6. Circuis de commande de gâchee III.6.1. Modélisaion e commande de la gâchee La gâchee peu êre assimilée à une diode de grande résisance dynamique : ension de seuil V GK e résisance R GK (Figure 17). Pour provoquer l amorçage, on doi éablir dans la gâchee un couran i G de quelques cenaines de ma an que le couran d anode n a pas aein I h. A G G K K ig R GK v GK V GK Figure 17 : Modèle de la gâchee. Pour amorcer, on peu uiliser une impulsion simple. Mais une rafale d impulsions chacune suscepible d amorcer le composan (largeur suffisane) es préférable pour «palier les raés». III.6.2. Mode de commande e précauions L énergie à conrôler provien souven d un réseau sinusoïdal (en redressemen). Il fau donc que le(s) commuaeur(s) soi(en) mis en conducion de manière synchrone du réseau. Pour cela on déece le débu d une demi-période qui ser de référence (le «op zéro»). L amorçage du hyrisor es alors reardé par rappor à ce insan. De plus, les signaux de commande opèren à des niveaux de puissance faibles. Pour assurer un couran suffisan dans la gâchee, un éage amplificaeur adape les signaux issus de la commande. D aure par, les niveaux de ension de la parie puissance son élevés : la séparaion par un isolemen galvanique s impose. Enfin, dans les srucures élaborées, la disposiion des composans ne leur perme pas les mêmes références de poeniel. Des circuis d adapaion ou de décalage de niveau permeen des ensions de référence différens. Toues ces foncions s inègren dans l ensemble enre la commande e les gâchees (avan la puissance) pour consiuer le circui d inerface enre la commande e la puissance (Figure 18). Séparaion : Isolemen galvanique Références de ension différenes Inerface i G Réseau (ex 22 V 5 Hz) Inerface Charge i G Commande (élecronique) Passage à zéro Consigne : reard par rappor à zéro Figure 18 : Aperçu du redresseur e de sa commande YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

9 III Isolemen galvanique magnéique par ransformaeur d impulsions (T.I.) Un ransformaeur d impulsions (Cf. Documen 5) possède un circui magnéique en ferrie pour minimiser les peres fer. Son rappor de ransformaion es généralemen uniaire (Figure 19). Son uilisaion normale a lieu dans la zone linéaire du maériau magnéique. Là, les relaions qui s appliquen son : dφ u 1 = u 2 = N (Faraday) d Ni G =Rφ (Hopkinson). Cmde Dz D E u 1 () T i 1 N N i G u 2 () Le signal de commande perme au ransisor T d êre alernaivemen passan puis bloqué pendan chaque demi-période. Ni 1 Figure 19 : Commande par TI. Pendan l applicaion d une impulsion de commande à la base de T, la ension u 2 = u 1 = E apparaî au secondaire du TI pour créer le couran d amorçage i G : c es la phase de magnéisaion. Au blocage de T, les diodes D e Dz son ransioiremen passanes pour imposer une ension négaive au primaire du TI. Ceci provoque la décroissance puis l annulaion du flux : c es la phase de démagnéisaion. Exemple de care de commande indusrielle : la commande arccosinus Dans le cas de la commande d un redresseur, il fau assurer une évoluion linéaire de la ension moyenne de sorie du pon. L expression de celle-ci es proporionnelle au cosinus de l angle d amorçage. Si la commande d amorçage varie suivan une foncion arccosinus, la relaion enre la ension moyenne e la ension de commande exerne sera linéaire. Le schéma de la Figure 2 représene une care de commande de hyrisor uilisée dans un pon redresseur commandé. Le poeniomère P 1 perme de régler l angle d amorçage andis que e P 2 conrôle la largeur des impulsions de commande. R 2 Réseau élecrique indusriel f = 5 Hz v e R 1 C 1 - v U1 V ref1 U2 +E E P1 + v 2 C 2 R 3 +E v 3 T V ref2 P2 - + U3 v 4 R 4 R 5 +E +E T TI m = 1 R 6 u 2 () Th Figure 2: Commande arccosinus. III Isolemen galvanique opique par opo-coupleur ou fibre opique L isolemen galvanique de l impulsion de gâchee peu êre obenue par un inermédiaire opique : un opo-coupleur e/ou une fibre opique par exemple (Cf. Documens 6). Sur la Figure 21, le ransisor de sorie du composan es sauré lorsque la diode émissive envoie une énergie lumineuse suffisane. Il es bloqué sinon. +E 1 R 1 +E 2 + T Figure 21 : Isolemen galvanique par opo-coupleur. R 2 Th YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

10 L inconvénien majeur de cee soluion es la nécessié d une alimenaion isolée E 2 référencée par rappor à la cahode du hyrisor Th pour fournir l énergie nécessaire au déblocage (donc une alimenaion par composan si les cahodes ne son pas communes). Par conre, ce sysème possède l avanage de pouvoir ransmere des impulsions longues, e il es insensible aux perurbaions élecromagnéiques. Documen 6 : aures exemples d applicaion d opo-coupleurs. Remarque : pour les sysèmes foncionnan dans un environnemen perurbé sur le plan élecromagnéique, ou lorsque la disance enre la care de commande e le disposiif de puissance es imporan, l isolemen par fibre opique offre d excellenes performances. Le principe de foncionnemen es le même. III.6.3. Circuis inégrés de commande Avan l inerfaçage, le circui de commande de gâchee peu êre réalisé à l aide de composans discres. Mais ces srucures son aujourd hui oalemen supplanées par des circuis inégrés spécialisés qui peuven même parfois êre piloés par un microprocesseur ou un microconrôleur. La Figure 22 monre un exemple de composan rès répandu, le TCA785 de Siemens. Figure 22 : Circui TCA 785 (d après documen Siemens). YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

11 IV. Transisor bipolaire de puissance IV.1. Présenaion Parmi les deux ypes, NPN e PNP, le ransisor de puissance exise esseniellemen dans la première caégorie (Figure 23). Le ransisor es un composan oalemen commandé : à la fermeure e à l ouverure. Il n es pas réversible en couran, ne laissan passer que des courans de colleceur i c posiifs. Il n es pas réversible en ension, n accepan que des ensions v CE posiives lorsqu il es bloqué. i B V BE i C i E V CE Figure 23 : Transisor NPN de puissance. IV.2. Foncionnemen du composan parfai Le ransisor possède deux ypes de foncionnemen : le mode en commuaion (ou non linéaire) es employé en élecronique de puissance andis que le foncionnemen linéaire es pluô uilisé en amplificaion de signaux. Dans son mode de foncionnemen linéaire, le ransisor se compore comme une source de couran i C commandée par le couran i B. Dans ce cas, la ension v CE es imposée par le circui exérieur. La Figure 24 propose l évoluion des grandeurs enre le blocage, le foncionnemen linéaire e la sauraion. I Bsa I Csa i B i C v CE i B > i Csa /β Sauraion I C = βi B (linéaire) Figure 24 : Modes de foncionnemen. IV.2.1. Foncionnemen e éas du ransisor Transisor bloqué (B) ou OFF : éa obenu en annulan le couran i B de commande, ce qui indui un couran de colleceur nul e une ension v CE non fixée. L équivalen es un commuaeur ouver. Transisor sauré (S) ou ON : ici, le couran i B es el que le ransisor impose une ension v CE nulle andis que le couran i C aein une valeur limie die de sauraion, i Csa. L équivalen es un commuaeur fermé. i C B Transisor bloqué (OFF) Transisor passan (ON) S v CE Figure 25 : Caracérisique du ransisor parfai. Le ransisor es un composan «deux segmens» en raison de la forme de sa caracérisique. IV.2.2. Composan réel e limies de foncionnemen Le composan réel subi quelques différences par rappor à l élémen parfai (Cf. documen 3). A l éa sauré le ransisor es limié en puissance : courbe limie dans le plan (v CE, i C ), l hyperbole de dissipaion maximale ; le couran maximal moyen de colleceur es donc lui aussi limié (I Cmax ) ; la ension v CE n es pas ou à fai nulle (V CEsa ). YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

12 A l éa bloqué la ension v CE ne peu dépasser une ension (V CE ) qui provoquerai de claquage de la joncion ; un couran résiduel dû aux poreurs minoriaires circule dans le colleceur (I CB ). IV.3. Choix d un ransisor Après avoir éabli les chronogrammes de foncionnemen (v CE e i C ), on calcule les valeurs exrêmes prises par : la ension v CE (à l éa bloqué) ; le couran maxi i C (à l éa sauré). Par sécurié de dimensionnemen, on applique un coefficien de sécurié (1,2 à 2) à ces valeurs. Elles doiven êre supporées par le composan choisi. (Cf. Documen 3). On doi ensuie déerminer le couran i B (> i C /β) que doi délivrer la commande. IV.4. Proecion du composan Proecion conre les cour circuis Les fusibles ne son pas suffisammen rapides pour proéger les ransisors. En effe ceux-ci «claquen» rès rapidemen lorsque le couran dépasse I. La proecion es donc assurée par l inermédiaire d un circui élecronique qui mesure i C ou i E e inerromp la commande en cas de danger. Réglage du seuil de couran Commande de base + & Mesure de i E Figure 26 : Proecion du ransisor. T i E Proecion hermique La puissance dissipée, évacuée par un radiaeur, a deux origines : peres en conducion, <v CE.i C > à l éa sauré car ces grandeurs ne son pas nulles ; peres en commuaion, <v CE.i C > car pendan les commuaions courans e ensions coexisen. IV.5. Commuaion du ransisor Le passage de l éa sauré à l éa bloqué (ou inversemen) ne s effecue pas insananémen. Ce phénomène doi êre sysémaiquemen éudié si les commuaions son fréquenes (foncionnemen en haue fréquence), car il engendre des peres qui son souven prépondéranes. IV.5.1. À la fermeure Un reard de croissance de i C apparaî à la sauraion. Le consruceur indique le emps de reard (delay ime) noé d e le emps de croissance (rise ime) noé r (Figure 27). La ension v CE es alors imposée par le circui exérieur (charge, alimenaion) e par l allure de i C. IV.5.2. À l ouverure Le couran de colleceur i C ne s annule pas insananémen. Le consruceur indique le emps de sockage (sorage ime), noé s, correspondan à l évacuaion des charges sockées (ce emps dépend du coefficien de sauraion β.i B /i Csa ) e le emps de descene (fall ime) noé f (Figure 27). Remarque : dans la praique, les courans évoluen de manière pluô «arrondie». Pour en enir compe, les emps son référencés par rappor à 1% e 9% du maximum. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

13 i B I Bsa i C Sauraion I Csa I C v CE d r s f v CEsa p T Figure 27 : Définiions des durées relaivess à la commuaion du ransisor bipolaire. IV.5.3. Les peres dans le ransisor L allure des ension e couran permeen de déduire la forme de la puissance dissipée par le ransisor. Duran les périodes de conducion, la puissance dissipée es consane. Elle paricipe aux peres en conducion qui son sensiblemen consanes. Les légères penes de la puissance duran d e s ne son que raremen prises en compe, on considère alors cee puissance paricipe aux peres en conducion. Pendan les commuaions la puissance es une succession de paraboles. Cela consiue les peres en commuaion qui son d auan plus imporanes que la fréquence es élevée. IV.6. Inerfaces de commande La réalisaion d inerfaces de commande doi saisfaire plusieurs exigences, liées aux caracérisiques des ransisors bipolaires : le gain en couran des ransisors bipolaires éan faible, un couran de base imporan es souven nécessaire, d où la nécessié d un éage amplificaeur de couran à ransisors, pouvan comporer plusieurs ransisors en cascade ; pour assurer une désauraion rapide du ransisor de puissance (diminuion de s ), le circui d inerface doi êre capable d exraire les charges sockées dans sa base en faisan circuler un couran i b négaif à l insan du blocage (polarisaion négaive) ; Remarque : il exise d aures circuis ayan les mêmes bus e rassemblés sous l appellaion «circui d aide à la commuaion» ou CALC. dans le cas de circuis de puissances en pon, il arrive fréquemmen que les poeniels de la base de plusieurs ransisors soien «floans» (les références de ension son différenes). Le remède à cee siuaion es l isolemen galvanique enre la commande e l inerface. Les soluions les plus souven renconrées son les opo-coupleurs car les emps de commande pluô faibles son incompaible avec le produi E.τ des ransformaeurs d impulsions ; en oure, la plupar du emps, les circuis d inerface comporen cerains composans permean au ransisor principal une sauraion limiée (en empêchan son v CE de devenir rop faible). Ceci assure un blocage rapide du composan. On y rerouve égalemen des sysèmes de proecion en couran. On rouve mainenan des circuis inégrés qui assuren oues les foncions décries. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

14 IV.7. Applicaion : analyse parielle d un monage indusriel Ce schéma (Documen 7) présene une commande de ransisors de puissance (2 BUX24 en parallèle). Transisors T 1, T 2, T B, T D T 1 e T 2 : srucure Darlingon pour augmener le gain. T B : perme la commande de TP. T D : perme de bloquer la commande de T P par acion du disjonceur. Transisors T E, T A? Circui de la polarisaion négaive de la base de T P (iren le poeniel à une valeur négaive). Diode DAS Assure l évacuaion de charges de la base au blocage dde T P r 1, r c, C e diodes associées Circuis d aide à la commuaion (CALC). V. Transisor MOS e MOSFET de puissance V.1. Présenaion Le ransisor MOS es un composan oalemen commandé : à la fermeure e à l ouverure. Il es rendu passan grâce à une ension v GS posiive (de l ordre de quelques vols). La grille es isolée du rese du ransisor, ce qui procure une impédance grille-source rès élevée. La grille n absorbe donc aucun couran en régime permanen. La joncion drain-source es alors assimilable à une résisance rès faible : R DSon de quelques mω. On le bloque en annulan v GS, R DS devien alors rès élevée. i D Grille (G) Drain (D) Subsra v DS Source (S) v GS Figure 28 : Transisor MOS. V.2. Foncionnemen e modèles du composan parfai Transisor ouver (OFF) : Éa obenu en annulan la ension v GS de commande, procuran une impédance drain-source rès élevée, ce qui annule le couran de drain i D. La ension v DS es fixée par le circui exérieur. L équivalen es un inerrupeur ouver. Transisor fermé (ON) : Une ension v GS posiive rend R DS rès faible e perme au couran i D de croîre. L équivalen es un inerrupeur fermé. Remarque i D O Transisor bloqué Transisor passan F v DS Figure 29 : Caracérisique du ransisor MOS. A l insar du ransisor bipolaire, le ransisor MOS possède égalemen un mode de foncionnemen linéaire mais qui n es pas uilisé en élecronique de puissance. Il se compore alors comme une résisance (R DS ) commandée en ension (v GS ). YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

15 V.3. Limies de foncionnemen Comparables à celles des ransisors bipolaires (Cf. documen 4). De par sa echnologie, le ransisor MOS es enaché de moins de défaus que le bipolaire. Les grandes différence son : Une commande en ension plus aisée à réaliser. En régime saique, le couran de grille es quasi nul. Il n apparaî que duran les commuaions car la capacié de la joncion Grillesource impose des charges dans le circui de grille ; Peu de charges sockées car la echnologie n es pas bipolaire. En conséquence, en régime de commuaions, seules les durées r e f son influenes ; V.4. Circuis de puissance à ransisors MOS Les inerfaces son beaucoup plus simples que pour les ransisors bipolaires, car les ransisors MOS son commandés en ension (le couran de grille rès faible es sans influence). Ils peuven donc êre direcemen commandés par un simple circui numérique en logique TTL ou CMOS. Les seuls problèmes qui apparaissen son liés aux poeniels de source élevés ou floans. Les soluions adopées son les mêmes que pour les ransisors bipolaires (opo-coupleurs : Cf. Documen 6). Le documen 8 présene la commande d un ransisor MOS. VI. Transisor IGBT : le mariage du bipolaire e du MOS Le ransisor bipolaire assure une chue de ension à l éa passan (V CE ) plus favorable que le MOSFET. Par conre, c es le MOSFET qui es plus avanageux en raison de sa commande en ension. Un ransisor hybride, commande MOS en ension e circui de puissance bipolaire, perme de meilleures performances : c es le ransisor IGBT (Insulaed Gae Bipolar Transisor). Ses caracérisiques son reprises de celles du ransisor bipolaire : V CEsa e i Csa. VII. Réversibilié en couran des ransisors VII.1. Représenaion par segmens Les éas d un composan parfai foncionnan en commuaion son représenés par des demidroies coïncidan avec un axe (puisque soi le couran, soi la ension son nuls). La caracérisique ension-couran du composan se résume à un ensemble des segmens représenaifs du nombre d éas. On disingue deux éas au minimum e quare au maximum. Cee représenaion procure l avanage de décrire la réversibilié en ension e en couran en fournissan une indicaion claire de la «foncion» réalisée par le composan. De plus, suivan le nombre de segmens, on peu réaliser une classificaion des commuaeurs. Enfin, elle aide à la recherche de la foncion «hybride» obenue par assemblage de composan élémenaires. Les rois ypes de composans éudiés précédemmen peuven êre représenés par les caracérisiques de la Figure 3. On voi alors rès bien la réversibilié des grandeurs : Aucune pour la diode e le ransisor (couran e ension unidirecionnels) e une réversibilié en ension pour le hyrisor. i i i v v v Diodes : Deux segmens. Thyrisors : Trois segmens. Transisors : Deux segmens. Figure 3 : Représenaion des caracérisiques ension-couran à l aide de segmens. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance

16 VII.2. Recherche de la réversibilié en couran Les ransisors bipolaires e MOS son des composans deux segmens que l on pourrai aussi qualifier de «un quadran» : La ension e le couran son exclusivemen posiifs. On cherche à éendre leurs caracérisiques en les associan à d aures élémens pour en faire des commuaeurs réversibles en couran. L usage des caracérisiques par segmens aide à cee recherche. Sur la Figure 31, l assemblage réversible en couran conien le ransisor (à gauche) e un élémen (au cenre) qui se rouve êre par inversion du sens des grandeurs une diode placée en parallèle inverse (aniparallèle). Le schéma résulan es indiqué à la Figure 32 pour le bipolaire e à la Figure 33 pour le MOSFET. Il es à noer que le groupemen résulan n es pas réversible en ension. I T i i com v T v + = v com Transisor? = diode aniparallèle Associaion Figure 31 : Consrucion de l assemblage. i com (dans les 2 sens) i C > I D > i com i com (dans les 2 sens) i Dr > I D > i B V CE v com v DS V BE v GS Figure 32 : Transisor bipolaire rendu réversible en couran. Figure 33 : Transisor MOSFET rendu réversible en couran. VII.3. Cas du hyrisor Un raisonnemen similaire avec le hyrisor (Figure 34) es illusré par les caracérisiques de la Figure 35. On noera qu il s agi bien d un inerrupeur à rois segmens bidirecionnel en couran e pas en ension car la diode impose une ension nulle lorsque le couran es négaif : le segmen v com < ne peu apparaîre (pour ajouer ce segmen, il faudrai placer une diode en série avec le hyrisor) i com i com v AK v D v I com G I D Figure 34 : Thyrisor diode aniparallèle. i D i com v AK v D + = v com Thyrisor Diode aniparallèle Associaion Figure 35 : Associaion des caracérisiques par segmens. YC/RN ENPU1-Composans sepembre 4 V / 16 Les composans de l'élecronique de puissance