Composants de p l lélectronique de puissance

Transcription

1 Composants de l électronque de pussance

2 Plan II.1 Dode réelle et modèle parfat II.2 Crtères de chox II.3 Protectons III.1 Thyrstor réel et modèle parfat III.22 Modes de blocage III.3 Crtères de chox III.4 Commande du thyrstor P Prncpes et solutons ndustrelles t IV.1 Types/Fonctonnement IV.2 Lmtes et protectons IV.3 Pertes IV IV.4 Interfaces de commande IV.1 Types/Fonctonnement IV IV.2 Lmtes et protectons IV.3 Interfaces de commande VI. Transstor bpolare à grlle solée (IGBT) VII. Complément VI.1 Caractérstque par segments VI.2 Segments dans le cas de la dode, du thyrstor et des transstors VI.33 Recherche de la réversblté en courant Composants Introducton de à l électronque de de pussance 2/ 18 37

3 Introducton (1/3) Électronque de pussance Étude des convertsseurs statques d énerge électrque Énerge entrante Convertr l énerge électrque Énerge sortante Convertsseur statque Consttuton des convertsseurs (rappel) Composants réactfs (nductances couplées ou non, condensateurs) Éléments non dsspatfs (ne consomment pas de pussance actve) Composants sem-conducteurs Fonctonnement en commutaton de type «tout ou ren» Ils se comportent comme des nterrupteurs ouverts ou fermés Composants Introducton de à l électronque de de pussance 3/ 18 37

4 Introducton (2/3) Interrupteur Un «dpôle» comme les autres Symbole - Notatons Caractérstque statque (t) v(t) v < 0 États Ouvert Résstance très élevée (R ), Courant très fable ( 0) 0 v Fermé v < 0 Résstance très fable (R 0), Tenson très fable (v 0) Composants Introducton de à l électronque de de pussance 4/ 18 37

5 Introducton (3/3) Deux types de composants Non commandables L état est spontané Commandables À la fermeture Àl ouverture Composant u Composant Commande u Mode d étuded Fonctonnement : Composants parfats (sans pertes) Dmensonnement : Composant réel tenant compte des mperfectons Composants Introducton de à l électronque de de pussance 5/ 18 37

6 La dode Composant non commandé

7 La dode : Présentaton Symbole - Notatons AK En nverse, le courant AK est fable v AK Anode (A) Cathode (K) Caractérstque statque Tenson nverse maxmale Avalanche Quelques centanes de volts AK Courant drect maxmal En drect, V AK est fable v AK Quelques volts Tenson de seul II.1 Dode réelle et modèle parfat Deux états Dode passante (ON) v AK 0 et postve AK exste Interrupteur fermé Dode bloquée (OFF) v AK < 0 AK 0 Interrupteur ouvert Changements d étatst Mse en conducton : Transton OFF-ON Doc. 1 Ou «amorçage» Spontané : AK ou v AK devennent postfs Blocage : Transton ON-OFF Spontané : AK annule Composants Introducton de à l électronque de de pussance 7/ 18 37

8 La dode : Composant déalsé Dode parfate AK II.1 Dode réelle et modèle parfat Caractérstque nverse État OFF État ON v AK Caractérstque drecte Modèle utlsé pour les études de fonctonnement des convertsseurs Composants Introducton de à l électronque de de pussance 8/ 18 37

9 La dode : Chox du composant Caractérstque statque (rappel) Tenson nverse maxmale : AK Courant drect maxmal : I FM II.2 Crtères de chox Courant drect moyen V RRM Crtères «courant» RRM Tenson d avalanche v AK I FMoy (F pour forward=drect) Courant drect effcace (et/ou) I RMS (RMS pour Root mean Square) Courant drect maxmal répéttf Crtère «tenson» I FRM (R pour repettve) Tenson nverse maxmale répéttve V RRM Doc. 1 Composants Introducton de à l électronque de de pussance 9/ 18 37

10 La dode : Protectons contre les surntenstés et les surtensons (1/2) Contre les surntenstés Par fusble II.3 Protectons Contre les surtensons Crcut RC C K D R D Contre les varatons de tenson (dv/dt) Condensateur et/ou crcut RC Contre les varatons de courant (d/dt) : Inductance Exemples C Élément non lnéare (dode transl) L D D 2 transl transl v transl R 1 D 1 C R 2 D L D Composants Introducton de à l électronque de de pussance 10 / 18 37

11 La dode : Protectons thermques (2/3) Pertes de pussance : 2 orgnes État fxé : En conducton Changement d état t : En commutaton t II.3 Protectons Pertes en conducton Pertes en commutaton Modèle du composant Expresson de la pussance A V D0 r D K D Expresson de la pussance P cond = p( t) = V D 0 ( t) rd ( t) + 2 P = P OFF + P P com com 1 = 2 OFF ON + I D V t m ON OFF 1 f + 2 I D V t d f P cond = V 2 D0 I moy + rd I eff Pertes totale P d = P cond +P com : Échauffement Un dsspateur thermque lmte la température Composants Introducton de à l électronque de de pussance 11 / 18 37

12 La dode : Dsspateurs thermques (3/3) Analoge thermque - électrocnétque Chaîne thermque II.3 Protectons P d ( R thjb T J T B T R T A R thjb R thbr R thra + R + R ) P thbr thra d = T J T A = Δ T R thjb : Résstance thermque joncton-boîter Dépend du contact joncton-composant Valeur donnée par le constructeur R thbr : Résstance boîter-radateur Dépend du moyen de fxaton + : Serrage et grasse de slcone : Isolants électrques (mca) R thra : Résstance thermque radateur-ambant + : Surface de dsspaton mportante + : Radateurs de fable encombrement / grande surface d échange + : La convecton est favorable (ventlaton) Composants Introducton de à l électronque de de pussance 12 / 18 37

13 Le thyrstor : Présentaton Symbole Gachette (G) I G AK v AK Caractérstque statque Avalanche Thyrstor passant I h Anode (A) Cathode (K) AK A Thyrstor bloqué Doc. 2 Thyrstor amorçable v AK III.1 Thyrstor réel et modèle parfat Tros états Thyrstor amorçable v AK > 0 et AK 0 Interrupteur ouvert Thyrstor bloqué (OFF) Comme une dode : AK 0et v AK < 0 Interrupteur ouvert Thyrstor passant (ON) Changements d états Comme une dode : AK exste et v AK 0 Interrupteur fermé Amorçage (A) : Transton OFF-ON Courant de gâchette G quand v AK postve Blocage : Transton ON-OFF Spontané quand AK annule Composants Introducton de à l électronque de de pussance 13 / 18 37

14 Le thyrstor : Composant déalsé Thyrstor parfat AK III.1 Thyrstor réel et modèle parfat État ON A v AK État OFF État OFF Modèle utlsé pour les études de fonctonnement des convertsseurs Composants Introducton de à l électronque de de pussance 14 / 18 37

15 Le thyrstor : Blocage (1/2) Blocage par commutaton naturelle Schéma d étude Th AK III.2 Modes de blocage u e G R u s Étude Chronogrammes Composants Introducton de à l électronque de de pussance 15 / 18 37

16 Le thyrstor : Blocage (2/2) Blocage par commutaton forcée Schéma d étude ThP I P AK III.2 Modes de blocage E C + I E ThE R u s Chronogrammes U c Étude Composants Introducton de à l électronque de de pussance 16 / 18 37

17 Le thyrstor : Chox du composant Caractérstque statque (rappel) AK III.3 Crtères de chox Tenson nverse Crtères «courant» maxmale : Courant V RRM drect conducton permanente maxmal : I FM Courant drect moyen (I FMoy ) Les mêmes que la dode : Thyrstor en Tenson Courant drect effcace (I I RMS ) h d avalanche v AK Courant drect maxmal répéttf éttf (I FRM ) Crtères «tenson» Mêmes contrantes que la dode : Tenson nverse maxmale répéttve (V RRM ) Protecton du thyrstor Les mêmes protectons que la dode Doc. 2 Composants Introducton de à l électronque de de pussance 17 / 18 37

18 Le thyrstor : Prncpes de commande (1/2) Schéma équvalent du crcut de gâchette A G R GK G III.4 Commande du thyrstor - Prncpes G K K v GK V GK0 Quand commander l amorçage? En accord avec le réseau snusoïdal (en redressement) : Synchronsaton Attendre le passage à zéro du réseau Cet nstant sert de référence (le «zéro») L amorçage du thyrstor est retardé par rapport à cet nstant Illustraton/Exemple Séparaton électrque : Isolement galvanque Interface Réseau (ex 220 V 50 Hz) Interface G G Références de tenson dfférentes Charge Commande (électronque) Passage à zéro Consgne : retard par rapport à zéro Composants Introducton de à l électronque de de pussance 18 / 18 37

19 Le thyrstor : Prncpes de commande (2/2) Séparer la commande et la pussance Pour la sécurté des personnes Pour la sécurté du matérel Doc. 5a/b Isolement galvanque Isolement magnétque par transformateur d mpulson (TI) L ntermédare t est magnétque Transformateur Se référer à la commande d un TI III.4 Commande du thyrstor - Prncpes Cmde +E 1 Dz D E u 1 (t) T 1 G N N u 2 (t) Le sgnal de commande permet au transstor T d être alternatvement passant pus bloqué pendant chaque dem-pérode. R 1 +E 2 + Isolement optque par opto-coupleur L ntermédarel est optque (nfra-rouge) rouge) Opto-coupleur Crcut d émsson Doc. Crcut t de récepton 6 T R 2 Th Composants Introducton de à l électronque de de pussance 19 / 18 37

20 Le thyrstor : Commande ndustrelle Crcut ntégré de synchronsaton avec le réseau d almentaton Crcut TCA 785 (Semens) Assure la détecton du zéro secteur Broche de V SYNC Délvre l enveloppe des mpulsons de gâchette 2 groupes de thyrstors commandables Assocer l solement galvanque (magn., optque) III.4 Commande du thyrstor Commande ndustrelle Composants Introducton de à l électronque de de pussance 20 / 18 37

21 Le transstor Composant commandé

22 Transstor bpolare : Présentaton (1/2) 2 types de transstors Symboles Type NPN IV.1 Types/Fonctonnement Type PNP C C B V CE NPN : Courants et tensons postfs B V CE PNP : Courants et tensons négatfs V BE E V BE E Le seul transstor utlsé en EnPu Proprétés prncpales du transstor NPN (seul décrt) Commandé à la fermeture (OFF-ON) à l ouverture (ON-OFF) Non réversble en courant Seul un courant de collecteur postf Non réversble en tenson Seule une tenson v CE postve est supportée CE p Composants Introducton de à l électronque de de pussance 22 / 18 37

23 Transstor bpolare : Présentaton (2/2) Modes de fonctonnement B = C = 0 Transstor bloqué Interrupteur ouvert B C proportonnel à B : C = β B Transstor en régme lnéare C ne change pas : C = Csat Transstor saturé IV.1 Types/Fonctonnement Bsat Csat Interrupteur fermé 0 0 C C = β B B > Csat /β t c constant t Concluson Satsfare la condton de non dsspaton C = 0 quand v CE exste : p = 0 v CE = 0 quand C exste : p = 0 Mode de fonctonnement utlsé en EnPu Fonctonnement tout ou ren : En commutaton 0 v CE t Composants Introducton de à l électronque de de pussance 23 / 18 37

24 Transstor bpolare : Fonctonnement «parfat» Fonctonnement en commutaton : 2 états Transstor bloqué (OFF) C =0etv CE exste Interrupteur ouvert Transstor passant (ON) C = Csat et v CE =0 Interrupteur fermé Changements d états : Transtons OFF-ON : Mse en conducton B > Bsat ON-OFF : Blocage B = 0 IV.1 Types/Fonctonnement Caractérstque tenson-courant C B Transstor passant (ON) S v CE Transstor bloqué (OFF) Composants Introducton de à l électronque de de pussance 24 / 18 37

25 Transstor bpolare : Lmtes de fonctonnement «réelles» À l état ON Lmte en pussance p =v CE. C < P max Courant de collecteur moyen maxmal I Cmoymax Tenson C-E Ede saturaton t A l état OFF v CEsat de quelques volts Tenson collecteur-émetteur maxmale À l état OFF : v CEmax Courant de collecteur résduel («fute») Chox d un transstor I C0 très pett (souvent néglgé) IV.2 Lmtes et protectons Protectons En courant : Acton rapde Réglage du seul de courant Commande de base + & Mesure de E T E Courant de collecteur moyen : I Cmoy Tenson maxmale collecteur-émetteur V CE max Doc. 3 Thermque Dsspateur comme dodes et thyrstors Composants Introducton de à l électronque de de pussance 25 / 18 37

26 Transstor bpolare réel : Pertes en fonctonnement Chronogrammes des courants et tenson I Bsat 0 B C Saturaton IV.3 Pertes t Quatre durées typques t d : Temps de retard du courant I Csat I C0 0 t t r : Temps de montée du courant v CEsat 0 v CE t d t r t s t f t t s : Temps de stockage (prolongement du courant) 0 p T t t f : Temps de descente du courant Deux types de pertes Quand les grandeurs sont étables : Pertes en conducton Quand les grandeurs changent : Pertes en commutaton Composants Introducton de à l électronque de de pussance 26 / 18 37

27 Transstor bpolare : Interfaces de commande Fonctons réalsées par l nterface de commande Foncton F «amplfer» Courant de base du transstor Foncton «soler» Isolement galvanque entre la commande-pussance Foncton «adapter» Démagnétsaton rapde du crcut magnétque IV.4 Interfaces de commande MŒ entrante Interface Interface Almenter Dstrbuer Convertr transmettre Acton Chaîne d énerge Énerge d entrée MŒ sortante Composants Introducton de à l électronque de de pussance 27 / 18 37

28 Transstor MOS et MOSFET : Présentaton 2 types de transstors Symboles Canal N IV.1 Types/Fonctonnement Canal P Grlle (G) v GS D Dran (D) Substrat Source (S) v DS D Dran (D) Canal N : Grlle (G) Canal P : Courants et Courants et Substrat v tensons DS tensons postfs Source (S) négatfs v GS Le seul transstor MOS utlsé en EnPu Proprétés (transstor canal N, seul décrt) Commandé à la fermeture (OFF-ON) à l ouverture (ON-OFF) Non réversble en courant Courant de dran postf exclusvement Non réversble en tenson Tenson v DS postve seulement supportée Composants Introducton de à l électronque de de pussance 28 / 18 37

29 Transstor MOS MOSFET parfat : Fonctonnement Fonctonnement en commutaton : 2 états Transstor ouvert (OFF) C =0etv DS exste Interrupteur ouvert Transstor fermé (ON) D = Dmax et v DS =0 D Interrupteur fermé Changements d états : Transtons OFF-ON : Mse en conducton v GS > 0 ON-OFF : Ouverture v GS = 0 IV.1 Types/Fonctonnement Caractérstque tenson-courant O Transstor fermé F v DS Transstor ouvert Composants Introducton de à l électronque de de pussance 29 / 18 37

30 Transstor MOS MOSFET réel : Interfaces de commande Imperfectons V.3 Interfaces de commande Mons contragnantes qu en bpolare Le contrôle en tenson rend la commande plus smple Contrante majeure : Fare transter les charges dans la grlle Modèle équvalent : Une capacté entre la grlle et la source Effet dynamque : Appel de courant à la fermeture (v GS passe de 0 à V GS max) Fonctons réalsées par l nterface de commande Adaptaton en tenson Drectement en sorte d un dun crcut numérque Fournture du courant de grlle Crcut spécalsé d nterface Isolement galvanque entre commande-pussance Opto-coupleur Doc. 6 Doc. 4 Composants Introducton de à l électronque de de pussance 30 / 18 37

31 Transstor bpolare à grlle solée (IGBT) : Hybrde bpolare-mos Consttuton Commande en tenson des MOS Faclté de commande Parte de pussance des bpolares Fable chute de tenson en conducton Insulated Gate Bpolar Transstor G D Substrat Symbole C B Conséquence Prendre les avantages de chaque transstor Pour obtenr de melleures performances S C E Mêmes proprétés que les bpolares et MOS G Commandes : Fermeture (OFF-ON) et Ouverture (ON-OFF) Non réversble en courant E Non réversble en tenson Composants Introducton de à l électronque de de pussance 31 / 18 37

32 Compléments : Caractérstque par segments Mode de descrpton des états Représentaton d une porton de la caractérstque tenson-courant Conséquence pour un composant parfat Sot le courant, sot la tenson est nul Un segment coïncde avec un axe VII.1 Caractérstque par segments Suvant le nombre d états, on dstngue le nombre de segments Deux états au mnmum Quatre états au maxmum Avantages de cette représentaton Permet de décrre la réversblté en tenson et en courant Fournt une ndcaton clare de la «foncton» réalsée par le composant Permet une classfcaton des composants Ade à la recherche du composant hybrde obtenu par assemblage de composant élémentares Composants Introducton de à l électronque de de pussance 32 / 18 37

33 Compléments : Segments dans le cas de la dode, du thyrstors et des transstors VII.2 Segments : dode, thyrstor et transstors Dode Thyrstor Transstors v v v Interrupteur 2 segments Sgne unque (postf) de la tenson et courant : Aucune réversblté Interrupteur 3 segments La tenson change de sgne : Réversble en tenson Non réversble en courant (undrectonnel) Interrupteur 2 segments Sgne unque (postf) de la tenson et courant : Aucune réversblté Composants Introducton de à l électronque de de pussance 33 / 18 37

34 Compléments : Recherche de la réversblté en courant Constat Transstors undrectonnels en courant Pas de conducton du courant dans les deux sens VII.3 Recherche de la réversblté en courant Conséquence : Obtenr un élément bdrectonnel en courant par assocaton I T com v T v + = v com Résultat B Transstor? Assocaton com (dans les 2 sens) com (dans les 2 sens) C > 0 I D > 0 V CE com v com Dr > 0 I D > 0 v DS V BE v GS Composants Introducton de à l électronque de de pussance 34 / 18 37

35 Compléments : Recherche de la réversblté en courant Cas du thyrstor Undrectonnel en courant Une dode peut compléter la foncton Schéma de l assocaton thyrstor-dode VII.3 Recherche de la réversblté en courant com com IG I G v AK v D v com AK I D Analyse AK D com Concluson v AK v D + = v com Thyrstor Dode antparallèle Assocaton Composants Introducton de à l électronque de de pussance 35 / 18 37

36 Références Féreux J.-P., Forest P, Almentatons à découpage Convertsseurs à résonance Prncpes-Composants- modélsaton. 2ème édton. Masson Séguer Guy, Bausère Robert, Labrque Francs. Électronque de pussance Structures, fonctons de base, prncpale applcatons. 8ème édton. Dunod Composants Introducton de à l électronque de de pussance 36 / 18 37

37 Annexes Composants Introducton de à l électronque de de pussance 37 / 18 37

38 Complément sur Les composants de l électronque de pussance LE TRIAC 1. Défnton Symbole Le TRIAC est un dspostf sem-conducteur à tros électrodes (anode 1 A1, anode 2 A2, gâchette G) pouvant passer de l'état bloqué à l'état de conducton dans ses deux sens de polarsaton. En d'autres termes, l s'agt d'un composant de la même famlle que le thyrstor, mas qu est BIDIRECTIONNEL (le thyrstor étant undrectonnel). La structure du TRIAC ntègre dans un même crstal, deux thyrstors dsposés tête-bêche. A2 A2 A21 G V A21 G G A1 Symbole du TRIAC A1 Equvalent du TRIAC 2. Caractérstques Statques A21 Etat passant Pont de retournement Etat bloqué I H Pont de retournement I H V A21 Etat passant Etat drect bloqué Caractérstques statques du TRIAC Complément sur les composants d électronque de pussance

39 Le trac peut passer d'un état bloqué à un état conducteur dans les deux sens de polarsaton (drecte et nverse) et repasser à l'état bloqué par nverson de tenson ou par dmnuton du courant au-dessous d une valeur mnmum crtque I H appelée courant de manten. En l'absence de sgnal sur la gâchette, aucun courant ne crcule dans le trac, sauf un très léger courant de fute néglgeable. La mse en conducton du trac s obtent par applcaton d un mpulson (de courant ou de tenson) postve ou négatve sur la gâchette, quelque sot la polarté (polarsaton drecte ou nverse). Dès que le trac condut, pour le bloquer, l est nécessare de rédure l'ntensté du courant, à une valeur en dessous du courant de mantent I, ou ben par nverson de la polarsaton. H LE THYRISTOR GTO (Gate Turned OFF) Le thyrstor GTO, ouvrable par la gâchette, est capable de commuter de l état passant à l état drect bloqué par applcaton d un courant de gâchette, sans qu l sot nécessare d nverser la polarté de la tenson anode cathode. Comme le thyrstor, le GTO peut être commandé de l état bloqué (drect) à l état passant par une mpulson de courant brève applquée sur la gâchette. Le GTO peu en plus être commandé de l état passant à l état bloqué par applcaton d une tenson gâchette - cathode négatve. La chute de tenson à l état passant est (2 à 3 V) aux bornes du GTO est supéreur à celu d un thyrstor classque ( 1.1V). Le symbole du GTO et sa caractérstque statque réelle et déalsée sont représentés à la fgure c - après. Grâce à leur capacté à supporter des tensons mportantes (> 4.5 kv) et de forts courants (1 ka), les GTOs sont utlsé dans les applcatons de très forte pussance à des fréquences allant de quelques centane de Hz à 10 khz. A A A G G K A V AK G G K A V AK V AK Symbole Caractérstque statque déalsée A Etat passant Pont de retournement V R H R V RT V AK Etat nverse Etat drect bloqué Caractérstque statque réelle du GTO Complément sur les composants d électronque de pussance

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