Synthèse des convertisseurs statiques d énergie ompétences attendues : Modéliser et Résoudre o o o Décrire les évolutions temporelles ou fréquentielles des grandeurs dans les chaînes d énergie Adapter la typologie d un convertisseur statique à la nature des sources Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions, des puissances échangées. 1- Introduction : Un convertisseur statique est un montage utilisant des interrupteurs à semi-conducteurs permettant par une commande convenable de ces derniers de régler un transfert d énergie entre une source d entrée et une source de sortie comme le montre l exemple ci-dessous : S : onvertisseur Statique Il fait partie de la fonction Distribuer ou Moduler et intervient dans la chaîne d énergie généralement entre la source de la fonction Alimenter et le convertisseur électromécanique qui peut aussi être assimilé à une source de la fonction convertir. Energie électrique vent S Transfo MS~ Réducteur Rotation pales La source d entrée peut être un générateur ou un récepteur (idem pour la source de sortie). On constate ici que le transfert de puissance est inversé, on parlera alors de réversibilité des sources et du convertisseur statique. La synthèse des convertisseurs est une démarche qui permet de déterminer la structure du convertisseur statique ainsi que la nature des interrupteurs en fonction de la nature des sources d entrée et de sortie. Lycée Jules Ferry Page 1 sur 11 TSI1
Il existe deux types de sources : - Les sources de tension - Les sources de courants 2- Définitions des sources de tension et courant : 2-1 Source de tension active : Une source de tension idéale impose une tension à ses bornes, indépendamment du courant qui la traverse. Exemple : une batterie, une alimentation stabilisée La source de tension sera qualifiée de réversible si la tension à ses bornes peut changer de signe. I V V charge I 2-2 Source de courant active : Une source de courant idéale débite un courant, indépendamment de la tension à ses bornes. Exemple : un panneau photovoltaïque. La source de courant sera qualifiée de réversible si le courant débité peut changer de sens. I V V charge I 2-3 Les sources passives : Dans les convertisseurs statique, les dipôles (condensateur et inductance) sont associés à des interrupteurs électroniques (transistor, diode ) qui par commutation modifieront la configuration électrique à des fréquences élevées. Un dipôle sera qualifié de source passive de tension si la valeur instantanée de la tension à ses bornes ne subit pas de discontinuité lors des commutations. Un condensateur sera considéré comme une source passive de tension. Un dipôle sera qualifié de source passive de courant si la valeur instantanée du courant qui la traverse ne subit pas de discontinuité lors des commutations. Une inductance sera considérée comme une source passive de courant. A la différence des sources actives, ces sources ne sont pas capables de créer de l énergie électrique mais seulement de la stocker. Lycée Jules Ferry Page 2 sur 11 TSI1
2-4 compositions : L une source de tension en série avec une forte inductance est équivalent à : une source de courant. une source de courant en parallèle avec un fort condensateur est équivalent à : une source de tension. L pour affirmer une source de tension, on disposera d un condensateur en parallèle. L pour affirmer une source de courant, on disposera d une inductance en série. 2-5 Règles d association des sources de courant/tension : On peut associer directement deux sources de nature différentes, mais jamais deux sources de même nature. Une source de tension ne doit jamais être en court-circuit, elle peut se trouver en circuit ouvert. Une source de courant ne doit jamais se trouver en circuit ouvert, elle peut être en court-circuit. 3-Structure des convertisseurs : La structure des convertisseurs dépend de : - La nature des sources d entrée et de sortie (tension ou courant); - Le type de sources d entrée et de sortie (polyphasé). On parle alors de : - convertisseurs statiques directs : Tension ourant ourant Tension - convertisseurs statiques indirects : Tension Tension ourant ourant Lycée Jules Ferry Page 3 sur 11 TSI1
3-1 onvertisseurs statiques directs : onvertisseur direct tension-courant On considère une conversion associant une source de tension à une source de courant. Il existe trois types de connexions possibles entre ces deux sources : S S S P = Ve.Is (cas 1) P = - Ve.Is (cas 2) P = 0 (cas 3) On notera que ces trois types d interconnexions sont nécessaires pour permettre tous les échanges et les réglages d énergie entre la source de tension et la source de courant. La solution la plus flexible, est d utiliser un montage constitué de 4 interrupteurs : S K1 1 K4 4 K2 2 K3 3 - Lorsque K1 et K3 sont fermés, on retrouve le cas n 1. - Lorsque K2 et K4 sont fermés, on retrouve le cas n 2. - Lorsque K1 et K4 sont fermés ou K2 et K3 sont fermés, on retrouve le cas n 3. On retrouve cette structure de base dans les hacheurs et en partie dans les onduleurs. onvertisseur direct courant- tension e type de convertisseur correspond au montage redresseur ou commutateur de courant selon les auteurs. On retrouve la même structure que pour le convertisseur direct tension-courant. On a pour habitude dans un montage redresseur de disposer la source de courant en sortie et la source de tension en entrée. S K1 1 K4 4 K2 2 K3 3 Lycée Jules Ferry Page 4 sur 11 TSI1
3-2 onvertisseurs statiques indirects : onvertisseur indirect tension-tension : On ne peut connecter entre elles deux sources de même nature, il faut donc convertir une des sources en source courant ou alors utiliser un élément de stockage inductif qui permet de disposer d une source de courant dynamique comme le montre la figure ci-dessous. Dans ce type de convertisseur les deux sources de tension ne sont jamais connectées simultanément à l élément de stockage mais successivement. - l inductance stocke l énergie fournie par la source de tension (K1 ON, K2 K3 K4 K5 OFF) - l inductance restitue son énergie à l autre source de tension (K1 OFF, K2 K4 ON ou K3 K5 ON). K1 S 1 K2 2 K5 5 L K3 3 K4 4 onvertisseur indirect courant-courant : Dans ce type de convertisseur les deux sources de courant ne sont jamais connectées simultanément à l élément de stockage capacitif mais successivement. - le condensateur stocke l énergie fournie par une source de courant (K2 K3 ON, K1 K4 K5 OFF) ; - le condensateur restitue son énergie à l autre source de courant soit dans un sens (K1 K2 K4 ON, K3 K5 OFF), soit dans l autre (K1 K5 K3 ON, K2 K4 OFF). S K2 2 K5 5 K1 1 K3 3 K4 4 Si la source de tension est bidirectionnelle, les interrupteurs devront supporter une tension bidirectionnelle. De même si la source de courant est bidirectionnelle, les interrupteurs devront supporter un courant bidirectionnel! La réversibilité des interrupteurs est liée à la réversibilité des sources en tension pour une source de tension et en courant pour une source de courant. Lycée Jules Ferry Page 5 sur 11 TSI1
4-Les interrupteurs : 4-1 Interrupteur parfait : =0 > 0 imposé par le circuit extérieur > 0 imposé par le circuit extérieur = 0 =0 ouvert < 0 imposé par le circuitextérieur fermé < 0 imposé par le circuit extérieur = 0 Dans l état fermé, on dit que l interrupteur est passant ou ON. Dans l état ouvert, on dit que l interrupteur est ouvert ou OFF. La caractéristique statique, qui est une propriété intrinsèque d un interrupteur est donc formée de quatre segments confondus avec les axes v et i. On distingue les interrupteurs composés par des semi-conducteurs en fonction de leur caractéristique statique I K (V K ) : il en existe 3 familles : - 2 segments; - 3 segments; - 4 segments. 4-2 Interrupteur 2 segments : La diode est un interrupteur unidirectionnel en tension et en courant. Sa caractéristique statique et dynamique comporte donc deux segments. Les deux bornes de la diode sont appelées Anode (A) et athode (K) Nous considérerons qu une diode se comporte comme : un interrupteur fermé lorsqu elle est passante un interrupteur ouvert lorsqu elle est bloquée Modélisation d une diode à l état passant Pour qu une diode soit passante, il faut que le potentiel A imposé par le circuit à l anode soit supérieur au potentiel K imposé par le circuit à la cathode. A K A K V A >V K Modélisation d une diode à l état bloquée Pour qu une diode soit bloquée, il faut que le potentiel K imposé par le circuit à la cathode soit supérieur au potentiel A imposé par le circuit à l anode. Lycée Jules Ferry Page 6 sur 11 TSI1
La caractéristique statique de la diode peut se représenter de la manière suivante : Etat bloqué Etat passant amorçage blocage aractéristique statique aractéristique dynamique ommutation spontanée La caractéristique statique courant tension d un interrupteur est insuffisante pour décrire ses propriétés dynamiques, c est à dire la manière selon laquelle l interrupteur passe de l état bloqué à l état passant et réciproquement. La trajectoire suivie par le point de fonctionnement constitue la caractéristique dynamique de commutation. La commutation spontanée d un interrupteur est identifiable dans son principe à celle d une jonction PN (diode). La commutation spontanée ne dépend que du circuit extérieur ; l interrupteur commute naturellement car le point de fonctionnement se déplaçant sur la caractéristique statique passe par zéro comme le montre la figure ci-dessus. L amorçage spontané s effectue au passage par zéro de la tension v k (tension du circuit extérieur). Le blocage spontané s effectue au passage par zéro du courant i k (courant imposé par le circuit extérieur). e mode de commutation s effectue avec un minimum de pertes Joule puisque le point de fonctionnement suit les axes. La commutation commandée d un interrupteur : Transistor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor ou transistor bipolaire à grille isolée L interrupteur possède, en plus de ses électrodes principales, une électrode de commande sur laquelle il est possible d agir pour provoquer son changement d état de manière quasi instantanée. Electrode de commande G (grille) (collecteur) E (émetteur) Le transistor IGBT Pour commander le changement d état, le circuit extérieur doit agir sur la tension v GE : Si v GE > 0, le transistor est à l état passant, v E = 0 et i > 0, il se comporte comme un interrupteur fermé. Si vge 0, le transistor est à l état ouvert, v E > 0 et i = 0, il se comporte comme un interrupteur ouvert. la commutation est commandée par le circuit extérieur, le point de fonctionnement ne passe pas forcément par le point zéro lors d un changement d état. i > 0 i = 0 vge 0 v > 0 E E v GE > 0 v E = 0 E Lycée Jules Ferry Page 7 sur 11 TSI1
amorçage blocage aractéristique statique aractéristique dynamique ommutation commandée e mode de commutation peut faire apparaître des contraintes sévères en terme de dissipation d énergie sur l interrupteur. Lors de l amorçage ou du blocage, la tension V k et le courant sont positifs simultanément, il apparaît donc une puissance de dissipation P = V k.. Si la fréquence de commande de l interrupteur est rapide, les pertes peuvent être importantes et il faudra doter l interrupteur d un dissipateur à convection naturelle ou forcée! 4-3 Interrupteur 3 segments : La mise en parallèle d une diode et d un transistor permet au courant de circuler dans les deux sens si la tension V K devient négative. Dans ce cas, la diode devient passante et le courant circulera dans la branche de la diode et évitera la détérioration du transistor. La structure présentée ci-dessous est donc bidirectionnelle en courant, mais reste unidirectionnelle en tension. La caractéristique de cette cellule de commutation est donnée ci-dessous. D (drain) G (grille) S (source). Le transistor MOS Le transistor IGBT//diode L interrupteur est bidirectionnel en tension ou en courant comme le montre la figure ci-dessous. Il n existe donc que deux caractéristiques statiques à trois segments. amorçage blocage aractéristique statique aractéristique dynamique ommutation commandée Lycée Jules Ferry Page 8 sur 11 TSI1
5- Fonctions réalisées 5-1 onversion D-D : les hacheurs Les hacheurs sont des convertisseurs directs du type continu-continu. Ils permettent d obtenir une tension continue réglable à partir d une tension continue fixe. La figure 26 donne leur symbole. Les hacheurs sont utilisés pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu et dans les alimentations à découpage. 5-2 onversion A-D : les redresseurs Les redresseurs permettent d obtenir une tension de valeur moyenne non nulle à partir d une tension alternative (monophasée ou triphasée) de valeur moyenne nulle. Les redresseurs commandés permettent de régler la valeur moyenne de la tension redressée. Les redresseurs sont utilisés comme étage intermédiaire dans les cartes électroniques, les fours, les électrolyses, le transport à courant continu, pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu 5-3 onversion D-A : les onduleurs Les onduleurs sont utilisés pour la production d une tension alternative à une fréquence fixe ou variable, l alimentation de certains équipements indépendants de la présence du réseau (notion de continuité de service ou alimentation sans interruption) Lycée Jules Ferry Page 9 sur 11 TSI1
5-4 onversion A-A : les gradateurs Les gradateurs permettent d obtenir une tension alternative de valeur efficace réglable à partir d une tension alternative de valeur efficace et de fréquence fixe. La fréquence d un gradateur n est pas réglable. Les gradateurs sont utilisés en électrothermie, en éclairage, le démarrage progressif de moteurs. 6- Domaine d utilisation des composants d électronique de puissance : Lycée Jules Ferry Page 10 sur 11 TSI1
omparatif des interrupteurs statiques Lycée Jules Ferry Page 11 sur 11 TSI1