COMPOSANTS DE L'ELECTRONQUE DE PUSSANCE Presser la ouche F5 pour faire apparaîre les signes qui favorisen la navigaion dans le documen. Sommaire 1 Diode... 1 1.1 Comporemen saique... 1 1.2 Comporemen dynamique... 1 1.2.1 Amorçage... 1 1.2.2 Blocage... 2 2 Thyrisor... 2 2.1 Comporemen saique... 2 2.2 Comporemen dynamique... 2 2.2.1 Amorçage... 2 2.2.2 Blocage... 3 3 Triac... 3 4 Thyrisor GTO... 3 5 Transisor bipolaire... 3 5.1 Comporemen saique... 4 5.2 Comporemen dynamique... 5 6 Transisor à effe de champ... 5 7 Transisor GBT... 5 8 Possibiliés maximales des différens composans... 5 Exercice d'applicaion... 6
CO 1 COMPOSANTS DE L'ELECTRONQUE DE PUSSANCE Nous nous conenerons ici d'une éude simplifiée, en s'absenan, enre aures, de oue analyse déaillée du foncionnemen inerne des composans. Par conre, pour chacun d'enre eux, nous nous inéresserons successivemen aux deux ypes de comporemens, saique e dynamique, ce dernier expliquan en pariculier ceraines précauions d'emploi ou limiaions lors de l'uilisaion du composan. 1 Diode 1.1 Comporemen saique i A v AK A i A K figure 1 Cf. figure 2, en polarisaion direce, v AK rese quasimen consan e le couran i A n'es limié que par les composans exernes. On assimile généralemen la porion de caracérisique correspondane à une droie, en écrivan la relaion couran-ension sous la forme v AK = V 0 + R d A, avec V 0 0,7V e R d elle que la chue de ension pour le couran maximum admissible soi de l'ordre de 1,3 à 1,5V. v B figure 2 v AK En polarisaion inverse, i A es négligeable an que v AK rese inférieure en valeur absolue à la ension de claquage v BR. Par conre, au-delà de cee valeur, le couran décroî irrémédiablemen, ce qui enraîne la desrucion du composan. Les valeurs caracérisiques essenielles son FAV : Couran moyen maximum admissible à l'éa passan. A noer qu'il es défini pour un faceur de forme donné, indiqué par le consruceur. FPM : Valeur maximale du couran de poine répéiif. Cee donnée es surou uile dans le cas de débi sur circui capaciif ou sur f.c.é.m. V RRM : Valeur crêe maximale de la ension inverse que la diode suppore à l'éa bloqué. 1.2 Comporemen dynamique 1.2.1 Amorçage i A figure 3 En admean que le circui exérieur fixe le couran de régime éabli à une valeur mais n'impose aucune limiaion à sa viesse de croissance, i A évolue comme indiqué ci-conre. La durée de l'évoluion es caracérisée par le emps d'éablissemen fr.
CO 2 1.2.2 Blocage i A figure 4 On considère ici le cas relaivemen fréquen où celui-ci se produi par inversion de ension, le couran dans le circui exérieur, oujours supposé consan, éan ransféré dans un aure composan ( ex. commuaion enre deux diodes d'un monage redresseur ). L'évoluion de i A se fai alors comme indiqué ci-conre, où on peu surou noer l'appariion d'une poine de couran négaive. La durée oale de l'annulaion de couran es noée rr. 2 Thyrisor 2.1 Comporemen saique i A v AK A G K figure 5 En polarisaion direce, une fois amorcé par un signal posiif appliqué enre G e K ( rappel: une impulsion suffi ), le hyrisor se compore exacemen comme une diode. En pariculier, sa caracérisique direce peu êre modélisée sous la forme v AK = V 0 + R d A. De même, en polarisaion inverse, le couran rese négligeable an qu'on n'aein pas la ension de claquage. Les valeurs caracérisiques essenielles son les mêmes que pour les diodes, il fau simplemen y rajouer le erme V DRM, valeur crêe maximale de la ension direce que le hyrisor suppore à l'éa bloqué, mais sachan que V DRM = V RRM pour les hyrisors usuels. Par ailleurs, il exise un couran de mainien H, valeur minimale de i A en-dessous de laquelle le hyrisor se rebloque sponanémen. 2.2 Comporemen dynamique Avec les mêmes hypohèses que précédemmen, les allures de i A à l'amorçage e au blocage son similaires à celles représenées sur les figures 3 e 4. Par conre, vu la différence de foncionnemen inerne ( phénomène d'avalanche au lieu d'une mise en conducion usuelle ), des élémens supplémenaires, que nous allons passer en revue, apparaissen ici. 2.2.1 Amorçage l es caracérisé par les paramères suivans on : Temps oal mis par i A pour aeindre sa valeur de régime éabli di/d maximal: Au dépar, l'avalanche ne se produi que localemen e sa durée d'expansion rese limiée. Si le couran croî rop rapidemen, la densié de couran à l'endroi où es apparue l'avalanche risque de dépasser les limies admissibles e de déruire le composan. Couran d'accrochage i L : l correspond à la valeur minimale de i A pour laquelle le phénomène d'avalanche devien irréversible, donc ne nécessie plus de signal de gâchee. Son exisence perme d'expliquer le non amorçage observé quelquefois dans le cas de débi sur circuis in-
ducifs si les impulsions de commande son de rop coures durées. En effe, comme la viesse de croissance du couran es alors limiée, i A n'a pas le emps d'aeindre i L. 2.2.2 Blocage CO 3 l es esseniellemen caracérisé par le emps de blocage q, inervalle minimum de emps qui doi exiser enre l'insan où i A passe par zéro e celui où v AK redevien posiif. Si cee durée n'es pas respecée, il y a réamorçage sponané au momen du changemen de signe de v AK. Signalons égalemen que, une fois le hyrisor bloqué, il apparaî une conraine en ce qui concerne la viesse de croissance de la ension direce. Si celle-ci devien supérieure au dv/d maximal indiqué par le consruceur, le phénomène d'avalanche se produi sponanémen, c'es à dire en l'absence de ou signal de gâchee. L'amorçage n'es donc plus conrôlé, ce qui n'es évidemmen pas le bu recherché. 3 Triac C'es l'équivalen dans un même boîier de l'associaion en parallèle inverse de deux hyrisors, à cela près que le riac ne compore qu'une seule élecrode de commande. Tou ce qui a éé di à propos du hyrisor rese donc valable ici, il fau simplemen y rajouer l'exisence d'un dv/d à la commuaion, inférieur au dv/d à l'éa bloqué, à respecer figure 6 pour ne pas avoir d'amorçages inconrôlés. 4 Thyrisor GTO figure 7 Ce composan uilise les mêmes principes de foncionnemen que le hyrisor vu plus hau, à cela près qu'il peu êre commandé à l'ouverure par l'envoi d'un couran négaif sur sa gâchee ( GTO = Gae Turn Off ). En ce qui concerne les paramères caracérisiques, la différence essenielle avec le hyrisor usuel se siue au niveau du emps d'ouverure. En effe, la noion de q n'exise plus ici. Par conre, la complexié accrue de la srucure inerne enraîne l'appariion de phénomènes parasies au momen du blocage, nécessian l'adjoncion d'un réseau d'aide à l'ouverure. Ceci augmene les peres ainsi que la durée de cee phase par rappor à ce qu'on pourrai en aendre. 5 Transisor bipolaire i C B v CE B v BE E i E figure 8 i C B v CE B v BE E i E figure 9 l en exise deux sores, les ransisors NPN ( figure 8 ) pour lesquels i B,, i E, v BE e v CE son posiifs e les ransisors PNP ( figure 9 ) pour lesquels ces ermes son négaifs. Aux signes de ces grandeurs près, leurs comporemens e grandeurs caracérisiques son les mêmes. Nous nous limierons donc dans ce qui sui aux ransisors NPN.
CO 4 5.1 Comporemen saique C sauraion B4 > B3 Pour ce ype de composans, on défini la caracérisique d'enrée V BE = f( B ), celle B3 > B2 de ransfer C = f( B ) ainsi que le réseau de B2 > B1 caracérisiques de sorie C = f(v CE ), paraméré par le couran B ( cf. figure 10, en B1 oue rigueur, les deux premières courbes dépenden égalemen des grandeurs de blocage B B = 0 sorie, mais l'effe es rès faible ). Paran V C de là, signalons les poins suivans: Les différenes courbes son évidemmen limiées par les valeurs maximales V B figure 10 admissibles. La caracérisique d'enrée es proche de celle d'une diode. En foncionnemen normal, V BE es donc compris enre 0,6 e 0,8V. La courbe C = f( B ) es une droie. En principe, elle ne passe pas par l'origine, mais l'ordonnée correspondane es rès faible. Ceci perme de mere son équaion sous la forme C = β B, en faisan apparaîre le paramère caracérisique β, appelé gain du ransisor. La parie du réseau des caracérisiques de sorie correspondan à C varian avec B ( e un peu avec V CE ) correspond au foncionnemen di "linéaire" du ransisor. Celle-ci es délimiée par la zone de sauraion, où C es indépendan de B e où V CE es rès faible ( le ransisor se compore donc comme un inerrupeur fermé ), e la zone de blocage, correspondan à B = 0 ( le ransisor se compore alors comme un inerrupeur ouver ). En élecronique de puissance, seuls les foncionnemens dans ces deux zones son uilisés. Pour obenir le blocage, il suffi de supprimer le couran de base. Par conre, pour obenir la sauraion, il fau que B soi supérieur à une valeur minimale Bmin, égale à C /β, où C es le couran imposé par le circui exérieur. On caracérise la valeur effecivemen choisie pour B par le coefficien de sauraion s, égal à B / Bmin. Les valeurs caracérisiques essenielles son β ( pour mémoire ): Rappelons que c'es le rappor en régime linéaire enre e i B, e que c'es ce erme qui perme de calculer le couran de base nécessaire pour saurer un ransisor lorsque C es imposé. CM : Couran de colleceur maximal admissible en régime permanen. l exise égalemen une valeur maximale de crêe répéiive. V CEO : Valeur maximale de la ension colleceur-émeeur que le ransisor peu bloquer quelle que soi la polarisaion de la base ( an qu'un signal négaif es appliqué sur la base, le ransisor peu supporer une ension plus élevée, noée V CEX ). P max : Puissance maximale que peu dissiper le ransisor. En principe, celle-ci ser surou à limier les poins de foncionnemen dans le domaine linéaire, sachan que cee puissance es esseniellemen égale au produi V CE C.
CO 5 5.2 Comporemen dynamique Commande de base C d r figure 11 On se limie ici au cas d'un cycle de foncionnemen bloqué-sauré-bloqué résulan d'une commande de base adéquae, à propos de laquelle nous signalerons simplemen qu'elle doi permere une inversion du couran i B pendan la phase de blocage. Schémaiquemen, le couran évolue comme indiqué ci-conre, où apparaissen: Le emps de reard d e le emps de monée r, la somme des deux consiuan le emps d'éablissemen on du couran. Le emps de sockage s e le emps de descene f, la somme des emps consiuan le emps d'exincion off du couran. l fau noer que s es d'auan plus grand que le coefficien de sauraion s es plus élevé. Pour des applicaions à fréquence élevée, il es donc préférable de ne pas rop saurer le ransisor, voire de le faire foncionner à la limie de la sauraion moyennan l'adjoncion de composans auxiliaires ( disposiif d'anisauraion ). 6 Transisor à effe de champ s f i G 0 D G S v GS figure 12 i D v DS Toujours dans le cadre de l'élecronique de puissance ( puissance élevée foncionnemen en commuaion ), on uilise esseniellemen les composans de ype MOSFET ( Meal-Oxide-Semiconducor Field-Effec-Transisor ). Par rappor aux ransisors bipolaires, ils présenen l'avanage de consommer un couran de grille i G négligeable e de pouvoir foncionner à des fréquences neemen plus élevées. Par conre, la ension v DS à l'éa passan es plus grande, d'où une consommaion plus imporane à même couran. 7 Transisor GBT C G E figure 13 L'GBT ( nsulaed Gae Bipolar Transisor ) es un ransisor bipolaire à pore isolée. l associe les avanages des ransisors bipolaires ( ensions e courans élevés ) e ceux des ransisors MOSFET ( rapidié des commuaions, énergie de commande faible ), bien que, par rappor à ces derniers, les fréquences maximales de foncionnemen resen ou de même plus faibles. 8 Possibiliés maximales des différens composans On ne considère ici que les composans possédan une élecrode de commande. Par ailleurs, pour la comparaison, on ne prend en compe pour le momen que les ensions e courans maximaux admissibles ( nous dirons quelques mos pour erminer de ce qu'il en es des fréquences de foncionnemen ). Compe enu de ceci, on peu résumer les performances des divers composans dans le ableau ci-après.
Thyrisor Thyrisor GTO Transisor bipolaire MOSFET GBT Tension(V) 6000 4500 1400 600 1200 Couran(A) 5000 3000 500 50 400 CO 6 En ce qui concerne les fréquences maximales de foncionnemen, le problème es un peu plus compliqué car elles dépenden aussi des calibres en ension e en couran des composans. Ainsi, pour les hyrisors usuels e les hyrisors GTO de fore puissance, on ne dépasse pas le khz. On peu aeindre 3 khz avec des hyrisors dis "rapides", mais ceux-ci son limiés à 1500V e 1500A. Dans le même ordre d'idées, les fréquences maximales son de 5 à 10 khz pour le ransisor bipolaire, de 20 à 40 khz pour l'gbt e de l'ordre de 100 khz pour le MOSFET ( oujours, pas forcémen pour les valeurs maximales de ension e de couran indiquées ci-dessus ). Exercice On se propose d'éudier l'influence d'un circui d'aide au blocage sur les peres à l'ouverure d'un ransisor uilisé comme inerrupeur commandé dans un monage hacheur foncionnan à la fréquence f = 10kHz. En admean que le couran dans la charge es parfaiemen lissé, e en ne enan pas D i D i compe des composans auxiliaires, l'éude peu se faire E v Cb D T à l'aide du schéma de la figure 1, pour lequel on a v C b CE = 5A, E = 200V e Cb = 15nF. A l'insan pris comme f origine, la décroissance du couran de colleceur es figure 1 figure 2 imposée par le ransisor e se fai comme indiqué sur la figure 2, le emps f au bou duquel elle cesse éan égal à 0,5µs. Dans ou ce qui sui, on adme que la diode D es parfaie e que la ension de sauraion v CEsa du ransisor es nulle. 1) Commuaion en l'absence de condensaeur. a) Monrer que, dès l'insan = 0, D commence à conduire. En déduire la valeur que prend v CE e esquisser son graphe en regard de celui de ic. Représener d'aure par le déplacemen du poin de foncionnemen dans le plan ( ;v CE ). b) Calculer l'énergie W 1 dissipée dans le ransisor pendan la phase d'ouverure e en déduire la puissance consommée P 1 correspondane. 2) Commuaion en présence du condensaeur Cb. a) Celui-ci impose que v CE (0) = 0. En déduire que la diode rese bloquée dans un premier emps. b) Donner l'expression de b en foncion de e de, puis de, e f. Déerminer ensuie l'expression de v CE e en déduire celle de v CE ( f ). A.N: Calculer v CE ( f ). c) Que vau b pour f? En déduire la nouvelle expression de v CE. Pour quelle valeur de cee ension la diode D devien-elle passane? Calculer l'insan 1 correspondan. d) Esquisser les graphes de e de v CE pour 0 1. Représener de même le déplacemen du poin de foncionnemen dans le plan ( ;v CE ). e) Calculer la nouvelle énergie W 2 dissipée dans le ransisor pendan la phase d'ouverure e en déduire la puissance consommée P 2 correspondane. Conclusion.