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Électronique de puissance

L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique.

Elle comprend l'étude, la réalisation, la maintenance  :

  • des composants électroniques utilisés en forte puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :)
  • des structures des convertisseurs
  • de la commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) de ces convertisseurs
  • des applications industrielles de ces convertisseurs

Généralités

L'électronique de puissance, que l'on devrait d'ailleurs nommer « électronique de conversion d'énergie » a moins de 50 ans. Elle a connu un tel essor qu'aujourd'hui près de 15 % de l'énergie électrique produite est convertie sous une forme ou une autre. Au cours de ces années la taille, le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à...) et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès fait dans le domaine des interrupteurs électroniques.

Rappelons qu'un convertisseur de puissance de rendement unitaire (sans pertes) ne peut être constitué que d'interrupteurs idéaux et de dipôles purement réactifs donc sans la moins résistance parasite : condensateurs et inductances. Les dipôles réactifs sont des éléments de stockage d'énergie dont la taille (et donc le coût) est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement.

En plus des applications traditionnelles de l'électronique de puissance comme la traction électrique et les entraînements industriels, il est apparu de nouveaux domaines d'application :

  • La gestion du réseau de distribution :
    • FACTS : Systèmes de Transmission Flexible en Courant Alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, étant cependant souvent utilisé) est un courant électrique...).
    • Filtrage actif et amélioration du facteur de puissance (Le facteur de puissance est une caractéristique d'un récepteur électrique.)
    • HVDC : Transmission en courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance primordiale) THT
  • L'électroménager :
    • variateurs divers,
    • alimentations à découpage,
    • plaques de cuisson à induction.
  • Les appareils portables (caméscopes, ordinateurs, etc.) :
    • chargeurs d'accumulateurs intelligents
    • conversion CC/CC TBT
  • L'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport...) : très forte augmentation de l'utilisation de l'énergie électrique dans les automobiles actuelles et en perspective : il y aura un très gros marché au moment du passage prévu, (mais retardé ?) en 42 V, les véhicules hybrides, ...

Les interrupteurs

Historique

C'est dans le domaine du redressement de forte puissance que se développent les premiers convertisseurs statiques destinés à remplacer les convertisseurs électromécaniques. Dans les années 1950, pour la traction électrique, on s'oriente vers la solution - transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation,...) en alternatif + motorisation en continu. Les convertisseurs statiques nécessaires sont réalisés à l'aide de redresseurs à vapeur () de mercure (ignitrons) ayant la même fonctionnalité que les thyristors.

  • Les premières diodes de puissance au silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) apparaissent en 1956 et les thyristors en 1961. Dans les années 70, thyristors et diodes sont utilisés dans des dispositifs autocommutés comme les hacheurs et les onduleurs, les années qui suivent voient le développement de transistors bipolaires de puissance qui favorise le développement d'une électronique de conversion de faible et moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...) puissance.
  • Au début des années 80, les dispositifs à transistors poussent les dispositifs à thyristors vers des puissances accrues : vers 90, les GTO ne sont plus utilisés qu'en très forte puissance ( > 1 MW) ou pour des tensions supérieures à 2kV.
  • L'IGBT apparaît en 1985, d'abord dans le domaine des moyennes puissances (quelques dizaines de kW), il supplante les transistors Darlington. Il devient dans les 10 ans qui suivent un composant utilisable en forte puissance.
  • L'avènement du thyristor IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) vers 1997 dans le domaine des tensions supérieures à 6 kV risque d'entraîner à moyen terme la disparition du thyristor GTO.
  • Dans le domaine des faibles puissances, du fait de sa rapidité et de la simplicité de sa commande, le transistor MOSFET (Le MOSFET, acronyme anglais de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, en français Transistor à Effet de Champ (à grille) Métal-Oxyde, est un type de transistor à effet de champ. Comme tous les...) de puissance supplante le transistor bipolaire. Grâce aux techniques d'intégration planar et l'essor du marché du portable (téléphone, ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de...), lecteur CD (Le lecteur de CD (appelé improprement lecteur CD) est un lecteur de disque optique qui lit au moyen d'une diode laser les disques optiques...) etc.) nécessitant une électronique de conversion efficace et miniaturisée, il supplante même les diodes dans des applications comme le redressement (redresseur synchrone).
  • Les composants à base de carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une céramique composée de silicium et de carbone.) (SiC) apparaissent en 2002. Ceux à base de diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique. C'est le plus dur (dureté...) sont encore à l'étude en 2004. Leurs fortes énergies d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors...) permettent un blocage de tension (La tension est une force d'extension.) plus élevée et/ou des fonctionnements à haute température.

Les diodes

Elles sont équivalentes à un clapet dans une installation hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :).
Les deux paramètres importants à prendre en compte sont :

  • la tension maximale de blocage du composant, c’est-à-dire la tension au-delà de laquelle se produit le claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un but isolant...) et donc la destruction de la diode.
  • L'intensité maximale du courant qui peut la traverser.

Les trois principaux défauts du composant sont :

  • La tension de seuil VS
  • La résistance dynamiques RD
  • La capacité parasite C.

Actuellement les diodes se déclinent en plusieurs catégories :

  • Les diodes silicium de puissance de résistance dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) RD faible
Elles sont utilisées dans le domaine des convertisseurs de forte puissance comme les onduleurs de traction. Elles sont réalisées en boîtier encapsulé. La jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") qui les constitue est de type PiN (Pin désigne :) (P - Intrinsèque - N), ou PN-N+. L'introduction d'une zone très faiblement dopée permet d'obtenir une tension de blocage élevée.
  • Les diodes rapides de capacité parasite C faible.
Elles ont des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union de ces sous-ensembles soit égal à X....) de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes.
  • Les diodes Schottky: tension de seuil VS faible et C faible.
Elles sont constituées d'une jonction métal - semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est...). Par rapport aux diodes PiN, la tension de seuil est plus faible, mais la résistance est plus élevée (d'où une chute de tension qui dépend plus fortement du courant qui la traverse). Elles peuvent fonctionner à des fréquences très élevées mais la tension inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) maximale autorisée est plus faible. Pour toutes ces raisons, elles sont principalement utilisées dans les convertisseurs fonctionnant en TBT et à fréquence élevée : alimentations à découpage.
  • Les diodes Schottky en carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type CxXy.) de silicium (SiC).
Elles conjuguent C très faible et une tension de blocage plus élevée que les diodes Schottky classiques mais ces améliorations se font au détriment de l'augmentation de VS

Les MOSFET de puissance

Ce sont des interrupteurs électroniques dont le blocage ou l'amorcage sont commandés par une tension (Ils se comportent comme des portes que l'on peut ouvrir ou fermer à volonté).Ce sont les plus utilisés dans le domaine des faibles et moyennes puissances (quelques kW).
Leur domaine d’utilisation est limité à quelques centaines de volts, excepté le domaine des fréquences élevées pour lesquelles le MOSFET surclasse tous les autres composants.
Leur principal défaut est qu'à l'état passant ils se comportent comme des résistances (RDSon) de quelques dizaines de mΩ. Cette résistance est responsable des pertes en conduction. Le MOSFET peut aussi présenter des pertes de commutation lorsqu'il est utilisé comme interrupteur (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre l'interrupteur qui permet d'éteindre ou d'allumer un...) dans les alimentations à découpage. En effet, à chaque commutation, les capacités parasites présentes à ses bornes doivent être chargées ou déchargées entrainant des pertes en CV².

Les Transistors bipolaires de puissance

Par rapport aux transistors MOS de puissance, ils nécessitent une commande plus compliquée et ont des performances dynamiques plus médiocres. Toutefois ils sont thermiquement plus stables et surtout, du fait d’une commande en courant, ils sont moins sensibles aux perturbations électromagnétiques.

Les IGBT

Le transistor MOS est rapide et facile à commander, mais les transistors bipolaires ont une meilleure tenue en tension et présentent une chute de tension à l’état passant plus faible pour des courants élevés. La volonté de cumuler ces deux avantages a donné naissance à des composants hybrides nommés IGBT.

Depuis les années 1990, ce sont les composants les plus utilisés pour réaliser des convertisseurs fonctionnant avec des tensions de quelques centaines de volts à quelques kV et avec des courants de quelques dizaines d'ampères à quelques kA.

Les thyristors

Composant fonctionnant grossièrement comme un clapet commandé par un « tire-suisse » :

  • Pour qu'il devienne passant il faut l'amorcer : il faut maintenir le courant de gâchette jusqu'à ce que le courant principal atteigne le courant d’accrochage
  • Au blocage il faut attendre une certaine durée le désamorçage (turn-off) pour que le thyristor puisse effectivement bloquer la tension inverse.

Pour ces raisons le thyristor est réservé à des applications concernant les très fortes tensions (> kV) et les forts courants, où son coût inférieur compense ses limitations techniques. Par exemple les liaisons longues distances ou sous-marines par courant continu – haute tension (HVDC) sont presque toujours réalisées avec des thyristors.

Exemple de valeurs : Thyristor 16 kV – 2 kA, fréquence 300 Hz.

Commutation dure et commutation douce

La montée en fréquence des convertisseurs statiques entraîne une augmentation des pertes par commutation dans les interrupteurs. Ces pertes peuvent être réduites, mais surtout délocalisées par l’adjonction de circuit d’aide à la commutation (CALC) sans modifier le principe de fonctionnement du convertisseur.
Une autre possibilité consiste à modifier la nature des interrupteurs pour qu’ils réalisent une commutation spontanée, dite aussi commutation douce car les pertes sont nulles, mais aussi celle des convertisseurs qui doivent alors créer les conditions de commutations. Ces convertisseurs sont dits convertisseurs (quasi) résonnants.

Deux types d’interrupteurs peuvent être utilisés, conduisant à deux types de commutations douces :

  • Interrupteur à amorçage commandé et blocage spontané, comme le thyristor. Le blocage est alors réalisé au passage à zéro du courant, nommé ZCS (Zéro Current Switching) en anglais.
  • Interrupteur à blocage commandé et amorçage spontané. Le blocage est alors réalisé au passage à zéro de la tension ou ZVS (Zéro Voltage Switching) en anglais

Pour parvenir au passage à zéro de l’une des grandeurs il est nécessaire d’ajouter un circuit oscillant dans le montage, d’où leurs noms de convertisseurs quasi résonants.

Quelques dispositifs

On distingue généralement quatre grandes fonctions des convertisseurs de l'électronique de puissance :
Conversion continu - continu, alternatif - continu, continu - alternatif et alternatif - alternatif.

Mais en plus de ses dénominations purement fonctionnelles, des noms particuliers ont été donnés à certains convertisseurs.

  • Conversion continu - continu
    • Hacheurs
    • Convertisseurs à pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...)
  • Conversion alternatif - continu
    • Redresseurs
    • Alimentations à découpage
  • Conversion continu - alternatif
    • Onduleurs
  • Conversion alternatif - alternatif
    • Gradateurs
    • Alimentations sans interruption (ASI)
    • Cycloconvertisseur
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