Electronique de puissance (suite)

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Electronique de puissance (suite)
ELEC 2753 Électrotechnique

• E. MATAGNE
• ernest.matagne_at_uclouvain.be

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Convertisseurs triphasés
Rappel de la notion de tension de phase
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• En triphasé, trois familles principales de
  convertisseurs
• les redresseurs triphasé vers DC
• les onduleurs autonomes DC vers triphasé
• les gradateurs triphasé vers triphasé, ils
  modulent sur chaque période la durée de
  lintervalle durant lequel chaque phase du
  récepteur est alimentée par le générateur.

• Principales applications
• dans lindustrie, alimentation à partir du
  réseau triphasé de moteurs à vitesse variable
  (pompes, ventilateurs, manutention)
• dans le transport, alimentation à partir du
  réseau
• des caténaires si elles sont en DC
• des moteurs asynchrones et synchrones de
  traction
• dans les réseaux dénergie, pour la production
  de puissance réactive et la compensation des
  harmoniques (correction des formes donde)

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Redresseur à diodes sur charge fortement inductive
La valeur moyenne de la tension de sortie et la
valeur efficace du courant dentrée sont faciles
à calculer dans ce cas (vous devez pouvoir le
faire tant en monophasé quen triphasé !).
Le facteur de forme du courant dentrée est bien
meilleur que dans le cas dune charge capacitive !
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Redresseur à thyristors
On peut imposer un retard par rapport à linstant
de mise en conduction qui aurait lieu dans un
pont de diodes. Ce retard est souvent exprimé en
angle (1 période 360). Sur charge inductive,
la tension moyenne de sortie est proportionnelle
au cosinus de cet angle. Elle peut devenir
négative si la charge maintient le sens du
courant (on renvoie alors de la puissance au
réseau triphasé).
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Onduleur triphasé de tension (commande pleine
onde)
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Onduleur triphasé de tension(commande MLI)
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Gradateurs (montage  étoile )
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Gradateurs (montage  triangle  sur charge
résistive)
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Gradateurs (montage  triangle  sur charge
inductive)
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Calcul des pertes dans les semiconducteurs
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Introduction

• Si les semiconducteurs étaient idéaux, ils ne
  dissiperaient pas dénergie.
• En pratique, ils occasionnent une perte de
  puissance qui cause, outre la baisse de rendement
  des convertisseurs, léchauffement des
  semiconducteurs.
• Le courant de fuite qui traverse les
  semiconducteurs est souvent très petit, et
  noccasionne donc pas de pertes de puissance
  significatives
• On distingue donc deux types de pertes
• pertes de conduction liées au courant
• pertes de commutation (souvent négligeables à 50
  Hz, mais augmentent avec la fréquence).

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Pour évaluer les pertes, il faut déterminer
lévolution des courants et tensions dans les
semiconducteurs. Comme les pertes sont
normalement petites, ceci se fait généralement
sans tenir compte des imperfections des
semiconducteurs. On utilise alors ces évolutions
pour calculer les pertes en tenant compte de ces
imperfections.
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Pertes de conduction
Une façon simple de calculer ces pertes est de
modéliser la relation tension-courant du
semi-conducteur à létat passant sous la forme u
useuil Rinc i (Dans les MOSFETs, useuil est
nul. Par contre, Rinc est plus grand ) La
puissance dissipée vaut alors, en moyenne ltpgt
ltuigt useuil ltigt Rinc lti2gt useuil Iredr.
moy. Rinc I2 Importance de pouvoir calculer
Iredr. moy. et I pour diverses formes donde !
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Pertes dues à la vitesse de commutation limitée
Idéalement, les changements détat des
semiconducteurs sont instantanées, et ne donnent
donc pas lieu à une perte dénergie. En pratique,
il faut un certain temps (ton) pour la mise en
conduction et un certain temps (toff) pour le
blocage. Pendant les commutations, le courant et
la tension sont tous deux différents de zéro.
Ainsi, lors de la mise en conduction, la tension
passe dune valeur u à une valeur 0 et le courant
dune valeur 0 à une valeur i. En supposant que
ces évolutions se font simultanément (ou à la
suite lune de lautre) et de façon linéaire en
le temps, on calcule sans peine (à faire comme
exercice) que lénergie dissipée est won u i
ton / 6 (ou won u i ton / 2) Très approché ! On
a de même woff u i toff / 6 (woff u i
toff / 2 ) " " Si ces phénomènes se
répètent, la puissance moyenne perdue vaut (won
woff ) f . En pratique, les pertes de commutation
sont plus élevées que ce que prévoient ces
formules car il faut tenir compte de
lenvironnement du composant.
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• Pour réduire les pertes de commutation, on a
  intérêt à réduire ton et toff .
• Les valeurs minimum de ton et toff sont parfois
  imposées par le semiconducteur lui-même (ainsi,
  les mosfet sont plus rapides que les transistor
  bipolaires et les igbt).
• Cependant, on utilise souvent les semiconducteurs
  avec des temps de commutation plus grands que ce
  que le semiconducteur permet, car une commutation
  rapide est source
• de surtension lors du blocage à cause des
  inductances  parasites  en série avec le
  semiconducteur
• de surcourant lors de la mise en conduction à
  cause notamment des capacités  parasites  en
  parallèle avec le semiconducteur.
• Pour commuter rapidement, il faut donc non
  seulement que le semiconducteur le permette, mais
  encore quil supporte la surtension et le
  surcourant qui en résultera, ce qui augmentera
  son prix !

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Augmentation des pertes de commutation dues au
circuit
Si le semiconducteur est en série avec une
inductance, lénergie accumulée dans cette
inductance, soit Li2 /2 si elle est linéaire,
sera inclue dans woff lors du blocage du
semiconducteur. Note dans un circuit plus
compliqué, considérer pour le calcul linductance
 vue  par le semiconducteur. De même, si le
semiconducteur est en parallèle avec une
capacité, lénergie accumulée dans cette
capacité, soit Cu2 /2 si elle est linéaire,
sera inclue dans won lors de la mise en
conduction du semiconducteur. Note dans un
circuit plus compliqué, considérer pour le calcul
la capacité   vue  par le semiconducteur.
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Lors du blocage dune diode, celle-ci laisse
passer momentanément un courant inverse, le temps
dextraire les porteurs qui la rendaient
conductrice. La charge correspondant à cette
impulsion de courant porte le nom de charge
recouvrée. Cette charge occasionne des pertes de
commutation non seulement dans la diode, mais
aussi dans le semiconducteur commandé qui commute
en même temps que la diode (un peu comme si
celui-ci voyait une capacité parasite). Lors de
la commutation dune tension u, on peut donc
sattendre à des pertes de commutation de lordre
du produit qrec u , à répartir éventuellement
entre deux semiconducteurs.
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En réduisant les inductances et capacités
 parasites , ainsi que la charge recouvrée des
diodes, on réduit les pertes de commutation dues
à ces éléments. En outre, cela permet de réduire
ton et toff , ce qui contribue aussi à réduire
les pertes de commutation. Dans les circuits qui
fonctionnent à fréquence élevée, les pertes de
commutation jouent un rôle important et on a donc
tout intérêt à réduire les inductances et
capacités  parasites  par une réalisation
soigneuse du câblage électrique, et à choisir des
diodes à faible charge recouvrée. En pratique, on
a intérêt à augmenter la fréquence de
fonctionnement pour diminuer la taille des
inductances et capacités, mais on est limité dans
cette voie par laugmentation des pertes de
commutation le choix de la fréquence résulte
donc souvent dun compromis.
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Circuits daide à la commutation
Parfois, on munit les semiconducteurs dun
circuit daide à la commutation qui réduit les
valeurs transitoires vues par le semiconducteur
ou  envoie ailleurs  lénergie liée aux
éléments parasites. Ce circuit est formé de
condensateurs, inductances, diodes,
résistances On peut alors utiliser un
semiconducteur moins robuste (donc moins cher ou
plus facilement disponible), mais au prix dun
circuit supplémentaire. De plus, lénergie liée
aux éléments parasites est souvent perdue car
dissipée dans ce circuit, ce qui soulage le
semiconducteur mais naméliore pas le rendement
du dispositif.
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Choix de composants
Les composants doivent non seulement pouvoir
supporter les valeurs de crête des tensions et
des courants dont ils sont le siège, mais encore
pouvoir évacuer la chaleur dégagée. Lévacuation
de la chaleur ne dépend pas uniquement du
semiconducteur, mais aussi du radiateur (ou autre
dispositif de refroidissement) sur lequel il est
fixé, ainsi que de la température du milieu vers
lequel on évacue la chaleur produite. On trouve
dans les datasheets des fabricants la donnée de
la température de jonction acceptable (pour une
durée de vie donnée) et la valeur de la
résistance thermique jonction-boîtier (qui nest
quune partie de la résistance thermique
jonction-ambiante).
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Évolution des composants
Le silicium ne peut fonctionner quà des
températures inférieures à 120 .. 160 C . On
cherche à le remplacer par dautres matériaux
semiconducteurs, notamment le carbure de silicium
qui peut fonctionner à 300C.