Convertisseurs Statique

1. Conversion statique de l'énergie électrique

Les convertisseurs statiques de puissance assurent la fonction "MODULER" dans une chaîne d'énergie, en convertissant l'énergie électrique d'une forme à une autre (tension, courant, fréquence), sans transformation mécanique. Ils se distinguent des convertisseurs électromécaniques qui produisent une énergie mécanique.

2. Rôle des convertisseurs statiques

• Conversion : adapter les caractéristiques électriques (tension $U$, courant $I$, fréquence $f$) entre source et charge.
• Contrôle : gérer précisément l'échange d'énergie électrique.

Ils utilisent des interrupteurs électroniques à semi-conducteurs (transistors, thyristors, diodes) fonctionnant en commutation (états ouvert/fermé), sans pièces mobiles, ainsi que des éléments réactifs (inductances, condensateurs).

3. Avantages des convertisseurs statiques

4. Types d'énergie électrique concernée

• Énergie alternative : réseau, alternateur...
• Énergie continue : batterie, génératrice à courant continu, alimentation par caténaire...

5. Familles principales de convertisseurs statiques

6. Exemples concrets

• Alimentation électronique : convertisseur alternatif-continu transforme la tension alternative sinusoïdale du réseau en tension continue.
• Onduleur de secours : convertit la tension continue des batteries en tension alternative pour alimenter du matériel informatique lors d'une coupure.

À retenir : Les convertisseurs statiques assurent la conversion et le contrôle de l'énergie électrique entre deux systèmes électriques, avec un rendement élevé et sans pièces mobiles, grâce à l'utilisation de semi-conducteurs en commutation.

1. Les convertisseurs statiques et leurs applications

• Redresseurs commandés : permettent de régler la valeur moyenne de la tension redressée. Utilisés dans les cartes électroniques, fours, électrolyse, transport à courant continu, variateurs de vitesse de moteurs à courant continu.
• Onduleurs : transforment une tension/intensité continue fixe en une tension/intensité alternative. La fréquence et la valeur efficace sont réglables. Utilisés pour produire une tension alternative à fréquence fixe ou variable, alimentation sans interruption.
• Gradateurs : fournissent une tension alternative de valeur efficace réglable à partir d’une tension alternative fixe en fréquence et amplitude. La fréquence n’est pas réglable. Utilisés en électrothermie, éclairage, démarrage progressif de moteurs asynchrones.

Un transformateur modifie le niveau de tension d’une source alternative sans changer la fréquence, par induction. Ce n’est pas un convertisseur statique car il n’utilise pas d’interrupteur.

1. II.1 Interrupteur parfait

Un interrupteur parfait possède deux états distincts :

a) Caractéristique statique $i=f(u)$

• Formée de 4 segments confondus avec les axes $u$ et $i$ :
  • Pour $i=0$, $u$ peut être positif ou négatif arbitrairement.
  • Pour $u=0$, $i$ peut être positif ou négatif arbitrairement.

b) Propriétés clés

• Puissance consommée : $$P = u \cdot i = 0$$
• Rendement : $$\eta = 1$$
• Supporte des tensions directes ou inverses de valeur arbitraire à l’état ouvert (courant nul).
• Conduit des courants de valeur quelconque sans chute de tension à l’état fermé (pas de résistance interne).
• Commutation instantanée entre états ouvert et fermé.
• Nécessite une puissance nulle pour la commande.

c) Remarques

• Les pertes en conduction et commutation sont très faibles, ce qui permet un rendement élevé et réduit les besoins en refroidissement.
• Ce modèle idéal est difficile à réaliser techniquement.
• On peut avoir des interrupteurs à 2, 3 ou 4 segments selon la nature et la réversibilité des sources et charges.
• En première approximation, on suppose les interrupteurs idéaux pour l’étude des convertisseurs, avec des caractéristiques statiques formées de segments alignés sur les axes.

L’interrupteur parfait commute instantanément sans pertes, supporte toute tension en ouverture et tout courant en fermeture, avec un rendement égal à 1.

1. Interrupteurs à semi-conducteur : notions clés

• Un interrupteur à semi-conducteur est un dipôle dont la résistance $r_k$ varie entre :

  • État ouvert (bloqué) : $r_k$ très élevée
  • État fermé (passant) : $r_k$ très faible

• La caractéristique dynamique décrit la trajectoire du point de fonctionnement lors du passage d’un état à l’autre.

• La période de commutation $T_{com}$ correspond au temps nécessaire pour passer d’un état à l’autre.

• L’énergie dissipée lors de la commutation est donnée par :

  $$W = \int_{T_{com}} v_k(t) \cdot i_k(t) \, dt$$

  avec $W \geq 0$ (interrupteur dissipatif).

2. Types de commutation

• Amorçage : passage de l’état ouvert (O) à fermé (F)
• Blocage : passage de l’état fermé (F) à ouvert (O)

3. Conséquences pratiques

• La commutation entraîne des pertes par commutation et une élévation de température.
• Ces pertes limitent la fréquence maximale de commutation des dispositifs.

4. Classification des semi-conducteurs de puissance

5. Focus sur les composants de base en convertisseurs de puissance

• Diode de puissance : commutation spontanée, utilisée pour redressement et protection.
• Transistor MOS : interrupteur commandé, rapide, faible perte en conduction.
• IGBT : combine les avantages du BJT et du MOSFET, utilisé pour des puissances élevées.

La diode de puissance est un composant clé pour les convertisseurs statiques, assurant la conduction dans un seul sens avec une commutation naturelle sans commande externe.

1. Symbole et caractéristiques statiques

Le transistor MOSFET de puissance est un composant à trois électrodes :

• Drain (D)
• Source (S)
• Grille (G), électrode de commande isolée par une couche d'oxyde.

Son symbole comprend une diode de structure interne entre drain et source, représentée par un segment en pointillés. Cette diode peut influencer le fonctionnement et doit être prise en compte si spécifiée.

Le transistor est commandé en tension par la tension $v_{GS}$ (grille-source).

2. Conditions de fonctionnement idéales

• $V_{th}$ : tension de seuil de conduction du MOSFET.
• L'état passant est imposé par la tension de commande $v_{GS}$.
• L'état bloqué est imposé par la tension $v_{GS}$ inférieure au seuil.

3. Caractéristique statique idéale

La caractéristique $i_D = f(v_{DS})$ à $v_{GS}$ fixé est composée de 3 segments :

1. Blocage : $i_D = 0$ pour $v_{GS} < V_{th}$.
2. Conduction linéaire : $i_D$ augmente avec $v_{DS}$ pour $v_{GS} \geq V_{th}$.
3. Diode de structure : conduction possible dans le sens inverse via la diode interne.

4. Propriétés clés du transistor MOS de puissance

• Commande en tension : faible consommation de commande grâce à la grille isolée.
• Commutation rapide : adaptée aux convertisseurs statiques.
• Diode de corps intégrée : influence la conduction inverse, à prendre en compte dans les applications.
• Tension de seuil $V_{th}$ : caractéristique essentielle pour la commande.

À retenir : Le transistor MOSFET de puissance est un interrupteur commandé en tension, avec une diode interne, dont l’état passant est obtenu pour $v_{GS} \geq V_{th}$ et l’état bloqué pour $v_{GS} < V_{th}$.

1. Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT)

L’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) combine les avantages du transistor bipolaire et du transistor MOS :

2. Symbole et fonctionnement

• Symbole : grille (G), collecteur (C), émetteur (E).
• Commande : par la tension $v_{GE}$ entre grille et émetteur.
• Conditions de fonctionnement :

3. Caractéristique statique

• L’IGBT se comporte côté commande comme un MOS (commande en tension).
• Côté sortie, il se comporte comme un transistor bipolaire (faible chute de tension en conduction).
• La caractéristique $i_c = f(v_{CE})$ présente deux segments :
  • Blocage : $i_c = 0$ pour $v_{GE} \leq 0$.
  • Conduction : $v_{CE}$ faible pour $v_{GE} > 0$.

4. Avantages clés de l’IGBT

• Commande simple en tension (comme MOS).
• Faible chute de tension à l’état passant (comme bipolaire).
• Temps de commutation courts permettant des fréquences élevées.
• Capacité à supporter des tensions élevées (jusqu’à plusieurs centaines de volts).

L’IGBT est idéal pour les applications de puissance moyenne à élevée où la commande en tension et la faible perte en conduction sont essentielles.

1. Association de composants semi-conducteurs

Pour modifier les caractéristiques statiques et dynamiques des interrupteurs, on associe plusieurs composants semi-conducteurs dans un même boîtier ou sur une même pastille, avec une commande adaptée.

a) Exemple 1 : Association en série d'une diode et d'un IGBT

• Configuration : diode et IGBT montés en série.
• Caractéristiques :
  • Tension totale = somme des tensions aux bornes de chaque composant.
  • Courant identique dans les deux composants.
• Résultat : interrupteur à 3 segments, unidirectionnel en courant, capable de bloquer une tension dans les deux sens (bidirectionnel en tension).

b) Exemple 2 : Association en anti-parallèle d'une diode et d'un IGBT

• Configuration : diode et IGBT montés en anti-parallèle.
• Caractéristiques :
  • Interrupteur à 3 segments, bidirectionnel en courant.
  • Amorcage et blocage commandés dans le sens direct ($i > 0$).
  • Amorcage et blocage spontanés dans le sens inverse ($i < 0$).
• Utilisation : très courant dans les hacheurs et onduleurs, notamment lorsque le MOSFET ne convient pas.
• Remarque : le MOSFET possède une diode intrinsèque entre grille et source, mais ses caractéristiques sont moins bonnes qu'une diode rapide externe.

2. Bilan comparatif des composants semi-conducteurs

L'IGBT est le composant le plus utilisé en électronique de puissance pour des calibres élevés (tension jusqu'à plusieurs kV, courant > 1000 A), avec une fréquence de fonctionnement de quelques kHz à plusieurs dizaines de kHz.

3. Points clés à retenir

• L'IGBT combine la simplicité de commande du MOSFET avec la capacité de courant élevée du bipolaire.
• L'association série ou anti-parallèle de composants permet d'obtenir des interrupteurs aux caractéristiques adaptées à des besoins spécifiques (bidirectionnalité en courant ou en tension).
• La commande négative de grille (-15 V) est recommandée pour bloquer efficacement les IGBTs de fort calibre.
• La "queue" de courant lors du blocage de l'IGBT est la principale source de pertes par commutation.
• Le MOSFET est préféré pour les faibles puissances et hautes fréquences, tandis que l'IGBT domine dans les puissances moyennes à élevées.

1. Interrupteurs statiques : définitions et caractéristiques

Un interrupteur statique est un composant électronique permettant de commander le passage ou le blocage du courant sans pièces mobiles. Les principaux types sont : Transistor MOS, IGBT, BJT, Thyristor, GTO, MCT.

2. Comparaison Transistor MOS vs IGBT

3. Notations importantes pour les critères de choix

4. Domaine de fonctionnement des interrupteurs statiques

• Pouvoir de coupure : tension et courant maximum supportés en état bloqué.
• Rapidité de commutation : fréquence maximale de commutation possible.

5. Définitions spécifiques

• Thyristor : diode commandée à la fermeture (commutation par la grille).
• GTO (Gate Turn-Off Thyristor) : thyristor commandé à la fermeture et à l'ouverture.
• MCT (MOS Controlled Thyristor) : thyristor commandé à la fermeture et à l'ouverture par MOS.

6. Critères de choix d'un interrupteur statique

1. Type d'interrupteur : adapté à la puissance, fréquence de commutation, et mode de commande.
2. Critères électriques :
   • Courant moyen maximal (dépend de la charge).
   • Tension inverse maximale (liée au réseau).
3. Pertes estimées :
   • Résistance dynamique, tension seuil, tension à l'état passant.
4. Critères thermiques :
   • Résistance thermique ($R_{th}$).
   • Température maximale de jonction (dimensionnement du radiateur).

7. Remarque sur les sources en électronique de puissance

En électronique de puissance, la charge est souvent modélisée comme une source (exemple : circuit d'induit d'une machine à courant continu équivalent à une source de courant à cause de l'inductance des bobinages).

1. Sources d'entrée et de sortie

• Source réversible en tension : la tension à ses bornes peut changer de signe.
• Source réversible en courant : le courant qui la traverse peut s'inverser.

Exemples :

• Machine à courant continu (MCC) : source réversible en tension et en courant (inversion de vitesse et freinage électrique).
• Batterie : source irréversible en tension, réversible en courant (charge/décharge).

La réversibilité implique que la source peut fonctionner en générateur ou récepteur, avec puissance positive ou négative.

Importance : Identifier les quadrants de fonctionnement et la réversibilité de la source de sortie est essentiel pour choisir un convertisseur statique adapté, souvent réversible pour permettre un transit bidirectionnel de l'énergie.

2. Structure des convertisseurs

La structure dépend de :

• La nature des sources d'entrée et de sortie (tension ou courant).
• Le type des sources (monophasé, triphasé).

3. Convertisseurs directs

a) Convertisseurs directs tension → courant

• Conversion entre une source de tension imposant $V_e$ et une source de courant imposant $I_s$.
• Trois types de connexions possibles entre ces sources pour permettre tous les échanges d'énergie.
• Structure la plus simple : pont en H à 4 interrupteurs ($K_1$, $K_2$, $K_3$, $K_4$).

• $K_i = 1$ : interrupteur fermé; $K_i = 0$ : interrupteur ouvert.
• Cette structure est utilisée dans les hacheurs et partiellement dans les onduleurs.

b) Convertisseurs directs courant → tension

• Correspondent aux montages redresseurs ou commutateurs de courant.
• Structure identique à celle des convertisseurs directs tension-courant.
• Permettent la conversion inverse, du courant vers la tension.

Un convertisseur statique direct relie directement une source de tension à une source de courant sans modification de la nature des grandeurs électriques, grâce à des structures adaptées comme le pont en H.

1. Cellule élémentaire de commutation

Une cellule élémentaire de commutation est constituée de deux interrupteurs dont les états sont strictement complémentaires : un seul est passant (ON) à la fois, l'autre est bloqué (OFF). Cette organisation garantit le respect des règles d'association des sources, notamment qu'une source de tension ne soit jamais court-circuitée.

a) Relations fondamentales dans la cellule

• Tension aux bornes des interrupteurs :

$$V_{K1} + V_{K2} = V$$

avec

$$\begin{cases} V_{K2} = V & \text{si } K1 \text{ est ON} \\ V_{K1} = V & \text{si } K2 \text{ est ON} \end{cases}$$

• Courant dans les interrupteurs :

$$i_{K1} - i_{K2} = I$$

avec

$$\begin{cases} i_{K1} = I & \text{si } K1 \text{ est ON} \\ i_{K2} = -I & \text{si } K2 \text{ est ON} \end{cases}$$

Le courant dans un interrupteur passant est donc égal, à un signe près, au courant de la source de courant.

b) Réversibilité et contraintes sur les interrupteurs

• Si la source de tension est bidirectionnelle, l'interrupteur doit supporter une tension bidirectionnelle.
• Si la source de courant est bidirectionnelle, l'interrupteur doit supporter un courant bidirectionnel.

Ces deux types de réversibilité (en tension et/ou en courant) déterminent le choix du type d'interrupteurs utilisés dans la cellule.

2. Contexte des convertisseurs indirects

• Convertisseurs indirects tension-tension :
  Deux sources de tension ne peuvent être connectées directement. On utilise un élément de stockage inductif (bobine $L$) qui agit comme une source de courant dynamique.

  • L'inductance stocke l'énergie (interrupteur $K5$ ON, $K1K2K3K4$ OFF).
  • Elle restitue l'énergie à la source de sortie dans un sens ou l'autre (selon les interrupteurs $K1K4$ ou $K2K3$ ON).
  • Plus $L$ est grand, plus $\frac{di}{dt} = \frac{u}{L}$ est faible, donc $i \approx \text{constante}$ (source de courant dynamique).

• Convertisseurs indirects courant-courant :
  Deux sources de courant ne peuvent être connectées directement. On utilise un élément de stockage capacitif (condensateur $C$) qui agit comme une source de tension dynamique.

  • Le condensateur stocke l'énergie (interrupteurs $K1K2$ ON, $K3K4K5$ OFF).
  • Il restitue l'énergie à la source de sortie dans un sens ou l'autre (selon les interrupteurs $K5K1K4$ ou $K5K2K3$ ON).
  • Plus $C$ est grand, plus $\frac{du}{dt} = \frac{i}{C}$ est faible, donc $u \approx \text{constante}$ (source de tension dynamique).

À retenir : La cellule élémentaire de commutation assure la commutation rigoureuse entre deux interrupteurs complémentaires, permettant la gestion sécurisée des sources de tension et de courant dans les convertisseurs indirects.