University of Sciences and Technology Houari BoumedieneLaboratoiry of Instrumentation (LINS) Algiers ALGERIAE-mail: fbouchafa@gmail.comUSTHB, Facult dElectronique et InformatiqueBab-Ezzouar, Alger, ALGERIEhttp://www.usthb.dzELECTRONIQUE DE PUISSANCEDr.F.BOUCHAFAA 1PLAN DE TRAVAILPLAN DE TRAVAILLes thyristorsLes interrupteurs semi conducteursApplications des convertisseurs statiquesLes diodesLes transistors14625Constitution des convertisseurs statiques3Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA 2Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneLes interrupteurs semi conducteursDr.F.BOUCHAFAA 3Dr.F.BOUCHAFAA 4Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneActuellement, on n Actuellement, on n utilise pratiquement que des composants form utilise pratiquement que des composants form s de semi s de semi- -conducteurs. conducteurs.Les puissances Les puissances commandables commandables couvrent une large plage. Il existe en effet des couvrent une large plage. Il existe en effet descomposantscapablessupporter composantscapablessupporter l l tat tat OFF OFFdestensionsdeplusieurs destensionsdeplusieurscentainesde centainesdevolts volts, et , et l l tat tat ON ON des courants de plusieurs des courants de plusieurs milliers d milliers d amp amp res res. .Lapuissancequepeut Lapuissancequepeut commander commander untel composant est leproduit ducourant maximum untel composant est leproduit ducourant maximum(qu (qu il peut supporter il peut supporter l l tat conducteur) par la tension maximum (qu tat conducteur) par la tension maximum (qu il peut supporter il peut supporter l l tat tatbloqu bloqu ) . ) .Enfait, lescomposantsnesont pasid Enfait, lescomposantsnesont pasid auxet dissipent doncdelapuissancesousformede auxet dissipent doncdelapuissancesousformedechaleur.Lapuissancequ chaleur.Lapuissancequ uncomposant uncomposant lectroniquedepuissancepeutdissiperenchaleurest lectroniquedepuissancepeutdissiperenchaleurestcependant tr cependant tr s inf s inf rieure rieure la puissance qu la puissance qu il peut commander : il ne faut pas confondre les deux il peut commander : il ne faut pas confondre les deuxnotions. notions.Dr.F.BOUCHAFAA 5Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneCommande, ContrleSystmeElectrotechniqueEnergie EnergieSystmeElectronique(Automatique, InformatiqueAlimentationInformationSignalInformationSignalDr.F.BOUCHAFAA 6nergie lectriquefournie parlalimentationlectriquedisponiblesur la chargenergie lectriqueLes interrupteurs semi conducteursCONVERTISSEURSATIQUEInterfaceUniversit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneItItItItItItItItDr.F.BOUCHAFAA 7Lnergie lectrique est disponible soit sous forme:Continue (batterie daccumulateurs, gnratrice courantcontinu, cellules photovoltaques, pile combustible, ).Alternative (rseau de distribution lectrique, alternateurs)La charge peut ncessiter une alimentation en alternatif ou en continu. Il existe doncquatre fonctions de base des convertisseurs statiques.Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA 8Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneLes sources et les rcepteurs aliments par les diffrents convertisseurs dnergieSource alternative Rcepteur alternatifRcepteur continuSource continueGradateurRedresseurOnduleurHacheurAction sur lavaleur efficaceAction sur lavaleur moyenneItItItItItItDr.F.BOUCHAFAA 9Le convertisseur jouant le rle dinterface entre une source alternative etune charge alimente en continu, est appel : Redresseur (Rectifier).A- Conversion Alternatif Continu (AC/DC):Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA 10B- Conversion Continu Continu (DC/DC):Le convertisseur jouant le rle dinterface entre une source continue etune charge alimente en continu, est appel : Hacheur (Chopper).Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA 11C- Conversion Continu Alternatif (DC/AC):Le convertisseur jouant le rle dinterface entre une source continue et une chargealimentes suivant le type de charge, ce convertisseur est appel onduleurautonome ou assist.Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA 12D- Conversion Alternatif Alternatif (AC/AC):Ces convertisseurs permettent dobtenir une tension alternative variable defrquence constante ou variable, partir dune source alternative.2. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tensionalternative de valeur efficace variable et de frquence variable infrieure lafrquence de la source. Cest le cyclo-convertisseur.1. Soit convertir une tension alternative de valeur efficace fixe en une tensionalternative variable. Cest le gradateurUniversit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA 13Un convertisseur statique est dit rversible lorsque lnergie, peut transiter (engnral, tre contrle) de manire bidirectionnelle, cest dire aussi bien dans un sensque dans lautre.Un convertisseur nonrversible transfre lnergie dune source vers une chargeutilisatrice.Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneConvertisseurrversibleEntre SortieEnergieConvertisseurNon rversibleEntre SortieEnergieDr.F.BOUCHAFAA 14Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneApplications domestiquesApplications industriellesProduction et Distribution de llectricit142Transport3Dr.F.BOUCHAFAA 15Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene-Alimentation des appareils lectroniques (TV, PC, magntoscopes, ).-lectromnager (aspirateur, rfrigrateur, lave-linge, lave-vaisselle, robotsculinaires,).-clairage. -Chauffage.-Appareil lectroportatif (perceuse, ).-Actionneurs domotiques (volets roulants, stores lectriques, ).Applications domestiques:Dr.F.BOUCHAFAA 16Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneLutilisation de llectronique de puissance prend de plus en plus dimportancepour deux raisons principales:Applications domestiques: Les cots de fabrication diminuent (facteur primordial dans les domaines de lagrande srie), les contraintes sur les niveaux de perturbations et le rendement augmentent.Dr.F.BOUCHAFAA17Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene- Pompes, compresseurs. -Variationdevitesse. -Chariotslectriques. -Chauffageparinduction.Applications industrielles:Dr.F.BOUCHAFAA18Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene- Grues. - Fours ( arcs, rsistance).- Appareils de soudage.- lectrolyse.-Onduleurs de secours.Applications industrielles:Dr.F.BOUCHAFAA 19Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Rseaux de bord davion, commande lectrique. Traction lectrique (trains, mtros, voitures lectriques, ). Propulsion lectrique des navires, gnration dlectricit bord des navires. Gnration de lnergie lectrique par des cellules photovoltaques, lesstations spatiales.Transport:Dr.F.BOUCHAFAA 20Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene Compensateur de puissance ractive et filtrage actif (augmenter le facteur depuissance dune installation et limiter les harmoniques de courant sur le rseau). Dispositif de stockage de lnergie.Les applications les plus puissantes des convertisseurs statiques concernent letransport courant continu - haute tension (CC-HT).Production et Distribution de llectricit:Dr.F.BOUCHAFAA 21Applications des convertisseurs statiques:Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneA laide de la technique IGCT, on peut construire des installations lectroniques depuissance plus compactes et de prix plus avantageux, par exemple des stations deconvertisseurs pour installations CCHT ou des compensateurs statiques depuissance ractive.Dr.F.BOUCHAFAA 22nousallonsdcriresimplementlesprincipalescaractristiquesexternesdes composants. Ils peuvent tre classs en trois groupes :1. Diodes. tats ferm ou ouvert contrls par le circuit de puissance.2.Thyristors. Fermparunsignal decommande, maisdoit treouvertpar le circuit de puissance.3. Interrupteurs commandables. l'ouverture et la fermeture. Ouvertset ferms par un signal de commande.Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneIII. Constitution des convertisseurs statiques:Dr.F.BOUCHAFAA 23 Transistors Bipolaires Jonctions (Bipolar Junction Transistors - BJTs); Transistors effet de champ Metal-Oxyde-Semi conducteur (MOSFETs); Thyristors commands l'ouverture (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO Thyristors); Transistors bipolaires grille isole (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBTs); Thyristors MOS Commands (MOS-Controlled Thyristors - MCTs).La catgorie des interrupteurs commandables inclut de nombreux types de composants:Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA 24Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneLes diodes de puissance1. DiodesDr.F.BOUCHAFAA 25Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene La diode est un composant non linaire qui ne laisse passer lecourant lectrique que dans un seul sensSymbole g Symbole g n n ral ral : :La diode est le semi-conducteur lmentaire constitu par une seule jonction PN etcaractristique courant tension nonlinaire.Enlectroniquedepuissance,ladiode est quivalente un interrupteur unidirectionnel non command.1. DiodesK AA KDr.F.BOUCHAFAA 26Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene1. DiodesFonctionnement en inverseFonctionnement en directCourant direct maximal demploi (IFM)Conductance dynamique (1/RD0)VATension de seuil (VD0)Phnomne davalancheIrrversible: destruction de la jonctionTension inverse maximale (VRM)Et le courant correspondant (IRM)Caractristique tension- courant de la diodeCourant inverse: qq (A)VDIDTension davalancheLa figure ci dessous dcrit la caractristique statique de la diode iD= f(VD).Dr.F.BOUCHAFAA 27Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene1. DiodesLorsqueladiodeest polariseendirect, ellecommenceconduirepartir dune faible tension de seuil Vseuil directe de l'ordre de 1V. Lorsque ladiode est polarise en inverse, seul un faible courant de fuite ngligeable(quelques mA) circule jusqu' atteindre la tension d'avalanche. Enfonctionnement normal, la tension inverse ne doit pas atteindre la tensiond'avalanche.Dr.F.BOUCHAFAA 28Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene1. DiodesDr.F.BOUCHAFAA 29Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene1. Diodesa) Faible puissance < 1Wb) Puissance moyennec) Puissance leve (kW)Dr.F.BOUCHAFAA 30Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene1. DiodesDr.F.BOUCHAFAA 31Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene1. Diodes4500V/800A press pack and 1700V/1200A module diodesDr.F.BOUCHAFAA 32Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumedienetats possibles d'une diode jonction1. DiodesQuand le circuit dans lequel la diode est place tend faire passer un courantdanslesensdirect, c..d delanodeAverslacathodeK,ladiodeestconductrice ou passante. Le courant iAK positif prend une valeur qui lui estimpose par le reste du circuit. Il faut veiller ce que la valeur moyenne deiAK ne dpasse pas le courant direct moyen tolrable par la diode. Si VAK > 0 : Ladiode est passante( A + ; K - )quivalente 1interrupteur FermiAK> 0VAK> 0AKEtat passant :Dr.F.BOUCHAFAA 33Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumedienetats possibles d'une diode jonction1. DiodesQuand une tension ngative aux bornes de la diode tend faire passer lecourant dans le sens indirect, c..d de la cathode K vers lanode A, ladiode est bloque ou isolante. La tension ngative ou inverse peut prendre,sous leffet du reste du circuit, des valeurs leves. Il faut veiller ce que latension inverse reste infrieure latensioninversemaximalequepeutsupporter la diode. Si VAK < 0 : La diodeest bloque( A - ; K + )quivalente 0interrupteur OuvertiAK=0VAK0 P=0Uc(t)>0et ic(t)>0donc P(t)>0Uc(t)>0et ic(t)>0donc P(t)>0Uc(t)=0et ic(t)>0donc P(t)=0Uc(t)=0et ic(t)>0donc P(t)=0Phase de roue librePhase de roue libre RedresseurRedresseurDr.F.BOUCHAFAA Redressement non command 31Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneMontage dun redresseur monophas point milieuVe1Ve2UcicRTrV1i1VD1D1ie1D2VD2ie2Le montage redresseur diodes est constitu de deux diodes connectes en sortie d'untransformateur point milieu:2- Commutation parallle simple - P2 diodesA partir du rseau monophas V1 , on obtient par l'intermdiaire du transformateur point milieudeux tensions sinusodales Ve1 et Ve2 de mme amplitude et dphases entre elles de t:Ve1(t) = Vmax sin etVe2(t) = Vmax sin (et + t)Ve2(t) = - Ve2 (t)Dr.F.BOUCHAFAA Redressement non command 322u(rad)t2t023 u(rad)t2t0223 Ve(t)Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneUcicD2Ve2RVD2TrV1i1+ie2UcicVD1Ve1RD1+i1V1Trie1Ve1VmaxVe2VmaxiC(t)UC(t)D1Uc Ve1 Ve2iCVe2/RVe1/REtat des diodesTension aux bornes de la chargeCourant traversant la chargeD2ImaxDr.F.BOUCHAFAA Redressement non command 33t 2t0223u(rad)Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneVe(t)u(rad)t2t0223 Ve1VmaxVe2VD1(t)VD12Ve0u(rad)t2t0223 Ve1Ve(t)VmaxVe2D1Uc Ve1 Ve2iCVe2/R Ve1/REtat des diodesTension aux bornes de la chargeCourant traversant la chargeD2u(rad)t2t0223 VmaxiC(t)UC(t)Imax-2VmaxTension aux bornes de la diodeDr.F.BOUCHAFAA Redressement non command 34Universit des Sciences et de TechnologieHouari Boumediene2VUmaxcmoy=La tension moyenne de Uc :Le courant moyen et efficace de ic(t) :La tension efficace de Uc :Cmoy Cmoy R.i U =| |2VcosV.d sin . V1(t)dt UT1Umax0max0maxTCmoy U= = = = = > 0 P0et ic(t)>0donc P(t)>0Uc(t)>0et ic(t)>0donc P(t)>0Uc(t)0donc P(t) t/6o o oUC(t)iC(t)UcThUniversit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA Redressement triphass 47u(rad)2t026734611V1V2 V3t335Montage PD3 command o < t/665236V3V1V2 V3Th2 Th1 Th3Th3 Etat des thyristorsTension aux bornes de Uco o oCharge inductiveUC(t)UcThu(rad)2t026734611V1V2 V3t335Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA Redressement triphass 48o o o65236Charge inductiveV3V1 V2 V3Th2Th1Th3Th3Etat des thyristorsTension aux bornes de UcMontage PD3 command o = t/6UC(t)UcThu(rad)2t026734611V1V2 V3t335Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA Redressement triphass 49o o o65236Montage PD3 command o > t/6Charge inductiveV3V1V2 V3Th2 Th3 Th3Etat des thyristorsTension aux bornes de UcTh1UC(t)UcThu(rad)2t026734611V1V2 V3t335Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA Redressement triphass 50o65236Montage PD3 command o > t/2Charge inductiveV3V1V2 V2Th2 Th3Etat des thyristorsTension aux bornes de UcTh1UC(t)o oUniversit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA Redressement triphass 51Charge inductiveV1V2 V3u(rad)2t026734611t33565236Montage PD3 command o = t/6 /6, la valeur moyenne de la tension redresse est positive, il en est donc demme pour la puissance active fournie par le rseau au rcepteur (P=Ucmoy Ic);le transfert de puissance se fait ducot alternatif vers le cot continu, lesystme fonctionne en redresseur.UC(t)Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA Redressement triphass 52Charge inductive > /2, la valeur moyenne de la tension redresse est ngative, il en est donc demme pour la puissance active fournie par le rseau au rcepteur (P=Ucmoy Ic);le transfert de puissance se fait ducot continuvers le cot alternatif, lesystme fonctionne en onduleur ou redresseur invers. Le rseau continunanmoins imposer la frquence et fournir de la puissance ractive, d'o laprcision parfois ajoute dans la dnomination d'onduleur non-autonome.Montage PD3 command o > t/6u(rad)UC(t)Universit des Sciences et de TechnologieHouari BoumedieneDr.F.BOUCHAFAA Redressement triphass 53Charge inductiveTension moyenne Uc(t):) cos( . V23 3Umax cmoyo =) cos( . V.R 23 3RUImaxcmoycmoyo= =Courant moyenneic(t):( ) d i21dt t iT1I672cT0D1 D1moy} }= =tCourant qui traverse une diode3IIcmoyD1moy =} }+ ++= = = > 0) cos(V . 3 3UmaxCot= > 90 alors Uc