Loading AI tools
De Wikipédia, l'encyclopédie libre
L'électronique de puissance est une branche de l'électronique qui traite les puissances élevées et, « les dispositifs qui permettent de convertir celles-ci sous une forme non électrique[1] » (convertisseurs[2]) et de les commuter, avec ou sans commande[3].
L'électronique de puissance comprend l'étude, la réalisation et la maintenance :
L'électronique de puissance, ou plus correctement « 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 et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès faits dans le domaine des interrupteurs électroniques.
C'est l'électronique de commutation: elle est basé sur la commutation, tire parti du fait qu'un interrupteur parfait fermé (résistance nulle, tension aux bornes nulle) ou ouvert (résistance infinie, courant traversant nul) ne dissipe aucune énergie, donc ne présente aucune perte. Lorsqu'il est associé à des éléments de filtrage passifs et purement réactifs (c'est-à-dire sans aucune résistance interne), il permet théoriquement de modifier la tension et/ou le courant sans perte, donc de réaliser une conversion de tension ou de courant en conservant l'énergie. Ce but est atteint en découpant la tension et/ou le courant à très haute fréquence (par rapport à la fréquence d'entrée ou de sortie du convertisseur) et en lissant le résultat obtenu pour en extraire la valeur moyenne. En pratique, on doit s'attendre à des pertes de l'ordre de 2 à 10 % dues à l'imperfection des éléments physiques qui le constituent. Ces pertes raisonnables justifient l'essor de ce type d'électronique dans les systèmes à haute puissance, puisqu'elles permettent une évacuation de la chaleur générée sans recourir à des moyens extrêmes et coûteux. Progressivement, l'électronique de puissance s'est imposée dans tous les domaines où les pertes doivent rester faibles pour limiter l'échauffement, comme dans les ordinateurs, et où le rendement doit être élevé pour préserver la source d'énergie, comme dans les systèmes alimentés par batteries (GSM, GPS, ordinateurs portables…).
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 moindre 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 :
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 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.
Elles sont équivalentes à un clapet dans une installation hydraulique.
Deux paramètres sont à prendre en compte :
Les trois principaux défauts du composant sont :
Actuellement les diodes se déclinent en plusieurs catégories :
Ce sont des interrupteurs électroniques dont le blocage ou l'amorçage 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 kilowatts).
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 dans les alimentations à découpage. En effet, à chaque commutation, les capacités parasites présentes à ses bornes doivent être chargées ou déchargées entraînant des pertes en CV².
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.
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 kilovolts et avec des courants de quelques dizaines d'ampères à quelques kiloampères.
Composant fonctionnant grossièrement comme un clapet commandé par un « tire-suisse » :
Pour ces raisons le thyristor est réservé à des applications concernant les très fortes tensions (> kilovolts) 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.
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 (es) CALC ou snubber en anglais, et cela 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) résonants[4].
Deux types d’interrupteurs peuvent être utilisés, conduisant à deux types de commutations douces :
Pour parvenir au passage à zéro de l’une des grandeurs il est nécessaire d’ajouter un circuit oscillant dans le montage, d’où leur nom de convertisseurs quasi résonants.
On distingue généralement quatre grandes fonctions de convertisseurs dans l'électronique de puissance :
Mais en plus de ces dénominations purement fonctionnelles, des noms particuliers ont été donnés à certains convertisseurs.