Cours II Mécanismes de commutation dans les convertisseurs statiques
Chargée de Cours: Dr.CHERIFI
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II.1. Introduction
Les convertisseurs de l’électronique de puissance utilisant des composants semi-
conducteurs fonctionnant en commutation. Donc, il est nécessaire de connaître le comportement
des semi-conducteur pendant ces transitions de l’état passant à l’état bloqué, ou des transitions
inverses.
II.2. Définition de la commutation
La commutation consiste de passer d'un état conducteur à un état bloqué et vice-versa d'un
interrupteur.
K
Tension imposée
par le circuit
extérieur
I
K
=0
V
K
Interrupteur ouvert (état bloqué)
-Position OFF-
K
V
K
=0
I
K
Interrupteur fermé (état conducteur)
-Position ON-
Figure (II.1) : Passage de l'état ouvert à l'état fermé d'un interrupteur
V
K
I
K
=0
V
K
=0
I
K
V
K
I
K
Commutation
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II.3. Définition de la cellule de commutation
Une cellule de commutation est un ensemble d’interrupteurs tel qu’à tout instant un seul
d’entre eux est passant. L’ensemble {K
1
; K
2
} constitue une cellule de commutation.
II.3.1. Important sur la cellule de commutation
– K
1
et K
2
ne peuvent être simultanément passants, car si tel était le cas, la source de tension
serait court-circuitée.
– K
1
et K
2
ne peuvent être simultanément bloqués, car si tel était le cas, la source de courant
serait ouverte.
Nous en déduisons que les états de K
1
et K
2
sont obligatoirement complémentaires.
II.4. Aspect de la commutation
La commutation présente un aspect local et un aspect système.
II.4.1. Aspect local de la commutation
L'aspect local de la commutation d'un interrupteur est relatif aux modes de
fonctionnement de l'interrupteur et à la manière dont son basculement peut ou doit s'effectuer.
Les caractéristiques statiques et dynamiques des interrupteurs ainsi que les règles qui lient ces
deux types de caractéristiques représentent l'aspect local de la commutation.
II.4.1.1. Régime statique
En régime statique, l’interrupteur se comporte comme une résistance non linéaire, très
faible à l’état passant, très élevée à l’état bloqué.
a. Caractéristique statique à 2 segments
L’interrupteur est unidirectionnel en tension et en courant. On distingue deux caractéristiques
statiques à 2 segments comme la montre la figure suivante :
Remarque : Une cellule de commutation n’est pas toujours composée de deux interrupteurs. Nous
verrons parmi les exercices le cas d’une cellule de commutation composée de 3 interrupteurs.
Figure (II.2) : Cellule de commutation à deux interrupteurs
K
1
K
2
U
I
K
1
K
2
U
I
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3
- pour l’une, tension V
k
et courant I
k
sont toujours de mêmes signes. C’est par exemple la
caractéristique statique d’un transistor.
- pour l’autre, tension V
k
et courant I
k
sont toujours de signes contraires c’est la
caractéristique idéale d’une diode.
b. Caractéristique statique à 3 segments
L’interrupteur est bidirectionnel en tension ou en courant comme le montre la figure ci après.
Il n’existe donc que deux caractéristiques statiques à trois segments qui peuvent être synthétisés
avec les interrupteurs T et D ayant des caractéristiques statiques à 2 segments, en les associant en
série ou en parallèle.
Figure (II.3): Caractéristiques statique à 2 segments
V
K
I
K
V
K
I
K
Diode
V
K
I
K
V
K
I
K
Transistor
Figure (II.4): Caractéristiques statique à 3 segments
V
K
I
K
V
K
I
K
Thyristor
V
K
I
K
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c. Caractéristique statique à 4 segments
L’interrupteur est bidirectionnel en tension et en courant. La caractéristique statique est
obtenue par association en série ou en parallèle des deux interrupteurs possédants des
caractéristiques statiques à 3 segments.
II.4.1.2. Régime dynamique / Mode de commutation
La caractéristique statique courant tension d’un interrupteur est insuffisante pour décrire
ses propriétés dynamiques, c’est à dire la manière selon laquelle l’interrupteur passe de l’état
bloqué à l’état passant et réciproquement.
- Passage de l’état ouvert à l’état fermé _ amorçage
- Passage de l’état fermé à l’état ouvert _ blocage
La trajectoire suivie par le point de fonctionnement constitue la caractéristique dynamique de
commutation.
L’interrupteur étant un élément dissipatif, la caractéristique dynamique ne peut être incluse que
dans les quadrants tels que le produit v
k
.i
k
> 0.
a. La commutation spontanée d’un interrupteur
Elle est identifiable dans son principe à celle d’une jonction PN (diode). La commutation
spontanée ne dépend que du circuit extérieur ; l’interrupteur commute naturellement car le point
de fonctionnement se déplaçant sur la caractéristique statique passe par zéro comme le montre la
figure suivante :
I
k
V
k
0
V
k
0
I
k
Amorçage spontané
Blocage spontané
Figure (II.5): La commutation spontanée d’un interrupteur
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5
- L’amorçage spontané s’effectue au passage par zéro de la tension v
k
(tension du circuit
extérieur).
- Le blocage spontané s’effectue au passage par zéro du courant i
k
(courant imposé par le circuit
extérieur).
- Ce mode de commutation s’effectue avec un minimum de pertes Joule puisque le point de
fonctionnement suit les axes.
b. La commutation commandée d’un interrupteur
L’interrupteur possède, en plus de ses électrodes principales, une électrode de commande sur
laquelle il est possible d’agir pour provoquer son changement d’état de manière quasi
instantanée.
Remarque :
- Si le temps de commutation est rapide, ainsi que la fréquence de commande de l’interrupteur,
les pertes joules peuvent être importantes.
II.4.2. Aspect système de la commutation
L'aspect système concerne la manière dont doivent effectivement fonctionner les deux
interrupteurs, associés dans une même cellule élémentaire de commutation, pour que la
commutation s'effectue correctement.
II.4.2.1. Commutation naturelle (fondamentale de la commutation)
La commutation est naturelle, quand l’extinction du courant dans la voie à ouvrir ne
nécessite pas l’action spécifique sur le semi-conducteur fermant cette voie. L’ouverture se passe
naturellement :
I
k
V
k
0
V
k
0
I
k
Amorçage commandé
Blocage commandé
Figure (II.6): La commutation commandée d’un interrupteur
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- Soit parce que le courant s’éteint de lui-même ;
- Soit parce que la phase de fonctionnement suivante provoque automatiquement cette extinction.
Considérons la cellule élémentaire de commutation de la figure
7
. Avec les
conventions arbitraires de signes définies sur cette figure, nous pouvons écrire en
permanence :
v
K1
+ v
K2
= V
1
– V
2
= V
(II.01)
i
K1
– i
K2
= I
(II.02)
Nota :
V et I sont des grandeurs invariables à l’échelle de la durée de la commutation
Avant et après la commutation, les états des deux interrupteurs
sont complémentaires ;
on a, par exemple :
— avant (Figure II.7. a) : K
1
passant, K
2
bloqué :
v
K1
= 0 ; i
K1
= I
(II.03)
v
K2
= V ; i
K2
= 0
(II.04)
— après (Figure II.7. b) : K
2
passant, K
1
bloqué :
v
K1
= V ; i
K1
= 0
(II.05)
v
K2
= 0 ; i
K2
= – I
(II.06)
Cela définit, sur les caractéristiques statiques, les points de fonctionnement
correspondants, représentés sur la figure
II.8.
, en supposant V > 0 et I > 0.
Figure (II.7): Cellule élémentaire avant et après la commutation
+
K
1
K
2
I
A
1
A
2
C
V
K2
=V
V
1
V
2
V
V
K1
=0
i
K2
=0
i
K1
=I
a- avant
-
K
1
K
2
I
A
1
A
2
C
V
K2
=0
V
1
V
2
V
V
K1
=V
i
K2
=-I
i
K1
=0
b- après
+
-
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En effet,
la Figure
II.8
montre, à l’évidence, que les caractéristiques dynamiques des
deux interrupteurs se situent dans deux quadrants adjacents et, cela, quels que soient les
signes respectifs de V et de I :
—
Le quadrant (I)
est relatif à K
1
; l’interrupteur correspondant doit donc obéir à un
mode de commutation
de type commandé
;
—
Le quadrant (IV)
est relatif à K
2
a forcément deux demi-axes de signes contraires;
le deuxième interrupteur doit, par contre, obéir à un mode de commutation de
type
spontané
.
Nous pouvons alors énoncer la loi fondamentale de la commutation naturelle :
Dans une cellule élémentaire de commutation d’un convertisseur statique, la
commutation naturelle est provoquée par le changement d’état commandé de l’un des
I
k1
V
k1
0
V
k2
0
I
k2
Figure (II.8): Cellule élémentaire de commutation : points de fonctionnement
statiques des interrupteurs immédiatement avant et après la commutation
Avant
I
K1
= I
V
K1
= 0
Après
I
K1
= 0
V
K1
= V
IV
I
Avant
I
K2
= 0
V
K2
= V
Après
I
K2
= -I
V
K2
= 0
I
k1
V
k1
0
V
k2
0
I
k2
Commutation commandée
Commutation spontanée
Figure (II.9): Cellule élémentaire de commutation : caractéristiques
dynamiques des deux interrupteurs
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interrupteurs (amorçage ou blocage selon le cas), entraînant le changement d’état spontané
de l’autre.
Exemple:
Les conversions d’énergie obtenues à l’aide de ce type de commutation sont :
– la conversion alternative-continu à rapport variable (flèche pleine) ;
Figure (II.10) : Redresseurs à thyristors
– la conversion alternative-alternative permettant de faire varier la valeur efficace du courant
dans la charge.
Figure (II.11) : Gradateurs
Cas particuliers:
- Dans le cas de sources reversibles, lorsque l'une des grandeurs V ou I passe par 0, il y a
possibilité d'amorcage ou de blocage spoantané d'un interrupteur, entrainant le basculement
simultané et spontané de l'autre. la commutation se fait alors sans commande, elle est liée à
l'évolution naturelle d'une grandeur electrique du circuit. Nous parlerons alors de commutation
naturelle libre.
Exemple: – la conversion alternative-continue;
Figure (II.12) : Redresseurs à diodes