Cours II Mécanismes de commutation dans les convertisseurs statiques
Chargée de Cours: Dr.CHERIFI
24
Règle de fonctionnement au niveau de la cellule
La commutation est dite positive si le potentiel du point C augmente.
La commutation est dite négative si le potentiel du point C diminue
Si le courant I est du même signe que la commutation alors on a un Amorçage Commandé
de l'interrupteur initialement ouvert et un blocage spontané de l'interrupteur initialement
fermé (2
eme
et 4
eme
cas).
Si le courant I est du signe opposé à la commutation alors on a un Blocage Commandé de
l'interrupteur initialement fermé et un Amorçage spontané de l'interrupteur initialement
ouvert (1
er
et 3
eme
cas)
(
a) Avant
1
er
cas: I>0, V<0
- Blocage Commandé
- Amorçage spontané
v
k1
i
k1
Blocage
commandé
v
k2
i
k2
(
b) Après
2
eme
cas: I>0, V>0
- Amorçage Commandé
- Blocage spontané
v
k1
i
k1
Blocage
spontané
v
k2
i
k2
K
1
K
2
V
i
K2
=0
C
I
i
K1
=I
K
1
K
2
i
K2
=-I
C
I
i
K1
=0
V
Cours II Mécanismes de commutation dans les convertisseurs statiques
Chargée de Cours: Dr.CHERIFI
25
II.4.2.2. Commutation Forcée
La commutation est forcée, quand le courant dans un semi-conducteur à fermeture
commandée ne s’éteint ni de lui même, ni du fait du blocage du semi-conducteur suivant.
L’extinction nécessite une action spécifique:
-Soit une action sur son électrode de commande, s’il s’agit d’un composant à fermeture et
ouverture commandées (MOSFET, IGBT, thyristor GTO…etc) ;
-Soit l’addition d’un circuit auxiliaire de commutation, si le composant ne peut être commandé
qu’à la fermeture (thyristor classique). Ce circuit auxiliaire est aussi appelé circuit d’extinction ou
circuit de soufflage.
Exemple:
Les conversions d’énergie obtenues à l’aide de ce type de commutation sont :
la conversion continu-alternatif à fréquence variable, ou onduleurs autonomes ; la
fréquence de sortie est imposée par la commande des interrupteurs ;
la conversion continu-continu à valeur moyenne de sortie variable ; il y a là aussi possibilité
de réversibilité de l’écoulement de la puissance.
(
a) Avant
3
eme
cas: I<0, V>0
- Blocage Commandé
- Amorçage spontané
v
k1
i
k1
Blocage
commandé
v
k2
i
k2
(
b) Après
4
eme
cas: I<0, V<0
- Amorçage Commandé
- Blocage spontané
v
k1
i
k1
Blocage
spontané
v
k2
i
k2
Amorçage
commandé
K
1
K
2
V
i
K2
=0
C
I
i
K1
=I
K
1
K
2
V
i
K2
=-I
C
I
V
K2
=0
V
K1
=V
i
K1
=0
Cours II Mécanismes de commutation dans les convertisseurs statiques
Chargée de Cours: Dr.CHERIFI
26
I
Exemple de Commutation Forcée en commande au blocage:
Le principe de base est le suivant, Comme on ne peut pas provoquer
l’ouverture
de
l’interrupteur par sa commande, on va provoquer son
blocage spontané
.
Le schéma de principe élémentaire est celui de la figure
14
.
Le circuit auxiliaire de commutation forcée est constitué d’un interrupteur K
3
commandé à l’amorçage et d’un condensateur C préalablement chargé sous une tension
V
C0
, d’amplitude et de polarité telles que la commutation K
1
K
3
soit possible par
commande à l’amorçage de K
3
-
Figure 14 (I)-
.
Cette commutation naturelle quasi instantanée effectuée, l’interrupteur K
1
se bloque
spontanément et la continuité du courant I est assurée par le condensateur C
-Figure
14 (II)-
.
La tension aux bornes de K
2
est alors une fonction linéaire et croissante du temps:
t
c
I
VVv
Ck
02
.
Quand
V
K2
= 0,
soit
au
bout
d’un
temps
I
C
VVt
Cc
)(
0
,
l’inter
rupteur
K
2
s’amorce spontanément, ce qui entraîne le blocage spontané de K
3
-Figure 14 (III)-
.
Il y a commutation naturelle libre de K
2
et de K
3
.
Le circuit de
la figure 14
est un circuit élémentaire de principe. La mise en œuvre de
la commutation forcée entraîne l’utilisation d’éléments supplémentaires, liés à la
nécessité de mise en condition du condensateur avant chaque commutation, avec de
nombreuses variantes.
Nous pouvons toutefois tirer les
remarques suivantes :
1.
la commutation forcée entraîne une complexité plus grande du circuit de la
+
K
1
K
2
I
V
-
K
3
a
+
-
+
V
c
C
I
I
+
K
1
K
2
I
V
-
K
3
+
-
V
c
C
II
-
I
+
K
1
K
2
I
V
-
K
3
-
+
C
I
III
Figure (II.14) : Cycle de commutation
Cours II Mécanismes de commutation dans les convertisseurs statiques
Chargée de Cours: Dr.CHERIFI
27
cellule de commutation et de son mécanisme de fonctionnement ; cette
complexité peut avoir une influence non négligeable sur le fonctionnement du
système dans son ensemble (temps de commutation considérablement accru,
séquences supplémentaires de charge du condensateur) ;
2.
la commutation forcée entraîne aussi des contraintes spécifiques, liées à la présence
du condensateur (surtensions aux bornes des interrupteurs, par exemple) ;
3.
les interrupteurs utilisés sont soit des thyristors (amorçage commandé, blocage
spontané), soit des diodes (amorçage spontané, blocage spontané).
II.5. Calcul des Pertes
On distingue deux types fondamentaux de pertes :
Les pertes de conduction,
Les pertes par commutation.
II.5.1. Pertes de conduction
Apparaissent lorsque qu’un interrupteur est passant car le silicium composant ces
interrupteurs possède une résistance interne. Cette dernière fait que la valeur de la tension
résiduelle aux bornes de celui-ci (v
ce
pour le transistor ou v
d
pour la diode) évolue en fonction du
niveau du courant le traversant, engendrant par conséquent des pertes par conduction. Cette
résistance évolue avec le courant traversant le composant.
- Exemple:
Les pertes de conduction dans une diode
1- Etat bloqué : Courant très faible pertes négligeables.
2- Etat passant : Pertes totales égales aux pertes par conduction.
T
DDcond
dttItV
T
P
0
)().(
1
(II.07)
avec :
)(.)(
00
tIREtV
DD
T
DDcond
dttItIRE
T
P
0
00
)()).(.(
1
(II.08)
T T
DDcond
dttIR
T
dttIE
T
P
0 0
2
00
)(.
1
)(.
1
(II.09)
Ce qui nous donne :
2
0
..
effDmoycond
IRIEP
(II.10)
Si on a « n » diodes identiques les pertes seront donc :
Cours II Mécanismes de commutation dans les convertisseurs statiques
Chargée de Cours: Dr.CHERIFI
28
)...(
2
0 effDmoycond
IRIEnP
(II.11)
Les pertes de conduction dans un thyristor
2
0
..
effThmoycond
IRIEP
(II.12)
Les pertes de conduction dans un transistor bipolaire
T
CCEcond
dtIV
T
P
0
.
1
(II.13)
Les pertes de conduction dans un transistor MOS
2
.
effDSoNcond
IRP
(II.14)
Les pertes de conduction dans un transistor IGBT
moycsatCEcond
IRP .
(II.15)
II.5.2. Pertes par commutation
Les interrupteurs utilisés en électronique de puissance ne sont pas idéaux car leurs
commutations ne sont pas instantanées. Les grandeurs importantes des semi-conducteurs évoluent
comme le présente la Figure II.15.
Figure (II.15) : Evolutions des grandeurs aux bornes des semi-conducteurs.
Lors de la mise en conduction, la tension passe d’une valeur u à une valeur 0 et le courant
d’une valeur 0 à une valeur i, en observant sur la commutation (amorçage et blocage), il
apparaît de zone de "chevauchement" du courant et de la tension du composant
(essentiellement au niveau du blocage sur cet exemple). Ceci signifie que la puissance
instantanée consommée par le composant, égale au produit V
k
,i
k
, n'est pas nulle durant cette
phase, qui est périodique, et qu'ainsi une puissance moyenne est consommée par le
composant. cette puissance représente les pertes par consommation.
En supposant que ces évolutions se font simultanément et de façon linéaire, on calcule
l’énergie dissipée par:
T
com
dttiv
T
P
0
).(..
1
(II.16)