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Composants de p l`électronique de l électronique de puissance
Composants p de ll’électronique électronique de puissance Plan I. Introduction V. Transistor MOS et MOSFET IV.1 Types/Fonctionnement II. La diode II.1 Diode réelle et modèle parfait f IV.2 IV 2 Limites et protections II.2 Critères de choix IV.3 Interfaces de commande II.3 Protections III. Le thyristor III.1 Thyristor réel et modèle parfait VI. Transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) VII. Complément III.2 III 2 Modes de blocage VI.1 Caractéristique par segments III.3 Critères de choix VI.2 Segments dans le cas de la diode, du thyristor et des transistors III.4 Commande du thyristor − Principes Pi i ett solutions l ti iindustrielles d t i ll IV. Transistor bipolaire VI.3 VI 3 Recherche de la réversibilité en courant IV.1 Types/Fonctionnement IV.2 Limites et protections IV.3 Pertes IV.4 IV 4 Interfaces de commande YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 2 / 37 18 Introduction (1/3) Électronique de puissance Étude des convertisseurs statiques d’é d’énergie i él électrique ti Énergie entrante I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Convertir l’énergie l énergie électrique Énergie sortante Convertisseur statique Constitution des convertisseurs (rappel) ( pp ) Composants réactifs (inductances couplées ou non, condensateurs) − Éléments non dissipatifs (ne consomment pas de puissance active) Composants semi semi-conducteurs conducteurs − Fonctionnement en commutation de type « tout ou rien » − Ils se comportent comme des interrupteurs ouverts ou fermés YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 3 / 37 18 Introduction (2/3) Interrupteur Un « dipôle » comme les autres Symbole - Notations I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Caractéristique statique i i(t) v(t) États Ouvert − Résistance très faible (R → 0), 0) − Tension très faible (v → 0) YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 v 0 − Résistance très élevée (R → ∞), ∞) − Courant très faible (i → 0) Fermé n v <0 i p Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance v <0 i 4 / 37 18 Introduction (3/3) I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Deux types de composants Non commandables – L’état est spontané Commandables − À la fermeture − À l’ouverture l ouverture Commande u Composant Composant i i u M d d’é Mode d’étude d Fonctionnement : Composants parfaits (sans pertes) Dimensionnement : Composant réel tenant compte des imperfections YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 5 / 37 18 La diode Composantt non C commandé La diode : Présentation I. Introduction II. La diode II.1 Diode réelle et modèle parfait III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Symbole - Notations iAK Anode (A) Deux états vAK Diode passante (ON) Cathode (K) − vAK ≈ 0 et positive Doc .1 − iAK existe − Interrupteur fermé Caractéristique statique En inverse, inverse le courant iAK est faible Tension inverse maximale Avalanche Quelques centaines de volts Diode bloquée (OFF) iAK − vAK < 0 − iAK ≈ 0 − Interrupteur ouvert Courantt direct C di t maximal En direct, VAK est faible vAK Quelques volts T Tension i d de seuilil YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Ch Changements t d’ét d’états t Mise en conduction : Transition OFF-ON − Ou « amorçage » − Spontané : iAK ou vAK deviennent positifs Blocage : Transition ON-OFF − Spontané : iAK annule Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 7 / 37 18 La diode : Composant idéalisé I. Introduction II. La diode II.1 Diode réelle et modèle parfait III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Diode parfaite iAK Caractéristique inverse État ON Caractéristique directe État OFF vAK Modèle utilisé pour les études de fonctionnement des convertisseurs YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 8 / 37 18 La diode : Choix du composant I. Introduction II. La diode II.2 Critères de choix III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Caractéristique statique (rappel) iAK Tension inverse maximale : VRRM Tension d’ d’avalanche l h Critères « courant » Courant direct maximal : IFM Courant direct moyen − IFMoy (F pour forward=Direct) Courant direct efficace (et/ou) − IRMS (RMS pour Root mean Square) vAK Courant direct maximal répétitif − IFRM (R pour repetitive) Critère « tension » Tension inverse maximale répétitive − VRRM Doc .1 YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 9 / 37 18 La diode : Protections contre les surintensités et les surtensions (1/2) Contre les surintensités Par fusible i D I. Introduction II. La diode II.3 Protections III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Contre les variations de tension (dv/dt) Condensateur et/ou circuit RC Contre les surtensions Contre les variations de courant (di/dt) : Circuit RC C i Inductance R Exemples C KD L i Élément non linéaire (diode transil) D2 itransil itransil vtransil i D D1 R1 L D YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance C i R2 D 10 / 37 18 La diode : Protections thermiques (2/3) I. Introduction II. La diode II.3 Protections III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Pertes de puissance : 2 origines État fixé : En conduction Changement Ch t d’ét d’étatt : E En commutation t ti Pertes en conduction Pertes en commutation Modèle du composant A VD0 rD Expression de la puissance K iD Expression de la puissance Pcond = p (t ) = V D 0⋅ i (t ) + rD⋅ i 2 (t ) Pcom = POFF −ON + PON −OFF Pcom = 1 1 I D ⋅ V ⋅ t mi ⋅ f + I D ⋅ V ⋅ t di ⋅ f 2 2 2 Pcond = V D 0⋅ I moyy + rD⋅ I eff ff Pertes totale Pd = Pcond+Pcom : Échauffement Un dissipateur thermique limite la température YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 11 / 37 18 La diode : Dissipateurs thermiques (3/3) Analogie thermique - électrocinétique Chaîne thermique I. Introduction II. La diode II.3 Protections III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments RthJB : Résistance thermique jonction-boîtier Dépend du contact jonction-composant Valeur donnée par le constructeur RthBR : Résistance boîtier-radiateur Dépend du moyen de fixation f + : Serrage et graisse de silicone – : Isolants électriques (mica) TJ TR TB TA Pd RthJB RthBR RthRA ( RthJB + RthBR + RthRA ) Pd = TJ − TA = ΔT YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 RthRA : Résistance thermique radiateur-ambiant + : Surface de dissipation importante + : Radiateurs de faible encombrement / grande surface d’échange + : La convection est favorable (ventilation) Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 12 / 37 18 Le thyristor : Présentation Symbole iAK I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.1 Thyristor réel et modèle parfait IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Anode (A) vAK Gachette (G) IG Cathode (K) Trois états Thyristor amorçable Caractéristique statique − vAK > 0 et iAK ≈ 0 Doc .2 − Interrupteur ouvert Thyristor bloqué (OFF) iAK − Comme une diode : iAK ≈ 0 et vAK < 0 Thyristor passant Thyristor amorçable − Interrupteur ouvert Thyristor y p passant ((ON)) − Comme une diode : iAK existe et vAK ≈ 0 − Interrupteur fermé A Changements d’états d états Ih vAK Avalanche Amorçage (A) : Transition OFF-ON − Courant de gâchette iG quand vAK positive Thyristor y bloqué YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Blocage : Transition ON-OFF − Spontané quand iAK annule Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 13 / 37 18 Le thyristor : Composant idéalisé I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.1 Thyristor réel et modèle parfait IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Thyristor parfait iAK État ON A vAK État OFF État OFF Modèle utilisé pour les études de fonctionnement des convertisseurs YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 14 / 37 18 Le thyristor : Blocage (1/2) Blocage par commutation naturelle Schéma d’étude Th ue I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.2 Modes de blocage IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments iAK Étude iG R us Chronogrammes g YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 15 / 37 18 Le thyristor : Blocage (2/2) I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.2 Modes de blocage IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Blocage par commutation forcée Schéma d’étude ThP E IP IE C – iAK Chronogrammes ThE R us + Uc Étude YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 16 / 37 18 Le thyristor : Choix du composant I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.3 Critères de choix IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Caractéristique statique (rappel) iAK Tension inverse maximale : VRRM Tension d’ d’avalanche l h Critères « courant » Courant direct maximal : IFM Ih Les mêmes que la diode : Thyristor en conduction d ti permanente t − Courant direct moyen (IFMoy) − Courant direct efficace (IRMS ) vAK − Courant C t di directt maximal i l répétitif é étitif (IFRM) Critères « tension » Mêmes contraintes que la diode : − Tension inverse maximale répétitive (VRRM) Protection du thyristor Les mêmes protections que la diode YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance Doc .2 17 / 37 18 Le thyristor : Principes de commande (1/2) Schéma équivalent du circuit de gâchette A G iG vGK G K RGK I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.4 Commande du thyristor - Principes IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments VGK0 K Illustration/Exemple Quand commander l’amorçage ? En accord avec le réseau sinusoïdal ((en redressement) : Synchronisation Attendre le passage à zéro du réseau Cet instant sert de référence (le « zéro »)) L’amorçage du thyristor est retardé par rapport à cet instant Références de tension différentes Séparation électrique : Isolement galvanique Interface iG Réseau (ex 220 V – 50 Hz) Charge Interface iG Commande (électronique) YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance Passage à zéro Consigne : retard par rapport à zéro 18 / 37 18 Le thyristor : Principes de commande (2/2) I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.4 Commande du thyristor - Principes … Séparer la commande et la puissance Pour la sécurité des personnes Pour la sécurité du matériel Isolement galvanique E Doc. D 5a/b i1 iG Dz N N u1(t) u2(t) D Isolement magnétique par transformateur d’impulsion (TI) Cmde L’i t L’intermédiaire édi i estt magnétique éti T − Transformateur +E1 Se référer à la commande d’un TI Le signal de commande permet au transistor T d’être alternativement passant puis bloqué pendant chaque demi-période. R1 +E2 + Isolement optique par opto-coupleur R2 L’intermédiaire L intermédiaire est optique (infra-rouge) (infra rouge) − Opto-coupleur − Circuit d’émission − Circuit Circ it de réception YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Th Doc. 6 T Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 19 / 37 18 Le thyristor : Commande industrielle Circuit intégré de synchronisation avec le réseau d’alimentation I. Introduction II. La diode III. Le thyristor III.4 Commande du thyristor – Commande industrielle IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Circuit TCA 785 (Siemens) Assure la détection du zéro secteur − Broche de VSYNC Délivre l’enveloppe des impulsions de gâchette 2 groupes de thyristors commandables Associer l’isolement galvanique (magn., optique) YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 20 / 37 18 Le transistor Composant commandé Transistor bipolaire : Présentation (1/2) 2 types de transistors Symboles Type NPN I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire IV.1 Types/Fonctionnement V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Type PNP iC iC iB VCE VBE NPN : Courants et tensions positifs iB iE VCE VBE PNP : Courants et tensions négatifs iE Le seul transistor utilisé en EnPu Propriétés principales du transistor NPN (seul décrit) Commandé à la fermeture (OFF-ON) à l’ouverture (ON-OFF) Non réversible en courant − Seul un courant de collecteur positif Non réversible en tension − Seule une tension vCE p positive est supportée pp YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 22 / 37 18 Transistor bipolaire : Présentation (2/2) Modes de fonctionnement iB = iC = 0 I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire IV.1 Types/Fonctionnement V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Transistor bloqué Interrupteur ouvert iC proportionnel à iB : iC = βiB Transistor en régime linéaire iB iBsat iB > iCsat/β 0 iC iC ne change pas : iC = iCsat Transistor saturé Interrupteur p fermé t iCsat iC = βiB ic constant t 0 vCE Conclusion Satisfaire la condition de non dissipation − iC = 0 quand vCE existe : p = 0 − vCE = 0 quand iC existe : p = 0 t 0 Mode de fonctionnement utilisé en EnPu − Fonctionnement tout ou rien : En commutation YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 23 / 37 18 Transistor bipolaire : Fonctionnement « parfait » Fonctionnement en commutation : 2 états Transistor bloqué (OFF) I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire IV.1 Types/Fonctionnement V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments − iC = 0 et vCE existe − Interrupteur ouvert Transistor passant (ON) − iC = iCsat et vCE = 0 Caractéristique tension-courant iC − Interrupteur fermé Transistor passant (ON) S Changements d’états : Transitions OFF-ON : Mise en conduction − iB > iBsat ON-OFF : Blocage − iB = 0 B vCE Transistor bloqué (OFF) YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 24 / 37 18 Transistor bipolaire : Limites de fonctionnement « réelles » À l’état ON Limite en puissance I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire IV.2 Limites et protections V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments − p = vCE.⋅iC < Pmax Courant de collecteur moyen maximal − ICmoymax Tension T i C C-E E de d saturation t ti − vCEsat de quelques volts A l’état OFF Protections En courant : Action rapide Commande de base Tension collecteur-émetteur maximale − À l’état OFF : vCEmax Courant de collecteur résiduel (« fuite ») − IC0 très petit (souvent négligé) + Réglage du seuil de courant ∞ & T – Mesure de iE iE Choix d’un transistor Courant de collecteur moyen : ICmoy C Tension maximale collecteur-émetteur VCEmax Doc .3 YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Thermique − Dissipateur comme diodes et thyristors Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 25 / 37 18 Transistor bipolaire réel : Pertes en fonctionnement I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire IV.3 Pertes V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Chronogrammes des courants et tension iB IBsat t 0 Saturation iC Quatre durées typiques td : Temps de retard du courant ICsat IC0 t 0 vCE td tr ts tf t vCEsat 0 tr : Temps de montée du courant ts : Temps T de d stockage t k (prolongement du courant) pT t 0 tf : Temps de descente du courant Deux types de pertes Quand les grandeurs sont établies : Pertes en conduction Quand les grandeurs changent : Pertes en commutation YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 26 / 37 18 Transistor bipolaire : Interfaces de commande I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire IV.4 Interfaces de commande V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments Fonctions réalisées par l’interface de commande Fonction F ti « amplifier lifi » − Courant de base du transistor Fonction « isoler » − Isolement galvanique entre la commande-puissance Fonction « adapter » MŒ entrante − Démagnétisation rapide du circuit magnétique Interface Alimenter Interface Distribuer Convertir transmettre Action Chaîne d’énergie É Énergie d’entrée YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 MŒ sortante Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 27 / 37 18 Transistor MOS et MOSFET : Présentation I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET IV.1 Types/Fonctionnement VI. Transistor IGBT VII. Compléments 2 types de transistors Symboles Canal N Canal P iD Grille (G) Drain (D) Substrat Source ((S)) vGS vDS Canall N : C Courants et tensions positifs p iD Grille (G) Drain (D) Substrat vGS Source ((S)) vDS Canall P : C Courants et tensions négatifs g Le seul transistor MOS utilisé en EnPu Propriétés (transistor canal N, seul décrit) Commandé à la fermeture (OFF-ON) à l’ouverture (ON-OFF) Non réversible en courant − Courant de drain positif exclusivement Non réversible en tension − Tension vDS positive seulement supportée YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 28 / 37 18 Transistor MOS–MOSFET parfait : Fonctionnement Fonctionnement en commutation : 2 états Transistor ouvert (OFF) I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET IV.1 Types/Fonctionnement VI. Transistor IGBT VII. Compléments − iC = 0 et vDS existe − Interrupteur ouvert Caractéristique tension-courant Transistor fermé (ON) − iD = iDmax et vDS = 0 iD − Interrupteur fermé Transistor fermé Changements d’états : Transitions OFF-ON : Mise en conduction − vGS > 0 ON-OFF : Ouverture − vGS = 0 O F vDS Transistor ouvert YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 29 / 37 18 Transistor MOS–MOSFET réel : Interfaces de commande Imperfections Moins contraignantes qu’en bipolaire I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET V.3 Interfaces de commande VI. Transistor IGBT VII. Compléments Le contrôle en tension rend la commande plus simple Contrainte majeure : Faire transiter les charges dans la grille − Modèle équivalent : Une capacité entre la grille et la source − Effet dynamique : Appel de courant à la fermeture (vGS passe de 0 à VGSmax) Doc .4 Fonctions réalisées par l’interface de commande Adaptation en tension − Directement en sortie d’un d un circuit numérique Fourniture du courant de grille − Circuit spécialisé d’interface Isolement galvanique entre commande-puissance − Opto-coupleur YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Doc .6 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 30 / 37 18 Transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) : Hybride bipolaire-MOS Constitution Commande en tension des MOS I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments − Facilité de commande S b l Symbole Partie de puissance des bipolaires D C − Faible chute de tension en conduction ⇒ Insulated Gate Bipolar Transistor G Conséquence B Substrat S E Prendre les avantages de chaque transistor performances Pour obtenir de meilleures p C Mêmes propriétés que les bipolaires et MOS G Commandes : Fermeture (OFF-ON) et Ouverture (ON-OFF) Non réversible en courant E Non réversible en tension YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 31 / 37 18 Compléments : Caractéristique par segments Mode de description des états Représentation d’une portion de la caractéristique tension tension-courant courant Conséquence pour un composant parfait I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments VII.1 Caractéristique par segments Soit le courant, soit la tension est nul Un segment coïncide avec un axe Suivant le nombre d’états, on distingue le nombre de segments Deux états au minimum Quatre états au maximum Avantages de cette représentation Permet de décrire la réversibilité en tension et en courant Fournit une indication claire de la « fonction » réalisée par le composant Permet une classification des composants Aide à la recherche du composant hybride obtenu par assemblage de composant élémentaires YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 32 / 37 18 Compléments : Segments dans le cas de la diode, du thyristors et des transistors Diode I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments VII.2 Segments : diode, thyristor et transistors Thyristor i Transistors i v i v Interrupteur 2 segments Interrupteur 3 segments Signe unique (positif) de la tension et courant : Aucune réversibilité La tension change de signe : Réversible en tension Non réversible en courant (unidirectionnel) YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance v Interrupteur 2 segments Signe unique (positif) de la tension et courant : Aucune réversibilité 33 / 37 18 Compléments : Recherche de la réversibilité en courant I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments VII.3 Recherche de la réversibilité en courant Constat Transistors unidirectionnels en courant Pas de conduction du courant dans les deux sens Conséquence : Obtenir un élément bidirectionnel en courant par association IT i vT icom v + Transistor ? Association icom (dans les 2 sens) Résultat iC > 0 ID > 0 vcom = icom (dans les 2 sens) icom iDr > 0 ID > 0 iB VCE VBE YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 vcom vDS vGS Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 34 / 37 18 Compléments : Recherche de la réversibilité en courant I. Introduction II. La diode III. Le thyristor IV. Transistor bipolaire V. Transistor MOS et MOSFET VI. Transistor IGBT VII. Compléments VII.3 Recherche de la réversibilité en courant Cas du thyristor Unidirectionnel en courant Une diode peut compléter la fonction Schéma de l’association thyristor-diode icom icom vAK vD vcom IG iAK Analyse iAK –iD vAK Thyristor YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 ID + icom –vD Diode antiparallèle Conclusion vcom = Association Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 35 / 37 18 Références Férieux J.-P., Forest P, Alimentations à découpage – Convertisseurs à résonance – Principes-Composantsmodélisation. 2ème édition. Masson. 1994. Séguier Guy, Bausière Robert, Labrique Francis. Électronique de puissance – Structures, fonctions de base, principale applications. 8ème édition. Dunod. 2004. YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 36 / 37 18 Annexes YvanYvan Crévits Crévits Septembre Sept.-Oct. 2005 2005 Composants Introduction de à l’électronique l’électroniquede depuissance puissance 37 / 37 18 Complément sur Les composants de l’électronique de puissance LE TRIAC 1. Définition – Symbole Le TRIAC est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes (anode 1 A1, anode 2 A2, gâchette G) pouvant passer de l'état bloqué à l'état de conduction dans ses deux sens de polarisation. En d'autres termes, il s'agit d'un composant de la même famille que le thyristor, mais qui est BIDIRECTIONNEL (le thyristor étant unidirectionnel). La structure du TRIAC intègre dans un même cristal, deux thyristors disposés tête-bêche. A2 A2 i A 21 G V A 21 G G A1 A1 Equivalent du TRIAC Symbole du TRIAC 2. Caractéristiques Statiques i A21 Etat passant Point de retournement Point de retournement Etat bloqué IH V A 21 − IH Etat passant Etat direct bloqué Caractéristiques statiques du Complément sur les composants d’électronique de puissance TRIAC Le triac peut passer d'un état bloqué à un état conducteur dans les deux sens de polarisation (directe et inverse) et repasser à l'état bloqué par inversion de tension ou par diminution du courant au-dessous d’une valeur minimum critique IH appelée courant de maintien. En l'absence de signal sur la gâchette, aucun courant ne circule dans le triac, sauf un très léger courant de fuite négligeable. La mise en conduction du triac s’obtient par application d’un impulsion (de courant ou de tension) positive ou négative sur la gâchette, quelque soit la polarité (polarisation directe ou inverse). Dès que le triac conduit, pour le bloquer, il est nécessaire de réduire l'intensité du courant, à une valeur en dessous du courant de maintient IH , ou bien par inversion de la polarisation. LE THYRISTOR GTO (Gate Turned OFF) Le thyristor GTO, ouvrable par la gâchette, est capable de commuter de l’état passant à l’état direct bloqué par application d’un courant de gâchette, sans qu’il soit nécessaire d’inverser la polarité de la tension anode –cathode. Comme le thyristor, le GTO peut être commandé de l’état bloqué (direct) à l’état passant par une impulsion de courant brève appliquée sur la gâchette. Le GTO peu en plus être commandé de l’état passant à l’état bloqué par application d’une tension gâchette - cathode négative. La chute de tension à l’état passant est (2 à 3 V) aux bornes du GTO est supérieur à celui d’un thyristor classique (≈ 1.1V). Le symbole du GTO et sa caractéristique statique réelle et idéalisée sont représentés à la figure ci - après. Grâce à leur capacité à supporter des tensions importantes (> 4.5 kV) et de forts courants (1 kA), les GTOs sont utilisé dans les applications de très forte puissance à des fréquences allant de quelques centaine de Hz à 10 kHz. A iA A VAK VAK V AK G iA iG G K iA iG K Caractéristique statique idéalisée Symbole iA Etat passant Point de retournement iH VR iR Etat inverse VRT Etat direct bloqué Caractéristique statique réelle du GTO Complément sur les composants d’électronique de puissance V AK
