⚡ Composants et Notions de Puissance - S5

Année: 2022-2023 (Semestre 5)
Crédits: 3 ECTS
Type: Électronique de Puissance

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PART A: PRÉSENTATION GÉNÉRALE

Objectifs du cours

Le cours "Composants et Notions de Puissance" constitue une introduction fondamentale à l'électronique de puissance, domaine essentiel pour la conversion et la gestion de l'énergie électrique. Il couvre les composants semiconducteurs de puissance (diodes, transistors, thyristors), leurs caractéristiques, leurs limites, ainsi que les structures de conversion (redresseurs, hacheurs, onduleurs). Ce cours est indispensable pour comprendre les alimentations à découpage, les variateurs de vitesse, les systèmes d'énergie renouvelable, et les applications de l'électronique embarquée nécessitant une gestion efficace de l'énergie.

Compétences visées

• Maîtriser le fonctionnement des composants semiconducteurs de puissance
• Analyser les circuits de conversion d'énergie (AC-DC, DC-DC, DC-AC)
• Dimensionner les composants de puissance (courants, tensions, dissipation thermique)
• Comprendre les pertes et calculer le rendement des convertisseurs
• Concevoir des circuits de protection et de commande rapprochée
• Analyser les contraintes thermiques et dimensionner les dissipateurs
• Appliquer les règles de sécurité en électronique de puissance

Organisation

• Volume horaire: 30h (CM: 16h, TD: 10h, TP: 4h)
• Évaluation: 2 contrôles écrits (ACE 1: 40%, ACE 2: 40%) + TDs/TPs (20%)
• Semestre: 5 (2022-2023)
• Prérequis: Électronique fondamentale, circuits électriques, composants passifs

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PART B: EXPÉRIENCE, CONTEXTE ET FONCTION

Contenu pédagogique

Le cours s'articule autour de trois axes principaux: les composants, les structures de conversion, et les aspects thermiques/pratiques.

1. Composants Semiconducteurs de Puissance

A. Diodes de Puissance

Diode à jonction PN:

La diode de puissance est le composant le plus simple de l'électronique de puissance. Elle se comporte comme un interrupteur unidirectionnel (commande naturelle).

Caractéristiques principales:

• Tension directe (forward voltage): V_F ≈ 0.7 - 1.5V selon le courant
• Courant moyen I_F(AV): courant continu maximal
• Courant de pointe I_FSM: courant de surcharge temporaire
• Tension inverse maximale V_RRM (Peak Repetitive Reverse Voltage)
• Temps de recouvrement inverse t_rr: temps de commutation

Modèle simplifié:

• État passant (ON): V_D ≈ V_F0 + R_D × I_D où V_F0 est la tension de seuil (~0.7V) et R_D la résistance dynamique
• État bloqué (OFF): I_D ≈ 0, diode supporte V_R en inverse

Recouvrement inverse:

Lors du blocage, la diode ne se bloque pas instantanément. Il existe un temps t_rr pendant lequel un courant inverse I_RR circule (évacuation des porteurs minoritaires).

Q_rr = (1/2) × I_RR × t_rr

où Q_rr est la charge de recouvrement.

Pertes dans la diode:

• Pertes en conduction: P_cond = V_F × I_D(AV) + R_D × I_D(RMS)²
• Pertes en commutation: P_sw = (1/2) × V_R × I_RR × t_rr × f_sw

Diodes rapides (Fast Recovery):

• t_rr < 500 ns (vs plusieurs µs pour diode standard)
• Utilisées dans les convertisseurs à haute fréquence (>10 kHz)
• Réduction des pertes de commutation

Diodes Schottky:

• Jonction métal-semiconducteur (pas de recouvrement inverse)
• V_F plus faible (~0.3-0.5V) mais V_RRM limité (<200V)
• Utilisées en basse tension, haute fréquence
• Applications: alimentations à découpage, redressement synchrone

B. Transistors de Puissance

Transistor Bipolaire de Puissance (BJT):

Le BJT de puissance est commandé en courant.

Caractéristiques:

• Gain en courant β: I_C = β × I_B (typiquement β = 10-50 en puissance)
• Tension de saturation V_CE(sat) ≈ 0.5 - 2V
• Zone de Sécurité (SOA - Safe Operating Area): limite V_CE vs I_C

Conditions de saturation:

I_B > I_C / β

En pratique, on utilise I_B = I_C / (5-10) pour garantir la saturation profonde.

Pertes:

• Conduction: P_cond = V_CE(sat) × I_C
• Commutation: P_sw = (1/6) × V_CE × I_C × (t_on + t_off) × f_sw

Inconvénients du BJT:

• Commande en courant (puissance de commande élevée)
• Temps de commutation élevés (µs)
• Risque de destruction en zone linéaire (chauffage)

Transistor MOSFET de Puissance:

Le MOSFET est commandé en tension (grille isolée).

Caractéristiques principales:

• Résistance à l'état passant R_DS(on): augmente avec la tension nominale
• Tension Drain-Source maximale V_DSS
• Courant continu maximal I_D
• Capacités parasites: C_gs, C_gd (Miller), C_ds
• Charge de grille Q_g: charge nécessaire pour commuter

Équation en saturation:

I_D = K × (V_GS - V_th)²

où V_th est la tension de seuil (typiquement 2-4V).

Pertes:

• Conduction: P_cond = R_DS(on) × I_D(RMS)²
• Commutation: liées aux capacités parasites
  P_sw = (1/2) × C_oss × V_DS² × f_sw + V_DS × I_D × (t_r + t_f) × f_sw

Avantages du MOSFET:

• Commande simple (tension, pas de courant permanent)
• Commutation rapide (ns)
• Pas de phénomène de stockage (comme le BJT)
• Résistance R_DS(on) augmente avec la température → limitation naturelle du courant

Diode de roue libre interne:

Le MOSFET possède une diode intrinsèque (body diode) entre drain et source, utilisable pour les applications inductives.

Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor):

L'IGBT combine les avantages du MOSFET (commande en tension) et du BJT (faible chute de tension à fort courant).

Structure: MOSFET + BJT en Darlington

Caractéristiques:

• Tension de saturation: V_CE(sat) ≈ 1.5 - 3V (indépendant du courant)
• Commande en tension comme le MOSFET
• Temps de commutation: intermédiaire (100-500 ns)
• Tension maximale: jusqu'à plusieurs kV

Équation:

I_C = g_m × (V_GE - V_th)

où g_m est la transconductance.

Applications typiques:

• MOSFET: <1kV, haute fréquence (>100kHz), R_DS(on) faible
• IGBT: >600V, fréquence moyenne (1-50kHz), puissance élevée
• BJT: obsolète (remplacé par IGBT)

Comparaison MOSFET vs IGBT:

Critère	MOSFET	IGBT
Commande	Tension	Tension
V max	<1000V	>6500V
I max	<500A	>3000A
Fréquence	>100kHz	<50kHz
Pcond	RDS(on) × I²	VCE(sat) × I
Applications	Alim. découpage, DC-DC	Variateurs, traction, éolien

C. Thyristors

Thyristor (SCR - Silicon Controlled Rectifier):

Le thyristor est un composant à 4 couches (PNPN) commandé à l'amorçage uniquement.

Principe:

• Amorçage (ON): impulsion de courant sur la gâchette (gate) I_G > I_GT
• Maintien: le thyristor reste passant tant que I_AK > I_H (courant de maintien)
• Blocage (OFF): uniquement par annulation du courant I_AK

Caractéristiques:

• Tension directe: V_AK ≈ 1-2V à l'état passant
• Courant de gâchette: I_GT = 20-200 mA
• Courant de maintien: I_H ≈ 10-100 mA
• dV/dt max: vitesse de montée en tension maximale (risque d'amorçage intempestif)
• dI/dt max: vitesse de montée en courant à l'amorçage

Limitations:

• Commande unidirectionnelle (amorçage seulement)
• Blocage naturel (nécessite annulation du courant)
• Utilisé principalement en AC (commutation naturelle)

TRIAC (TRIode for Alternating Current):

Équivalent bidirectionnel du thyristor.

Structure: 2 thyristors tête-bêche

Applications:

• Gradateurs AC (variateurs de lumière)
• Commande de puissance en AC
• Limitation: faible fréquence (<400Hz)

GTO (Gate Turn-Off Thyristor):

Thyristor pouvant être bloqué par impulsion négative sur la gâchette.

Caractéristiques:

• Blocage commandé: I_G < -I_GQ (courant négatif élevé, ~20% de I_AK)
• Tension élevée (>4kV)
• Applications: traction, forte puissance

Aujourd'hui, les GTO sont remplacés par les IGBT.

2. Structures de Conversion d'Énergie

A. Redresseurs (AC → DC)

Redressement non commandé:

Redresseur simple alternance:

                D1
VAC ------>|---+--- VDC
                             |
                            RL    C
                             |    ||
                            GND---+

Valeur moyenne (charge résistive):

V_DC = V_max / π ≈ 0.318 × V_max

Valeur efficace:

V_RMS = V_max / 2

Taux d'ondulation: très élevé (100%)

Redresseur double alternance (pont de Graetz):

             D1      D3
     +---|>|--+--|>|--+
     |        |       |
VAC ~       RL      + VDC
     |        |       |
     +---|>|--+--|>|--+
             D2      D4

Valeur moyenne:

V_DC = (2 × V_max) / π ≈ 0.637 × V_max

Pour V_AC = 230V efficace:

V_DC = 0.637 × 230 × √2 ≈ 207V

Avec filtrage capacitif:

V_DC ≈ V_max - I_load / (2 × f × C)

où f est la fréquence du réseau (50Hz en Europe).

Dimensionnement du condensateur:

Pour un taux d'ondulation δ (ripple):

C = I_load / (2 × f × δ × V_DC)

Exemple: Pour I_load = 2A, V_DC = 200V, δ = 5%:

C = 2 / (2 × 50 × 0.05 × 200) = 200 µF

Redressement commandé (thyristors):

Redresseur à thyristors avec angle de retard α.

Valeur moyenne:

V_DC = (2 × V_max / π) × cos(α)

• α = 0°: V_DC maximal (comme diodes)
• α = 90°: V_DC = 0
• α > 90°: V_DC < 0 (fonctionnement onduleur)

Applications: variateurs de vitesse pour moteurs DC, charges de batteries avec contrôle.

B. Hacheurs (DC → DC)

Les hacheurs (choppers) permettent de contrôler la tension continue par découpage à haute fréquence.

Hacheur série (Buck / abaisseur):

Vin --[MOSFET]--+--[L]--+-- Vout
                                |       |
                             [D]     [C]  RL
                                |       |
                             GND-----GND

Principe:

• MOSFET ON pendant α × T: V_L = V_in - V_out, L stocke énergie
• MOSFET OFF pendant (1-α) × T: diode conduit, L restitue énergie

Tension de sortie:

V_out = α × V_in

où α est le rapport cyclique (duty cycle), 0 < α < 1.

Dimensionnement de l'inductance:

Pour un fonctionnement en conduction continue:

L > ((1-α) × V_out) / (2 × f_sw × ΔI_L)

où ΔI_L est l'ondulation de courant admissible.

Exemple: V_in = 12V, V_out = 5V, I_load = 2A, f_sw = 100kHz, ΔI_L = 0.4A

α = 5/12 = 0.417

L > ((1-0.417) × 5) / (2 × 100000 × 0.4) = 36.4 µH

On choisit L = 47 µH (valeur normalisée).

Dimensionnement du condensateur:

C > ΔI_L / (8 × f_sw × ΔV_out)

Hacheur boost (élévateur):

                [L]
Vin ---[===]---+--[D]---+--- Vout
                             |        |
                     [MOSFET]    [C]  RL
                             |        |
                            GND------GND

Tension de sortie:

V_out = V_in / (1 - α)

Pour α = 0.5: V_out = 2 × V_in

Limitation: α ne peut pas atteindre 1 (théoriquement V_out → ∞)

Applications: PFC (Power Factor Correction), panneaux solaires, boost pour LED.

Hacheur buck-boost (inverseur):

V_out = -(α / (1-α)) × V_in

Permet d'obtenir une tension de sortie de polarité inverse.

Rendement des hacheurs:

η = P_out / P_in = (V_out × I_out) / (V_in × I_in)

Typiquement: η = 85-95% selon la conception.

Pertes:

• Conduction: R_DS(on) × I²
• Commutation: proportionnelle à f_sw
• Inductance: résistance série (ESR)
• Diode: V_F × I

C. Onduleurs (DC → AC)

Onduleur monophasé en pont (H-bridge):

                Q1        Q3
        +---|  |--+--|  |--+
        |         |       |
VDC =        Load     ~VAC
        |         |       |
        +---|  |--+--|  |--+
                Q2        Q4

Commande complémentaire:

• Q1, Q4 ON → V_load = +V_DC
• Q2, Q3 ON → V_load = -V_DC

MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) / PWM:

Comparaison d'une sinusoïde de référence V_ref avec une porteuse triangulaire à fréquence f_sw élevée.

Indice de modulation:

m = V_ref(peak) / V_tri(peak)

Tension efficace fondamentale:

V_AC(RMS) = (m × V_DC) / √2

Pour m = 1 (pleine modulation):

V_AC(RMS) = 0.707 × V_DC

Taux de distorsion harmonique (THD):

THD = (√(somme des V_n² pour n≥2) / V₁) × 100%

La MLI permet de réduire le THD (typiquement <5% avec MLI sinusoïdale).

Onduleur triphasé:

3 bras (6 transistors) pour générer un système triphasé équilibré.

Applications:

• Variateurs de vitesse pour moteurs AC
• Onduleurs solaires (photovoltaïque)
• ASI (Alimentation Sans Interruption / UPS)
• Traction électrique (trains, voitures électriques)

3. Aspects Thermiques et Pratiques

A. Gestion Thermique

Modèle thermique:

La thermique des semiconducteurs suit une analogie électrique:

• Flux thermique P (W) ↔ Courant I
• Température T (°C) ↔ Tension V
• Résistance thermique R_th (°C/W) ↔ Résistance R

Loi d'Ohm thermique:

T_j - T_a = R_th(j-a) × P_d

où:

• T_j: température de jonction (junction)
• T_a: température ambiante (ambient)
• P_d: puissance dissipée
• R_th(j-a): résistance thermique jonction-ambiant

Chaîne thermique complète:

T_j = T_a + (R_th(j-c) + R_th(c-h) + R_th(h-a)) × P_d

où:

• R_th(j-c): jonction → boîtier (case), donnée dans la datasheet
• R_th(c-h): boîtier → dissipateur (heatsink), dépend de l'interface (pâte thermique)
• R_th(h-a): dissipateur → ambiant, à calculer/choisir

Température de jonction maximale:

Typiquement: T_j(max) = 125-150°C pour les semiconducteurs de puissance.

Calcul du dissipateur nécessaire:

R_th(h-a) = (T_j(max) - T_a) / P_d - R_th(j-c) - R_th(c-h)

Exemple: MOSFET dissipant P_d = 20W

• T_j(max) = 150°C
• T_a = 40°C (ambiant max)
• R_th(j-c) = 1°C/W (datasheet)
• R_th(c-h) = 0.5°C/W (interface avec pâte thermique)

R_th(h-a) = (150 - 40) / 20 - 1 - 0.5 = 5.5 - 1.5 = 4°C/W

Il faut un dissipateur avec R_th(h-a) < 4°C/W (avec marge de sécurité: choisir 3°C/W).

Facteurs influençant R_th(h-a):

• Surface du dissipateur
• Forme (ailettes, profilé)
• Matériau (aluminium: meilleur compromis coût/performance)
• Ventilation forcée vs convection naturelle

Avec ventilation forcée:

R_th(h-a) = R_th(natural) / k

où k = 3-10 selon le débit d'air.

B. Protections

Protection en surintensité:

• Fusibles ultra-rapides (aR): protection contre les courts-circuits
  • Caractéristique I²t: énergie de fusion
  • Coordination avec les semiconducteurs
• Limitation par composant:
  • MOSFET: R_DS(on) augmente avec T → limitation naturelle
  • BJT/IGBT: nécessitent protection externe

Protection en surtension:

• Diodes transil (TVS): écrêtage des surtensions
• Varistances (VDR): protection réseau AC
• Snubbers: circuits RC ou RCD pour limiter les dV/dt

Circuit snubber RC:

             R (10-100Ω)
     +---/\/\/---+
     |           |
Component     ===  C (10-100nF)
     |           |
     +-----------+

Rôle: absorber l'énergie inductive lors des commutations, protéger des surtensions.

Dimensionnement:

C = (L × I_max²) / V_spike²

où V_spike est la surtension admissible.

Protection thermique:

• Thermostat sur dissipateur: coupure si T > T_max
• Capteur intégré: certains IGBT ont protection thermique interne

C. Commande Rapprochée (Gate Drive)

Driver de MOSFET/IGBT:

Caractéristiques nécessaires:

• Tension de grille: typiquement V_GS = 10-15V pour MOSFET, V_GE = 15V pour IGBT
• Courant de grille: I_G = Q_g / t_rise (plusieurs ampères pendant les transitoires)
• Isolation galvanique: nécessaire pour les bras de pont (high-side)

Circuit de commande:

Signal PWM → [Optocoupleur] → [Driver IC] → Gate MOSFET
                                                                     ↑
                                                                Alim isolée

Drivers IC populaires:

• IR2110, IR2184 (International Rectifier): half-bridge, bootstrap
• TLP250: optocoupleur + driver pour IGBT
• UCC27321: driver bas coût pour MOSFET

Bootstrap:

Technique pour alimenter le driver high-side avec une simple diode et condensateur:

                Vcc
                 |
                [D]
                 |
        [Cboot]---[Driver]---Gate High-Side
                 |                    |
        Midpoint----------------Source

Lors de la phase low-side ON, le condensateur C_boot se charge. Il alimente ensuite le driver high-side.

Dimensionnement:

C_boot > (Q_g × (1 + f_max/f_min)) / (V_boot(min) - V_GS)

Résistance de grille:

R_g = (V_driver - V_GS(th)) / I_G(peak)

Compromis:

• R_g faible: commutation rapide, mais surtensions (dV/dt, dI/dt élevés), oscillations
• R_g élevée: commutation lente, pertes accrues

Typiquement: R_g = 10-100Ω

D. CEM et Filtrage

Perturbations en électronique de puissance:

• Conduites: par les câbles d'alimentation
• Rayonnées: par les boucles de courant à haute fréquence

Normes:

• EN 55022 (CISPR 22): équipements IT
• EN 61000-6-3: environnement résidentiel
• Limites en dBµV pour différentes bandes de fréquence

Filtrage CEM:

Filtre d'entrée AC:

Phase ----[Cx]----[Lcm]----+---- Vers redresseur
                                    [Lcm]    |
Neutre ---[Cx]-------------+
                                                        |
Terre --------[Cy]----[Cy]--+

• Cx: condensateurs X (entre phase et neutre) - mode différentiel
• Cy: condensateurs Y (vers terre) - mode commun
• Lcm: inductances de mode commun (sur tore)

Fréquence de coupure:

f_c = 1 / (2π × √(L × C))

Typiquement: f_c = 10-50kHz pour un filtre d'entrée réseau.

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PART C: ASPECTS TECHNIQUES

Exercices de TD

TD1: Dimensionnement de composants

Exercice type: Dimensionner les composants d'un redresseur double alternance pour une alimentation 5V/10A.

Données:

• Réseau: 230V AC, 50Hz
• Sortie: 5V DC, 10A
• Ondulation admissible: 5%

1. Transformateur:

Rapport de transformation pour obtenir ~5V en sortie après redressement:

V_2(RMS) = V_out / 0.637 = 5 / 0.637 ≈ 7.85V

Avec marge et pertes: V_2(RMS) = 9V

Courant secondaire: I₂ = 10A (nominal) + marge 20% = 12A

Puissance apparente:

S = V₂ × I₂ = 9 × 12 = 108 VA

2. Diodes:

Courant moyen par diode (pont complet):

I_F(AV) = I_load / 2 = 10 / 2 = 5A

Courant efficace:

I_F(RMS) = I_load / √2 = 7.07A

Tension inverse maximale:

V_RRM > √2 × V₂ = 1.414 × 9 = 12.7V

Choix: diode 1N5402 (3A, 200V) en parallèle ou diode Schottky MBR20100 (20A, 100V)

3. Condensateur de filtrage:

C = I_load / (2 × f × δ × V_out) = 10 / (2 × 50 × 0.05 × 5) = 4000 µF

Choix: condensateur électrolytique 4700µF / 16V (valeur standard supérieure)

Tension efficace sur le condensateur (ripple):

V_ripple(RMS) = δ × V_out = 0.05 × 5 = 0.25V

Courant efficace:

I_C(RMS) = I_load × √(π²/3 - 2) ≈ 0.5 × I_load = 5A

Vérifier que le condensateur supporte ce courant (ESR suffisamment faible).

TD2: Hacheur Buck

Exercice: Concevoir un hacheur Buck V_in = 24V → V_out = 12V, I_load = 5A, f_sw = 50kHz

1. Rapport cyclique:

α = V_out / V_in = 12 / 24 = 0.5

2. Inductance:

Pour ΔI_L = 20% de I_load: ΔI_L = 1A

L = ((V_in - V_out) × α) / (f_sw × ΔI_L) = ((24-12) × 0.5) / (50000 × 1) = 120 µH

Choix: L = 150 µH, courant de saturation I_sat > 6A

3. Condensateur de sortie:

C = ΔI_L / (8 × f_sw × ΔV_out)

Pour ΔV_out = 1% de 12V = 0.12V:

C = 1 / (8 × 50000 × 0.12) = 208 µF

Choix: C = 220 µF / 25V (céramique) ou 330µF / 25V (électrolytique faible ESR)

4. MOSFET:

Courant: I_D > I_load + ΔI_L/2 = 5.5A → choisir 10A (facteur 2)

Tension: V_DS > V_in → choisir 40-60V

Exemple: IRFZ44N (55V, 49A, R_DS(on) = 17.5mΩ)

Pertes en conduction:

P_cond = R_DS(on) × I_D(RMS)² = 0.0175 × 5² = 0.44W

Pertes en commutation (estimation):

P_sw ≈ (V_in × I_D × (t_r + t_f) × f_sw) / 6

Pour t_r + t_f ≈ 100ns:

P_sw = (24 × 5 × 100 × 10⁻⁹ × 50000) / 6 ≈ 1W

Puissance totale dissipée: P_d = 0.44 + 1 = 1.44W

5. Diode de roue libre:

Courant moyen: I_F(AV) = (1-α) × I_load = 0.5 × 5 = 2.5A

Tension inverse: V_RRM > V_in = 24V → choisir 40-60V

Diode Schottky: MBR2045 (20A, 45V, V_F = 0.5V)

Pertes dans la diode:

P_diode = V_F × I_F(AV) = 0.5 × 2.5 = 1.25W

6. Rendement:

P_out = V_out × I_load = 12 × 5 = 60W

P_losses = P_MOSFET + P_diode + P_L = 1.44 + 1.25 + 0.5 = 3.19W

η = P_out / (P_out + P_losses) = 60 / 63.19 = 95%

TD3: Dimensionnement thermique

Exercice: Un IGBT dissipe 50W dans un environnement à T_a = 50°C.

Données:

• T_j(max) = 150°C
• R_th(j-c) = 0.5°C/W
• R_th(c-h) = 0.2°C/W (interface thermique)

Calculer le dissipateur nécessaire avec une marge de sécurité de 20°C.

Solution:

Température de jonction cible:

T_j = T_j(max) - marge = 150 - 20 = 130°C

Résistance thermique totale admissible:

R_th(j-a) = (T_j - T_a) / P_d = (130 - 50) / 50 = 1.6°C/W

Résistance thermique du dissipateur:

R_th(h-a) = R_th(j-a) - R_th(j-c) - R_th(c-h) = 1.6 - 0.5 - 0.2 = 0.9°C/W

Interprétation:

R_th(h-a) = 0.9°C/W est très faible:

• Convection naturelle: dissipateurs avec R_th > 2°C/W généralement
• Nécessite ventilation forcée ou dissipateur très volumineux

Avec ventilateur (débit 30 CFM):

R_{th(h-a, forced)} = R_th(natural) / 5 = 0.9 × 5 = 4.5°C/W

Un dissipateur standard avec R_th = 4°C/W en convection naturelle devient suffisant avec ventilateur.

Applications Pratiques

Alimentation à découpage (SMPS):

• Buck pour abaissement de tension (chargeurs, régulateurs embarqués)
• Flyback pour isolation galvanique (alimentations PC, LED drivers)
• Forward pour puissances moyennes (télécoms)

Variateurs de vitesse:

• Onduleur triphasé + MLI pour moteurs asynchrones
• Contrôle vectoriel (FOC - Field Oriented Control)
• Applications: pompes, ventilateurs, ascenseurs, traction

Énergie renouvelable:

• Onduleurs photovoltaïques (MPPT + injection réseau)
• Hacheurs pour éoliennes
• Convertisseurs bidirectionnels pour batteries

Automobile:

• Convertisseurs DC-DC (12V ↔ 48V, batterie haute tension)
• Onduleurs pour moteurs électriques (VE)
• Chargeurs embarqués (OBC - On-Board Charger)

---

PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Connaissances et compétences mobilisées

• Semiconducteurs de puissance: compréhension des caractéristiques et limitations des composants
• Conversion d'énergie: maîtrise des topologies de base (redresseurs, hacheurs, onduleurs)
• Dimensionnement: calculs de composants (inductances, condensateurs, dissipateurs)
• Thermique: gestion de la dissipation thermique et calcul de résistances thermiques
• Protections: conception de circuits de protection (snubbers, fusibles)
• Commande: drivers de grille, isolation galvanique, PWM

Auto-évaluation

Ce cours a été essentiel pour comprendre la gestion de l'énergie dans les systèmes électroniques.

Points forts:

• Vision globale: des composants aux systèmes complets de conversion
• Approche pratique: dimensionnement concret avec calculs d'application
• Thermique: compréhension des limites réelles des composants
• Multidisciplinarité: électronique + thermique + commande

Difficultés rencontrées:

• Choix des composants: nombreux critères (tension, courant, fréquence, thermique, coût)
• Compromis performances/pertes: optimisation non triviale
• Aspects CEM: parasites et perturbations difficiles à prévoir/simuler

Applications pratiques:

• Dimensionnement d'alimentations à découpage
• Compréhension des datasheets de semiconducteurs
• Évaluation thermique de cartes électroniques

Mon opinion

Ce cours est fondamental pour tout ingénieur en systèmes embarqués ou électronique de puissance.

Pourquoi ce cours est essentiel:

1. Efficacité énergétique: enjeu majeur (IoT, véhicules électriques, data centers)
2. Omniprésence: tous les systèmes ont besoin de conversion d'énergie
3. Compétence différenciante: moins de compétitions sur ces sujets "durs" vs programmation
4. Complémentarité: lie électronique analogique, numérique, et automatique

Connexions avec autres cours:

• Électronique Analogique (S5): bases sur les semiconducteurs (diodes, transistors)
• Architectures Analogiques (S7): amplification et conditionnement de puissance
• Commande Numérique (S8): MLI, contrôle de convertisseurs, MPPT
• Temps Réel (S8): contraintes temporelles pour les boucles de régulation

Évolution technologique:

Les défis actuels:

• GaN et SiC: nouveaux semiconducteurs (> 600V, > 200kHz, < pertes)
  • GaN: très haute fréquence (MHz), faible Q_g, faible R_DS(on)
  • SiC: haute tension (>1200V), haute température (>175°C)
• Intégration: modules de puissance complets (MOSFET + driver + protections)
• Contrôle numérique: DSP/FPGA pour MLI avancée, contrôle adaptatif
• Bidirectionnalité: V2G (Vehicle-to-Grid), stockage d'énergie

Applications émergentes:

• Véhicules électriques: OBC 11-22kW, onduleurs 100-300kW, DC-DC pour auxiliaires
• Chargeurs rapides: 50-350kW (Supercharger Tesla, Ionity)
• Data centers: alimentations redondantes, efficacité >95%
• Énergies renouvelables: onduleurs PV résidentiels (3-10kW) et centrales (MW)

Tendances:

• Miniaturisation: augmentation des fréquences de découpage (GaN → MHz)
• Fiabilité: électronique automobile (AEC-Q100), aéronautique (DO-254)
• Modularité: convertisseurs parallèles, redondance
• Smart Grid: onduleurs communicants, gestion de l'énergie

Recommandations pour réussir:

1. Comprendre les limitations: chaque composant a des contraintes (SOA, thermique)
2. Toujours vérifier la thermique: cause n°1 de défaillance
3. Utiliser les datasheets: source d'information indispensable
4. Simuler: LTspice, PSIM pour valider avant prototypage
5. Layout PCB critique: boucles de courant courtes, découplage, masse

Applications professionnelles:

Ces compétences sont recherchées dans:

• Automobile: systèmes de traction, chargeurs, convertisseurs DC-DC
• Aéronautique/spatial: alimentations haute fiabilité, convertisseurs 270V DC
• Énergie: onduleurs solaires/éoliens, HVDC, smart grids
• Télécoms: alimentations pour stations de base, PoE (Power over Ethernet)
• Industriel: variateurs de vitesse, onduleurs de soudage, alimentations process
• Médical: alimentations isolées, sécurité renforcée (IEC 60601)

Aspects pratiques importants:

• Sécurité: isolation galvanique, respect des distances de fuite/ligne
• Normes: CE (EN 60950, EN 62368), UL, CCC selon les marchés
• Tests: essais de tenue en tension (hipot), courant de fuite, CEM
• Coût: optimisation du BOM (Bill of Materials), composants standards vs custom

Certification et normes:

• IPC-2221: design de PCB
• IEC 61000: compatibilité électromagnétique
• EN 60950 / EN 62368: sécurité des équipements IT

En conclusion, ce cours fournit les bases indispensables pour concevoir des systèmes de conversion d'énergie efficaces et fiables. La maîtrise des composants de puissance, des topologies de conversion, et de la gestion thermique est essentielle dans un contexte de transition énergétique et d'électrification croissante des systèmes.

                D1
VAC ------>|---+--- VDC
                             |
                            RL    C
                             |    ||
                            GND---+

             D1      D3
     +---|>|--+--|>|--+
     |        |       |
VAC ~       RL      + VDC
     |        |       |
     +---|>|--+--|>|--+
             D2      D4

Vin --[MOSFET]--+--[L]--+-- Vout
                                |       |
                             [D]     [C]  RL
                                |       |
                             GND-----GND

                [L]
Vin ---[===]---+--[D]---+--- Vout
                             |        |
                     [MOSFET]    [C]  RL
                             |        |
                            GND------GND

                Q1        Q3
        +---|  |--+--|  |--+
        |         |       |
VDC =        Load     ~VAC
        |         |       |
        +---|  |--+--|  |--+
                Q2        Q4

             R (10-100Ω)
     +---/\/\/---+
     |           |
Component     ===  C (10-100nF)
     |           |
     +-----------+

PWM Signal → [Optocoupler] → [Driver IC] → MOSFET Gate
                                                                     ↑
                                                              Isolated supply

                Vcc
                 |
                [D]
                 |
        [Cboot]---[Driver]---Gate High-Side
                 |                    |
        Midpoint----------------Source

Phase ----[Cx]----[Lcm]----+---- To rectifier
                                    [Lcm]    |
Neutral ---[Cx]-------------+
                                                        |
Ground --------[Cy]----[Cy]--+