← Retour à Mes Cours 2022-2023

⚡ Composants et Notions de Puissance - S5

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

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

Organisation

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:

Modèle simplifié:

Recouvrement inverse:

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

Qrr = (1/2) × IRR × trr

où Qrr est la charge de recouvrement.

Pertes dans la diode:

Diodes rapides (Fast Recovery):

Diodes Schottky:

B. Transistors de Puissance

Transistor Bipolaire de Puissance (BJT):

Le BJT de puissance est commandé en courant.

Caractéristiques:

Conditions de saturation:

IB > IC / β

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

Pertes:

Inconvénients du BJT:

Transistor MOSFET de Puissance:

Le MOSFET est commandé en tension (grille isolée).

Caractéristiques principales:

Équation en saturation:

ID = K × (VGS - Vth)²

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

Pertes:

Avantages du MOSFET:

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:

Équation:

IC = gm × (VGE - Vth)

où gm est la transconductance.

Applications typiques:

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:

Caractéristiques:

Limitations:

TRIAC (TRIode for Alternating Current):

Équivalent bidirectionnel du thyristor.

Structure: 2 thyristors tête-bêche

Applications:

GTO (Gate Turn-Off Thyristor):

Thyristor pouvant être bloqué par impulsion négative sur la gâchette.

Caractéristiques:

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):

VDC = Vmax / π ≈ 0.318 × Vmax

Valeur efficace:

VRMS = Vmax / 2

Taux d’ondulation: très élevé (100%)

Redresseur double alternance (pont de Graetz):

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

Valeur moyenne:

VDC = (2 × Vmax) / π ≈ 0.637 × Vmax

Pour VAC = 230V efficace:

VDC = 0.637 × 230 × √2 ≈ 207V

Avec filtrage capacitif:

VDC ≈ Vmax - Iload / (2 × f × C)

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

Dimensionnement du condensateur:

Pour un taux d’ondulation δ (ripple):

C = Iload / (2 × f × δ × VDC)

Exemple: Pour Iload = 2A, VDC = 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:

VDC = (2 × Vmax / π) × cos(α)

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:

Tension de sortie:

Vout = α × Vin

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

Dimensionnement de l’inductance:

Pour un fonctionnement en conduction continue:

L > ((1-α) × Vout) / (2 × fsw × ΔIL)

où ΔIL est l’ondulation de courant admissible.

Exemple: Vin = 12V, Vout = 5V, Iload = 2A, fsw = 100kHz, ΔIL = 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 > ΔIL / (8 × fsw × ΔVout)

Hacheur boost (élévateur):

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

Tension de sortie:

Vout = Vin / (1 - α)

Pour α = 0.5: Vout = 2 × Vin

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

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

Hacheur buck-boost (inverseur):

Vout = -(α / (1-α)) × Vin

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

Rendement des hacheurs:

η = Pout / Pin = (Vout × Iout) / (Vin × Iin)

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

Pertes:

C. Onduleurs (DC → AC)

Onduleur monophasé en pont (H-bridge):

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

Commande complémentaire:

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

Comparaison d’une sinusoïde de référence Vref avec une porteuse triangulaire à fréquence fsw élevée.

Indice de modulation:

m = Vref(peak) / Vtri(peak)

Tension efficace fondamentale:

VAC(RMS) = (m × VDC) / √2

Pour m = 1 (pleine modulation):

VAC(RMS) = 0.707 × VDC

Taux de distorsion harmonique (THD):

THD = (√(somme des Vn² 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:

3. Aspects Thermiques et Pratiques

A. Gestion Thermique

Modèle thermique:

La thermique des semiconducteurs suit une analogie électrique:

Loi d’Ohm thermique:

Tj - Ta = Rth(j-a) × Pd

où:

Chaîne thermique complète:

Tj = Ta + (Rth(j-c) + Rth(c-h) + Rth(h-a)) × Pd

où:

Température de jonction maximale:

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

Calcul du dissipateur nécessaire:

Rth(h-a) = (Tj(max) - Ta) / Pd - Rth(j-c) - Rth(c-h)

Exemple: MOSFET dissipant Pd = 20W

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

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

Facteurs influençant Rth(h-a):

Avec ventilation forcée:

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

où k = 3-10 selon le débit d’air.

B. Protections

Protection en surintensité:

Protection en surtension:

Circuit snubber RC:

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

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

Dimensionnement:

C = (L × Imax²) / Vspike²

où Vspike est la surtension admissible.

Protection thermique:

C. Commande Rapprochée (Gate Drive)

Driver de MOSFET/IGBT:

Caractéristiques nécessaires:

Circuit de commande:

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

Drivers IC populaires:

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 Cboot se charge. Il alimente ensuite le driver high-side.

Dimensionnement:

Cboot > (Qg × (1 + fmax/fmin)) / (Vboot(min) - VGS)

Résistance de grille:

Rg = (Vdriver - VGS(th)) / IG(peak)

Compromis:

Typiquement: Rg = 10-100Ω

D. CEM et Filtrage

Perturbations en électronique de puissance:

Normes:

Filtrage CEM:

Filtre d’entrée AC:

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

Fréquence de coupure:

fc = 1 / (2π × √(L × C))

Typiquement: fc = 10-50kHz pour un filtre d’entrée réseau.

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:

1. Transformateur:

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

V2(RMS) = Vout / 0.637 = 5 / 0.637 ≈ 7.85V

Avec marge et pertes: V2(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):

IF(AV) = Iload / 2 = 10 / 2 = 5A

Courant efficace:

IF(RMS) = Iload / √2 = 7.07A

Tension inverse maximale:

VRRM > √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 = Iload / (2 × f × δ × Vout) = 10 / (2 × 50 × 0.05 × 5) = 4000 µF

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

Tension efficace sur le condensateur (ripple):

Vripple(RMS) = δ × Vout = 0.05 × 5 = 0.25V

Courant efficace:

IC(RMS) = Iload × √(π²/3 - 2) ≈ 0.5 × Iload = 5A

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

TD2: Hacheur Buck

Exercice: Concevoir un hacheur Buck Vin = 24V → Vout = 12V, Iload = 5A, fsw = 50kHz

1. Rapport cyclique:

α = Vout / Vin = 12 / 24 = 0.5

2. Inductance:

Pour ΔIL = 20% de Iload: ΔIL = 1A

L = ((Vin - Vout) × α) / (fsw × ΔIL) = ((24-12) × 0.5) / (50000 × 1) = 120 µH

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

3. Condensateur de sortie:

C = ΔIL / (8 × fsw × ΔVout)

Pour ΔVout = 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: ID > Iload + ΔIL/2 = 5.5A → choisir 10A (facteur 2)

Tension: VDS > Vin → choisir 40-60V

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

Pertes en conduction:

Pcond = RDS(on) × ID(RMS)² = 0.0175 × 5² = 0.44W

Pertes en commutation (estimation):

Psw ≈ (Vin × ID × (tr + tf) × fsw) / 6

Pour tr + tf ≈ 100ns:

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

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

5. Diode de roue libre:

Courant moyen: IF(AV) = (1-α) × Iload = 0.5 × 5 = 2.5A

Tension inverse: VRRM > Vin = 24V → choisir 40-60V

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

Pertes dans la diode:

Pdiode = VF × IF(AV) = 0.5 × 2.5 = 1.25W

6. Rendement:

Pout = Vout × Iload = 12 × 5 = 60W

Plosses = PMOSFET + Pdiode + PL = 1.44 + 1.25 + 0.5 = 3.19W

η = Pout / (Pout + Plosses) = 60 / 63.19 = 95%

TD3: Dimensionnement thermique

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

Données:

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

Solution:

Température de jonction cible:

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

Résistance thermique totale admissible:

Rth(j-a) = (Tj - Ta) / Pd = (130 - 50) / 50 = 1.6°C/W

Résistance thermique du dissipateur:

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

Interprétation:

Rth(h-a) = 0.9°C/W est très faible:

Avec ventilateur (débit 30 CFM):

Rth(h-a, forced) = Rth(natural) / 5 = 0.9 × 5 = 4.5°C/W

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

Applications Pratiques

Alimentation à découpage (SMPS):

Variateurs de vitesse:

Énergie renouvelable:

Automobile:

PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Connaissances et compétences mobilisées

Auto-évaluation

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

Points forts:

Difficultés rencontrées:

Applications pratiques:

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:

Évolution technologique:

Les défis actuels:

Applications émergentes:

Tendances:

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:

Aspects pratiques importants:

Certification et normes:

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.