## Structure d'un montage à convertisseurs statiques

### Généralités

Les convertisseurs statiques sont composés d'un ensemble d'interrupteurs électroniques fonctionnant en régime de commutation, c'est-à-dire en tout ou rien.

#### Fondamental :

On considérera dans ce cours que ces interrupteurs sont parfaits :

- tension nulle à l'état passant et courant nul à l'état bloqué,

- la commutation est instantanée,

- la dissipation d'énergie est nulle.

#### Complément :

- Un interrupteur est à commande naturelle lorsque sa commutation n'est pas commandable. Elle se fait naturellement en fonction de la tension à ses bornes ou du courant le traversant.

- Il est à commande forcée lorsqu'il est commandable via une borne spécifique.

- On parle d'amorçage lorsque l'interrupteur passe de l'état bloqué à passant.

- On parle de blocage lorsqu'il passe de l'état passant à bloqué.

### Composants de l'électronique de puissance

Les interrupteurs de l'électronique de puissance sont généralement des semi-conducteurs. Les principales catégories sont décrites ci-dessous.

#### Les diodes

- Non commandable.

- Unidirectionnel en courant et tension.

- La diode au silicium est le plus ancien composant de l'électronique de puissance moderne (milieu des années 1950).

##### Fondamental : Conditions de fonctionnement

- \(I>0 \quad \Rightarrow \quad \text{la diode est passante (D=1)} \quad \Rightarrow \quad U=0\)

- \(U<0 \quad \Rightarrow \quad \text{la diode est bloquée (D=0)} \quad \Rightarrow \quad I=0\)

L'état passant est imposé par le courant, l'état bloqué par la tension à ses bornes.

##### Remarque : Diode inversée

Selon le sens du courant indiqués dans les circuits, le cas ci-contre pourra être rencontré. La caractéristique de la diode est simplement inversée par rapport au cas précédent (signes de \(I\) et \(U\) opposés).

#### Les thyristors

- Commandable à la fermeture (impulsion de courant \(I_G > 0\) sur la gâchette) à condition que \(U > 0\) et \(I > 0\).

- Unidirectionnel en courant et bidirectionnel en tension.

- Apparu au début des années 1960.

Avantages : composant robuste, économique ; sa commande est simple. Il reste très intéressant pour des applications à très forte puissance, notamment dans le domaine du redressement.

Inconvénient : vitesse de commutation faible, particulièrement au blocage, ce qui limite son usage aux applications en basse fréquence (quelques \(kHz\))

#### Les transistors

Ce composant a connu plusieurs évolutions dont les trois principales sont présentées ici.

Quelle que soit la technologie :

- c'est un composant commandable à l'ouverture et à la fermeture (amorçage et blocage) ;

- il est unidirectionnel en courant et en tension.

##### Le transistor bipolaire :

- Commandable en imposant un courant de base \(I_B\).

- Mis au point en 1948 (par J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley, lauréats du prix Nobel de physique en 1956).

Avantage : il commute très rapidement. Les fréquences de fonctionnement atteintes sont plusieurs centaines de fois supérieures à celles qu'autorisent les thyristors.

Inconvénient : les puissances contrôlées sont plus faibles qu'avec les thyristors donc utilisé pour des applications de petites et moyenne puissance (jusqu'au mégawatt).

##### Le transistor à effet de champ (MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor /JFET : Junction Field Effect Transistor) :

- Commandable par une tension de grille \(V_G\) ce qui évite de consommer de la puissance en régime statique (\(I_G = 0\))

- Commutation très rapide (utilisation à hautes fréquences)...

- Mais la tension de seuil (= tension grille-source nécessaire pour le faire entrer en conduction) peut être élevée.

- Mis au point dans les années 1960

Des progrès récents en font un composant intéressant pour les applications de petite puissance et de basse tension telles que la domotique ou les systèmes portables.

##### Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT : Insulated gate bipolar transistor) :

- Comme un transistor à effet de champ en entrée (grille) et comme un transistor bipolaire en sortie : commandable par une tension de grille \(V_G\) mais avec des pertes de conduction plus faibles que le transistor à effet de champ.

- Mis au point au milieu des années 1980.

Le transistor bipolaire à grille isolée est devenu le composant de base de l'électronique de puissance, avec une gamme de produit allant de quelques dizaines de W à plusieurs MW.

###### Attention : Symbole utilisé dans la suite du cours

La technologie de transistor (ou thyristor) utilisée dépend de l'application, mais les caractéristiques de commutation restent toujours les mêmes.

Dans la suite de ce cours, nous utiliserons donc le symbole du transistor bipolaire pour représenter n'importe quel type de transistor.

#### Association de composants

D'autres fonctions de commutation peuvent être obtenues en associant en anti-parallèle ou en série deux interrupteurs électroniques élémentaires. On rencontre souvent :

### Dipôles et associations

#### Types de dipôles

Un convertisseur est généralement une interface entre deux dipôles. En électronique de puissance, on classe les dipôles utilisés selon deux catégories, suivant leurs propriétés électriques dynamiques :

- Dipôle de tension : élément ne pouvant pas subir de discontinuité de tension. Celle-ci peut éventuellement fluctuer, mais les variations ne doivent pas être brutales

  Ex : tous les générateurs de tension (batterie, pile, réseau électrique...), condensateur.

- Dipôle de courant : élément ne pouvant pas subir de discontinuité de courant. Celui-ci peut éventuellement fluctuer, mais les variations ne doivent pas être brutales.

  Ex : machine à courant continu (moteur/génératrice), bobine.

Les dipôles de tension et courants sont souvent représentés par les symboles des générateurs de tension et courant idéaux de l'électronique classique :

##### Attention :

Bien qu'on utilise les symboles des générateurs de tension et courant pour les dipôles, ceux-ci ne sont pas nécessairement utilisés comme des générateurs. Il faudra donc observer le contexte pour déterminer si les dipôles utilisés fonctionnent en récepteur ou en générateur.

#### Réversibilité des dipôles

##### Fondamental :

Un dipôle est réversible en tension si la valeur instantanée de la tension à ses bornes peut changer de signe.

Il est réversible en courant si la valeur instantanée du courant qui le traverse peut s'inverser.

##### Définition : Source

On appelle source, un dipôle dont la puissance moyenne peut s'inverser. Plus simplement, on parle de source lorsque un dipôle présente au moins une réversibilité (courant ou tension).

##### Exemple :

Une batterie est une source de tension réversible en courant.

Une machine à courant continu est une source de courant réversible en courant et tension.

#### Règles d'associations

Étant donné les règles de fonctionnement des dipôles de courant et tension, certaines configurations d'association sont impossibles parce qu'elles provoqueraient des discontinuités interdites. Ce sont :

- la mise en court-circuit d'un dipôle de tension (cas 1) ;

- la liaison de deux dipôles de tension de valeurs différentes (cas 3 avec \(U_1\neq U_2\)) ;

- la mise en circuit ouvert d'un dipôle de courant (cas 2) ;

- la liaison de deux dipôles de courant de valeurs différentes (cas 4 avec \(I_1\neq I_2\)).

En revanche, les configurations suivantes ne provoquent pas de discontinuités interdites :

- la mise en circuit ouvert d'un dipôle de tension (cas 1) ;

- la mise en court-circuit d'un dipôle de courant (cas 2) ;

- la liaison d'un dipôle de tension et d'un dipôle de courant (cas 3 et 4).

##### Attention :

On ne peut donc associer directement que des dipôles de natures opposées.

##### Remarque :

Dans le cas de l'association d'un dipôle de tension et d'un dipôle de courant (cas 3 et 4 de la figure précédente), le dipôle de tension impose la tension du groupement, le dipôle de courant impose le courant.

### Cellules de commutation

Étant donné ce qui a été vu auparavant, un convertisseur statique va donc être construit de sorte de :

- connecter puis déconnecter deux sources entre elles de manière périodique pour pouvoir contrôler le transfert d'énergie.

- respecter les règles d'associations des sources à chaque état (connecté/déconnecté).

On s'aperçoit que la structure de conversion la plus simple a au moins deux interrupteurs et que ces interrupteurs doivent fonctionner de manière complémentaire (l'un est passant lorsque l'autre est bloqué et inversement).

#### Définition : Cellule de commutation

On appelle cellule de commutation la structure de base du convertisseur statique constituée de deux interrupteurs complémentaires.

Un convertisseur plus évolué pourra donc être constitué de plusieurs cellules élémentaires.

#### Exemple : Échange d'énergie intermittente entre un dipôle de tension et un dipôle de courant

Les règles d'associations des sources imposent les structures suivantes lorsqu'il y a échange ou pas d'énergie :

La structure permettant de répondre au besoin est la cellule élémentaire de commutation ci-contre, où \(K_1\) et \(K_2\) fonctionnent de manière complémentaire : \(K_2 = \overline{K_1}\)

- Si \(K_1=1\) et \(K_2=0\) : échange d'énergie

- Si \(K_1=0\) et \(K_2=1\) : pas d'échange d'énergie

Comme nous allons le voir par la suite, cette structure correspond au principe du hacheur série.