Article

1 - DÉCOUPAGE DE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

2 - ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE DEPUIS SON ORIGINE

3 - ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE DEMAIN

4 - UNE DISCIPLINE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE TRÈS VASTE

5 - RUBRIQUE VIVANTE

  • 5.1 - Outils d'analyse et métrologie
  • 5.2 - Composants passifs
  • 5.3 - Composants actifs à semi-conducteur
  • 5.4 - Commande et régulation des convertisseurs
  • 5.5 - Architecture des convertisseurs
  • 5.6 - Applications

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D3060 v2

Électronique de puissance – Bases, perspectives, guide de lecture

Auteur(s) : Bruno ALLARD

Date de publication : 10 févr. 2016

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Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

L’électronique de puissance répond encore à plusieurs acceptations dans le monde technique. Il peut s’agir de la forme moderne de l’électrotechnique quand le propos concerne la commande de moteur par exemple. L’électronique de puissance fait également référence à l’ensemble des concepts, techniques et méthodologies relatifs à la conversion statique de l’électricité. Ceci est vrai aussi au sein des systèmes embarqués sans fil où la gestion fine de l’électricité est un enjeu majeur. En terme de puissance, l’électronique de puissance s’étend sur de très nombreuses décades : la très basse puissance liée à la récupération d’énergie (µW) ou les flux très importants d’électricité des réseaux (GW). En terme de spectre fréquentiel, l’électronique de puissance englobe des signaux allant du continu à quelques hertz (réseaux électriques) à plusieurs gigahertz (bruit électromagnétique rayonné). L’électronique de puissance est un domaine scientifique et technique vaste, en mutation perpétuelle et inscrit au cœur de l’enjeu sociétal sur la transition énergétique comme celui de la société numérique. Les articles de la collection couvrent des éléments variés de ce domaine passionnant. L’objectif de cet article est d’en introduire la structure, l’étendu et de proposer un guide de lecture.

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ABSTRACT

Power electronics is considered differently in the technical world. Acceptation ranges from the modern face of electro-technics when the issue is about motor drive for example but is also associated to the concepts, technologies and methodologies of power supplies, i.e. the static conversion of voltage. Power electronics is no introduced in the field of wireless sensors where the ultimate control of electrical consumption is mandatory. Power electronics covers a large range of power where µW is the order of magnitude in ultra-low power aspects like energy harvesting but GW also when focusing electricity in grids. From spectrum point of view, DC occupies a huge place, and then comes low-frequency components in electrical grid, kHz to MHz in power converters and GHz when related to electro-magnetic interference. Power electronics is a wide technical and scientific domain, in perpetual evolution and at the heart of societal challenge on energy transition as well as the energy enabler in the numerical society. Articles in the collection cover a large number of issues in this wide domain. This introduction wishes to describe a structure, the periphery of issues and a reading guide.

Auteur(s)

  • Bruno ALLARD : Professeur des Universités Département de Génie Électrique de l'INSA de Lyon, - Directeur et chercheur au laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005, Campus LyonTech-La Doua, Villeurbanne

INTRODUCTION

L'électronique de puissance est une discipline scientifique et technique – statut acquis depuis les années 1980, discipline vaste de connaissances et de technologies.

La réussite d'un convertisseur de puissance, en tant que produit industriel, repose sur la maîtrise de nombreux phénomènes physiques, dans plusieurs domaines. Pour autant, il serait délicat d'avancer une définition précise des concepts, technologies et techniques que recouvre l'acronyme « électronique de puissance ». Cette discipline soutient la réalisation de fonctions essentielles au sein de systèmes, dont le grand public ne voit en fin de compte que la finalité. Que ce soit dans un train ou un téléphone portable, la place de l'électronique de puissance dans ces « produits » est rarement soulignée. L'électronique de puissance alimente en énergie les fonctions d'un système « électronique », quel qu'il soit. L'image de la discipline « électronique de puissance » est sans doute à l'égale de l'importance de cette discipline dans un système : tout en discrétion.

À l'heure où les matières fossiles se raréfient et que la conscience écologique promeut des énergies propres et renouvelables, l'électronique de puissance est de nouveau propulsée au premier plan. En effet, en aval des systèmes qui transforment les énergies alternatives à l'énergie fossile (soleil, vent, eau, thermie, vibration, biomasse), l'électronique de puissance est présente dès la transformation en énergie électrique et dès l'adaptation de cette électricité aux besoins. L'industrie de l'électronique de puissance est contrainte de produire plus de convertisseurs, avec des performances accrues et pour un coût de plus en plus réduit. Ces performances vont dans le sens d'un meilleur rendement et d'une puissance massique augmentée. Des applications exigent des fonctionnements des environnements considérés comme sévères en température ambiante, vibration et agression chimique. Mais toujours en discrétion...

L'électronique de puissance s'apparente à l'électrotechnique, et renvoie à de grosses installations. Ces installations électriques n'évoquent pas de prime abord de hautes technologies et pourtant la transition énergétique fait émerger un renouveau technique et scientifique fort des solutions dites de réseaux intelligents (smart grids). Le déploiement dans un futur proche d'un réseau maillé en régime continu mais à haute tension (HVDC) implique la mise au point de composants et de convertisseurs adaptés. Sans électronique de puissance en termes de techniques et de concepts, les produits nomades (ordinateurs, lecteurs...) ne connaîtraient pas le développement que l'on sait. À toute petite échelle, l'électronique de puissance s'appelle la « gestion de l'énergie » ou « power management ». C'est finalement le but premier de tout convertisseur. C'est l'électronique basse tension qui s'est emparée des concepts de découpage de l'énergie électrique, ou bien l'électronique de puissance, en tant que discipline, qui s'intéresse à des produits de toute petite puissance (moins du watt) comme à ceux mettant en jeu des puissances colossales (plusieurs mégawatts). Mise à part la technologie, l'alimentation d'un processeur (~ 100 W) ou le convertisseur connecté à une génératrice d'éolienne (400 kW) partage un très grand nombre d'aspects, et les ingénieurs qui les ont respectivement conçus se sont battus avec les mêmes phénomènes physiques et ont tenté de trouver la meilleure réponse aux mêmes compromis (masse, rendement, stabilité, qualité de service, refroidissement, fiabilité, susceptibilité électromagnétique...).

La rubrique Électronique de puissance présente une discipline, dédiée à la conversion de l'énergie électrique, c'est-à-dire le moyen de fournir précisément à une charge l'énergie électrique dont elle a besoin, – en courant, en tension et en contenu spectrale et cela de manière dynamique – quand elle en a besoin, et ce à partir d'une ou plusieurs sources primaires d'énergie électrique. La rubrique a l'ambition de consigner les connaissances nécessaires à la compréhension des phénomènes mis en jeux. La conversion d'énergie primaire non électrique en électricité couvre des aspects de plus en plus abordés en terme de « récupération d'énergie » (energy harvesting). Les principes physiques de la transformation de l'énergie primaire en électricité ne sont pas traités dans la présente rubrique. Par contre la gestion de cette transformation, notamment pour la rendre la plus efficace possible, – notamment le fameux point de puissance maximale (MPP, maximal power point) – incombe à un convertisseur électrique, objets couverts dans la présente rubrique.

L'électronique de puissance évolue très vite, et par sauts technologiques. Aussi, le rôle de la rubrique est également d'offrir un exposé concis des applications technologiques les plus pertinentes pour tous les aspects d'un système de puissance. Enfin, les Techniques de l'Ingénieur ont la mission de faire évoluer l'édition de la rubrique pour refléter l'électronique de puissance de demain : des structures nouvelles de conversion sont mises au point, la course à l'intégration pour les petites ou moyennes puissances, ou bien le prélèvement direct de l'énergie sur un réseau, pour les sources de très haute tension, par exemple.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes et expressions importants de l'article, ainsi qu'un tableau des sigles, notations et symboles utilisés tout au long de l'article.

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KEYWORDS

semiconductor   |   conversion architecture

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3060


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - OWEN (E.L.), MORAK (M.M.), HERSKIND (C.C.), GRIMES (A.S.) -   AC adjustable speed drives with electronic power converters – The early days.  -  IEEE Transactions on Industrial Applications, vol. IA-20, p. 854-861 (1982).

  • (2) - OWEN (E.L.) -   Power electronics and rotating machines – Past, present and future.  -  IEEE Power Electronics Specialists Conference, p. 18-21 (1984).

  • (3) - VAN WYK (J.D.) -   Power and machine electronics : 1914-1968, a selected bibliography and review on the electronic control of electrical machines.  -  Transval Edition, South African Institute of Electrical Engineers.

  • (4) - HEUMANN (K.) -   Power electronics – State of the art.  -  International Power Electronics Conference, p. 11-20 (1990).

  • (5) - PELLY (B.R.) -   Power semiconductor devices : a status review.  -  International Semiconductor Power Converters Conference, p. 1-19 (1982).

  • ...

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