Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article a pour objet l’étude des contraintes de commutation. En pratique, les composants semi-conducteurs, avec leurs caractéristiques et leurs imperfections, impactent grandement les paramètres de fonctionnement de la cellule, comme la vitesse de commutation, le courant limité et le couplage entre les électrodes de puissance et de commande. La cellule de commutation est même parfois modifiée (éléments mis en série ou en parallèle, ou non dissipatifs) afin de contourner le problème de dispersion de ces paramètres. Les concepteurs de circuits de conversion d'énergie proposent maintenant des circuits d'aide à la commutation permettant de gérer ces contraintes (pertes, CEM, dv /dt, di/dt...). Pour finir, la notion de commutation douce, qui permet d’écarter une partie de ces contraintes, est introduite.
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This article is a study of commutation constraints. In practice, semiconductor components, with their characteristics and imperfections, significantly impact the operating parameters of the cell, such as the switching speed, the limited current and the coupling between the power and control electrodes. The switching cell is at times modified (elements in series or in parallel, or non-dissipative) to circumvent the dispersion issue of these parameters. Energy recovery circuit designers are now offering switching-aid circuits to manage these constraints (losses, EMC, dv/dt, di/dt...). To conclude, the concept of soft-switching, that enables the removal of certain constraints, is presented.
Auteur(s)
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Henri FOCH : Ancien Professeur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique Industrielle (LEEI)
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Michel METZ : Professeur Émérite de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, LEEI
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Thierry MEYNARD : Directeur de Recherche au CNRS, LEEI
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Hubert PIQUET : Professeur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, LEEI
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Frédéric RICHARDEAU : Chargé de Recherche au CNRS, LEEI - avec la collaboration de , Maître de Conférences de l'INPT, LEEI, , Professeur de l'INPT, LEEI, , Maître de Conférences de l'IUFM Toulouse, LEEI, , Maître de Conférences de l'INPT, LEEI et , Chargé de Recherches au CNRS -
INTRODUCTION
Une des conclusions fondamentales de l'étude d'une cellule de commutation composée de deux interrupteurs, deux sources et d'aucun élément réactif est que le point de fonctionnement de l'interrupteur commandé doit traverser une zone du plan (v K , i K ) en passant par le point (V, I) correspondant à une puissance instantanée très importante pendant la durée de la commutation (cf. [D 3 076], § 2). Afin de limiter les pertes correspondant à ce trajet dans la zone dissipative appelées pertes par commutation, il est important de réaliser cette commutation le plus rapidement possible. La vitesse de commutation dépend notamment des caractéristiques des semi-conducteurs et de la manière dont ils sont commandés, et l'amélioration de cette caractéristique constitue un des objectifs principaux de l'évolution technologique des semi-conducteurs. Il faut cependant noter que l'augmentation des dV/ dt et dI/ dt conduit respectivement à une augmentation des courants induits dans les capacités parasites et des tensions induites dans les mailles des circuits environnants créant ainsi un certain nombre d'interactions généralement indésirables regroupées sous le terme générique de compatibilité électro-magnétique (CEM). Par conséquent, même si l'augmentation des vitesses de commutation constitue un moyen de réduire les pertes par commutation, il serait dangereux d'aller trop loin dans cette voie. Cela est d'autant plus vrai que les commutations rapides accentuent les phénomènes résultant des imperfections des composants (courant de recouvrement des diodes en particulier) susceptibles d'entraîner des pertes supplémentaires et d'exciter des modes oscillatoires rapides. D'autres moyens de réduire les pertes par commutation dans les semi-conducteurs ont ainsi été envisagés.
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Les circuits d'aide à la commutation ne réduisent d'ailleurs pas véritablement les pertes par commutation mais les transfèrent vers des éléments auxiliaires. Ces circuits étaient pratiquement indispensables lorsque les semi-conducteurs de puissance avaient de médiocres performances en commutation, mais aujourd'hui, compte tenu des progrès fulgurants des semi-conducteurs modernes (IGBT notamment), leur usage est quasiment réservé aux applications de très forte puissance (> 1 MW) utilisant des semi-conducteurs de type IGCT.
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Les circuits d'aide à la commutation ont par ailleurs permis d'imaginer le concept de commutation douce qui consiste à modifier légèrement la cellule de commutation afin de réduire les pertes par commutation dans l'interrupteur mais sans les transférer vers des éléments auxiliaires.
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Notons enfin qu'il existe un autre moyen de réduire les contraintes de la cellule de commutation traditionnelle, à savoir la conversion multiniveau. Cette technique consiste à commuter seulement une fraction de la tension ou du courant, ce qui permet de réduire l'énergie dissipée à chaque commutation, d'utiliser des interrupteurs de plus petit calibre qui sont donc plus performants et enfin de réduire la fréquence de commutation sans augmenter l'ondulation résiduelle au niveau des filtres.
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Présentation
Introduction à la commutation douce1. Gestion des contraintes de commutation
1.1 Principe
Dans une cellule de commutation idéalisée telle que celle de la figure 1, les lois des mailles et des nœuds (v 1 + v 2 ≥ V ; i 1 – i 2 ≥ I ) impliquent qu'au moment de la commutation spontanée de l'interrupteur 2 (v 2 ≥ 0 ; i 2 ≥ 0), l'interrupteur 1 subit des contraintes de tension et courant importantes (v 1 ≥ V ; i 1 ≥ I ), ce qui est incompatible avec la notion même d'interrupteur parfait. Pour étudier plus avant les mécanismes de commutation, il faut donc abandonner le modèle de la cellule de commutation idéalisée (sources, interrupteurs et câblage idéaux).
Pratiquement, ce sont les imperfections des composants semi-conducteurs (temps de commutation, courant limité, couplage entre les électrodes de puissance et de commande...) qui sont sollicitées lors d'une commutation dans une cellule quasi idéale et l'étude de ces commutations requiert une connaissance et une modélisation très intime des composants semi-conducteurs.
De plus, pour masquer les imperfections et les dispersions des paramètres des composants semi-conducteurs, on peut avoir recours à des modifications de la cellule de commutation (éléments en série ou parallèles, non dissipatifs, destinés à dissocier les comportements des deux semi-conducteurs de la cellule de commutation).
La présence de tels éléments réactifs conduit à des commutations assez différentes. Nous étudierons tout d'abord séparément l'influence de condensateurs connectés au point G (figure 1) qui modifient la loi des nœuds (i 1 – i 2 + Σi C ≥ I ) et l'influence d'inductances dans la maille V, K1 , K2 qui modifient la loi des mailles (v 1 + v 2 + Σv L ≥ V ).
On verra en particulier que le blocage de l'interrupteur commandé peut être amélioré par la présence de tels condensateurs et que l'amorçage de l'interrupteur commandé peut...
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