Historique :
Les composants de puissance commandés constituent l’essentiel des interrupteurs de commutation dans les systèmes de l’électronique de puissance.
Les interrupteurs statiques sont classés selon le type de porteur, électrons ou trou "les composants unipolaires" et ceux qui font appels aux deux types de porteur, électrons et trous "le composants bipolaires".
La première famille d’interrupteur de puissance à servir l’électronique de puissance fut celle des composants bipolaires. Depuis leur introduction en 1950, les transistors bipolaires puis les thyristors ont longtemps maintenu leur performance en commutation.
Les thyristors en silicium sont fabriqués aujourd’hui avec de large surface active on trouve des substrats avec des diamètres de 125mm capables de commuter un courant de 1000A et de bloquer une tension de 6500v.
En 1970 une publication introduisit le premier thyristor commandable non seulement à la fermeture mais également à l’ouverture. C’est le thyristor GTO (Gate Turn Off),
Le transistor bipolaire et le thyristor GTO avaient comme avantage, de commuter rapidement et de couper un courant sans qu’il soit nécessaire d’appliquer une tension inverse aux bornes du dispositif.
I- Interrupteurs semi-conducteur :
On peut grouper les composants utilisés dans les convertisseurs statiques en 3
Catégories :
1) Les diodes.
2) Les thyristors (Silicon-Controlled Rectifier : SCR, Gat-turn off : GTO).
3) Les transistors de puissance.
I.1- Diode :
La diode est un composant à deux électrodes, l'anode et la cathode , sans électrode de commande. Son fonctionnement lui est totalement imposé par le circuit dans lequel elle est insérée.
Quant ce circuit tend à faire passer un courant dans le sens direct ou perméable, c'est-à-dire de vers , la diode et conductrice ou passante.
Quant ce circuit applique une tension négative ou inverse à ses bornes, la diode et bloquée ou isolante.
La figure 1.1 montre le symbole représentatif de la diode et les deux segments de sa caractéristique statique simplifiée. Le passage d'un segment à l’autre, dans un sens ou dans l’autre, s’effectue nécessairement par le point O.
Une diode est essentiellement caractérisée par :
Le courant direct moyen qu’elle peut écouler.
La tension inverse maximale qu’elle peut supporter.
I.1.1- Les caractéristiques statiques d’une diode :
Ils sont donnés dans la figure 1.3 avec :
VF : tension directe
IF : courant direct
VRRM : tension inverse maximale répétitive
VRSM : Tension inverse maximale non répétitive.
En conduction la tension directe aux bornes de la diode est de l’ordre de 0.8 à 1 volt.
On trouve des diodes qui supportent un courant direct :
, et des tensions inverse jusqu’à
I.1.2 Les caractéristiques dynamiques :
On fait l’hypothèse que l’amorçage et le blocage se font à .
a) Amorçage (figure 1.4) :
Il y aura une surtension aux bornes de la diode et une puissance dissipée non négligeable.
b) Blocage (figure 1.5) :
Il y aura un courant inverse dans la diode d’une valeur non négligeable .
La tension de recouvrement qui est en fonction de est très élevée.
Si , il faut protéger la diode par un réseau à ses bornes.
On appelle la période de recouvrement inverse.
En général, l’ordre de valeurs des temps de blocage et d’amorçage est :
- TON = 1µs
- TOFF = 25 à 100 ns pour les diodes rapides, jusqu’à quelques s pour les diodes lentes.
c) Critères de choix d’une diode de puissance :
• VRM maximale.
• VF minimale.
• TON et TOFF minimaux.
• IF : (courant direct).
• IFSM : courant direct de pointe (sur une durée).
• IFRM : courant direct de pointe répétitif.
d) Blocage d’une diode :
Pour qu’une diode se bloque, il faut que le courant qui le traverse s’annule ; Id = 0.
I.2.- Les thyristors :
Le thyristor est un élément commandé en courant. On trouve une famille des thyristors :
• thyristors classiques (SCR)
• TRIAC : bidirectionnel (équivalent à 2 thyristors tête - bêche)
• Photo thyristor.
• GTO : « Gate Turn Off thyristor » qui est un thyristor commandé en amorçage et en blocage.
I.2.1- Le thyristor classique :
Le thyristor ordinaire est un semi-conducteur à fermeture commandée. Outre l’anode et la cathode , il possède une électrode de commande, la gâchette G
Le thyristor est bloqué quand la tension à ses bornes est négative.
Si de négative la tension devient positive, il reste bloqué.
Mais si, étant positif, on fait passer une impulsion positive de courant de la gâchette vers la cathode, le thyristor devient passant.
Quand le thyristor est conducteur, il se comporte comme une diode ; la gâchette n’à plus pouvoir de commande. Il ne bloque que lorsque le courant direct s’annule (en réalité, lorsque devient inférieur à une valeur faible appelée « courant de maintien » de la conduction).
La figure 1.6 montre les trois segments de la caractéristique statique. L’ordre des phases successives lors d’un cycle de fonctionnement est imposé : bloqué en polarisation directe (OB), amorçage, conducteur (OA), blocage par passage au point O, bloqué en polarisation inverse (OD), inversion de la polarisation.
Après l’annulation du courant direct, il faut attendre un certain temps avant d’appliquer une tension positive aux bornes du thyristor, sinon celui-ci s’amorcerait sans signal de gâchette, donc de façon incontrôlée. Ce temps de recouvrement du pouvoir de blocage (d’une tension directe) est appelé « temps de blocage » .
Le temps de blocage, d’autant plus long que les calibres en courant et en tension du thyristor sont plus élevés, limite aux basses fréquences le domaine d'emploi de ce composant.
a) Caractéristiques statiques:
Il est composé de 4 couches PNPN formant 3 jonctions Ja, Jc et Jk (figure 1.7.a) et par analogie on obtient la figure (1.7.b).
Les symboles d’un thyristor sont donnés dans la figure (1.7.c).
En inverse, ces caractéristiques sont identiques aux caractéristiques de la diode, (figure 1.
.
En direct :
Si le courant de la gâchette est et on applique certaine tension assez.
Importante , le thyristor s’amorce effectivement et on aura en conduction.
Pour le thyristor s’amorce pour une tension directe .
Pour suffisant, est très faible (conduction comme une diode).
b) Caractéristiques dynamiques :
Amorçage : Amorçage n’est pas instantané quand Ig > 0. Il se divise en 2 intervalles de temps :
Td (temps de retard) = 1s à 0.2 s selon la valeur de Ig. Ia arrive à 10% de IF et VAK baisse de 10%.
Tr (temps de basculement). Id arrive à 90% de IF et VAK baisse jusqu’au 10% de sa valeur maximale.
Le temps de commutation est :
Ton = Td + Tr.
Ton = 1 à 6 s.
Il reste un intervalle de temps Tw (temps de saturation) à la fin duquel le thyristor passe en régime de conduction.
Il faut que la largueur d’impulsion sur la gâchette soit suffisante pour que Ia
dépasse la valeur du courant d’accrochage IL (Latching current), sinon, il n’y a pas d’amorçage du thyristor après la disparition de l’impulsion.
• Blocage (figure 1.10) : Le temps de blocage est composé de 2 intervalles:
Trr : temps de recouvrement inverse
Tgr : temps de recouvrement de la gâchette.
composé de 2 intervalles :
Tgr >Trr.
TOFF = Trr + Tgr.
TOFF = 5 s à 400 s.
TOFF dépend du :
TOFF dépend du :
• Courant direct Id.
• et
• Température de la jonction.
• Tension inverse.
• Tension directe.
II.1 Caractéristique de la diode :
a. Polarisation directe
La valeur de la tension de seuil de la diode Vseuil = 0.6v.
Tracer la courbe du courant id en fonction de la chute de tension aux bornes de la diode Vak [ id = (Vak)]. On voir la figure 2.2
b. Polarisation Inverse
La valeur de la résistance interne de la diode en directe :
donc
La valeur de la résistance interne de la diode en inverse :
donc
E 4,2 8 12,7 14,4 16,6 18,4 21,5 25,1 26,2 27,2 28,2
Vinv 3,5 7 12 13,5 16 17 20 24 25 26 27
Ii 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
II.2 Caractéristiques du thyristor :
a. Polarisation Directe
1. Pas d’impulsion sur la gâchette
E 3 3,5 4,1 5,2 6,3 7,5 9,6 11,1 12,9 14,3 16,7
VAK 2 3 3,5 4,5 5,5 7 9 10 12 13,5 15,5
Ia 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b. Polarisation Inverse
Tracer sur le même courbe le courant Ii en fonction de la chute de tension inverse du thyristor (Ii = Vinv), Voir la figure 2-7.
E 1,8 3,3 5,3 8 10,6 12,3 14,6 16,4 17,8 19,9 22,5
VAK 1 2,5 6 7.5 9 11 13 15 16 18 21
Ia 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
conclusion:La diode est un interrupteur unidirectionnel en courant,
à la fermeture naturelle ou spontanée (amorçage dès que VAK devient positive),
à l’ouverture naturelle (il se bloque quand le courant qui était positif s’annule),
apte à bloquer des tensions négatives,
Le thyristor est un interrupteur unidirectionnel en courant,
à la fermeture commandée, par l’alimentation de la gâchette,
à l’ouverture naturelle (il se bloque quand le courant qui était positif s’annule),
apte à bloquer des tensions négatives,
On remarque que la diode est équivalente à un thyristor dont la gâchette est alimentée en permanent.
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