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BTS Electrotechnique (deuxième année)

Hacheur série

CONVERTISSEURS CONTINU - CONTINU : HACHEURS et ALIMENTATIONS A DECOUPAGES

I. HACHEUR SERIE

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1. Introduction

1.1. Définition et symbole

Un hacheur série est un convertisseur statique qui, à partir d'une source de tension continu constante, permet le transfert et le contrôle de l'énergie vers une charge, en maintenant aux bornes de celle-ci une tension à valeur moyenne réglable :

Tension continu fixe → Tension à valeur moyenne réglable

La source : générateur idéal de tension.
La charge : récepteur fonctionnant en régime continu variable.

Symbole :

Symbole du hacheur

1.2. Deux interrupteurs électroniques (rappels)

1.2.1. Le transistor bipolaire en commutation

Le transistor bipolaire est un composant électronique semi-conducteur construit généralement dans un bloc de Silicium. Il comporte 3 zones : soit deux zones N et une zone P, il s'agit alors d'un transistor NPN ; soit deux zones P et une zone N, il s'agit alors d'un transistor PNP.

Symboles :

Symboles du transistor

Par la loi des nœuds, nous pouvons écrire : iE = iB + iC
Mais comme généralement : iB << iC alors iE ≈ iC

Nous nous limiterons à l'étude du transistor idéal en commutation.

Caractéristique de transfert :

Caractéristique de transfert du transistor

Courant et tension sont unidirectionnels positifs.
Le transistor en commutation est soit bloqué, il se comporte comme un interrupteur ouvert entre les bornes C et E ; soit saturé, il se comporte comme un interrupteur fermé entre les bornes C et E.

L'état du transistor est déterminé par la valeur du courant de base iB :

  • Etat bloqué  :

    Le transistor est bloqué si le courant de base est nul : iB = 0.
    Le courant iC est nul.
    La tension vCE est alors imposé par le reste du circuit.
    Le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert entre les bornes C et E :

    Transistor ouvert
  • Etat saturé :

    Le transistor est saturé si le courant de base est supérieur au courant de saturation du transistor (valeur donnée par le constructeur) : iB > iBsat.
    Alors la tension vCE est nulle.
    La valeur de l'intensité du courant de collecteur iC est imposée par la charge.
    Le transistor se comporte comme un interrupteur fermé entre les bornes C et E :

    Transistor fermé

Conclusion : Le transistor bipolaire est un interrupteur électronique commandable à l'ouverture et à la fermeture : l'utilisateur peut toujours choisir l'état de l'interrupteur et ceci grâce aux courant de base, appelé courant de commande. Il est unidirectionnel : le courant de collecteur ne peut circuler que dans un seul sens.

1.2.2. Autres composants

  • Transistor MOSFET
  • Un transistor à effet de champ (à grille) métal-oxyde est un type de transistor à effet de champ ; on utilise souvent le terme MOSFET, acronyme anglais de metal oxide semiconductor field effect transistor. Comme tous les transistors ou même les tubes à vide, le MOSFET module le courant qui le traverse à l'aide d'un signal appliqué à son électrode d'entrée ou grille. Il trouve ses applications dans les circuits intégrés numériques, en particulier avec la technologie CMOS, ainsi que dans l'électronique de puissance.

    Les MOSFET se divisent en deux catégories, les MOSFET à déplétion (depletion mode), les MOSFET à inversion (enhancement mode) selon leur mode d'opération.

    Chaque MOSFET est aussi caractérisé par la polarité de ses porteurs de charges qui détermine s'il est de type P ou N.

    Symboles usuels du MOSFET :

    Symbole du MOSFET
  • GTO
  • Le Thyristor GTO (ou plus simplement GTO), de l'anglais Gate Turn-Off Thyristor, c’est-à-dire thyristor blocable par la gâchette, est un interrupteur électronique utilisé dans les dispositifs de forte puissance de l'électronique de puissance.

    Le HDGTO (Hard Driven GTO : GTO à commande dure), plus connu sous le nom de GCT (Gate-Commutated Thyristor) ou IGCT (Integrated GCT), est une évolution « moderne » du GTO, permettant un fonctionnement sans circuit d'aide à la commutation.

    Les applications usuelles du GTO sont les onduleurs, redresseurs et hacheurs pour la vitesse variable et la conversion d'énergie.

    Le GTO est un composant électronique dont la mise en conduction et le blocage sont commandés. C'est l'un des interrupteurs commandés de l'électronique de puissance pour les applications concernant les fortes tensions (quelques kV) et les forts courants (quelques kA). Son usage est fonctionnellement similaire à celui d'un transistor utilisé en commutation. Il est d'ailleurs directement en concurrence avec l'IGBT pour ces applications.

    Symbole :

    GTO
  • IGBT
  • Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de l’anglais Insulated Gate Bipolar Transistor) est un dispositif semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur électronique de puissance, principalement dans les montages de l’électronique de puissance.

    Symboles usuels de l’IGBT :

    IGBT

    Les caractéristiques de l’IGBT font que dans les années 2000 il s’est largement imposé dans tous les domaines de l’électronique de puissance face aux autres types de composants pour les gammes de tension 600 V à 3 300 V, et qu’il perce dans les tensions supérieures face au GTO, ainsi que dans les tensions inférieures face au MOSFET, bien qu’il soit plus lent.

  • Comparaisons
  • Le tableau suivant montre les performances typiques de quelques produits du marché des transistors.

    Il dégage la tendance générale : le VCEsat augmente et la fréquence d’utilisation diminue quand la tenue en tension augmente ; les MOSFET et les GTO deviennent concurrentiels aux extrémités de la gamme.

    Caractéristiques moyennes comparées
      MOSFET 600V IGBT 600V IGBT 1700V IGBT 3300V IGBT 6500V GTO 6000V
    VCEsat à 125°C 2,2 V 1,8 V 2,5 V 3,5 V 5,3 V 3 V
    fréquence typique 15-100 kHz 6-40 kHz 3-10 kHz 1-5 kHz 0,8-2 kHz 0,3-1 kHz

    Des produits de certains fabricants peuvent s’écarter significativement des valeurs mentionnées car relevant d’optimisations différentes (améliorant l’un des paramètres au détriment de l’autre) ou utilisant des technologies très récentes.

1.2.3. La diode à jonction

La diode à jonction est un composant électronique semi-conducteur construit généralement dans un bloc de Silicium. Elle comporte 2 zones : une zone P, l'anode et une zone N, la cathode.

Symboles :

Symbole de la diode à jonction

Nous nous limiterons à l'étude de la diode idéale.

Caractéristique de transfert de la diode

La diode est passante lorsque le reste du circuit tend à imposer une tension positive aux bornes de la diode (tension directe). Elle se comporte alors comme un interrupteur électronique fermé idéal (vD = 0).

La diode est bloquée lorsque le reste du circuit impose une tension négative aux bornes de la diode (tension inverse), le courant dans la diode est alors nul. Elle se comporte comme un interrupteur ouvert.

Conclusion : L'état de la diode dépend du reste du circuit : la diode n'est pas un interrupteur commandable. La diode est unidirectionnelle : le sens positif de circulation du courant ne peut être que celui fléché.

Bibliographie et sites web associés à cette page :

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