Introduction à l'électronique de puissance — Utilisation de commutateurs à semi-conducteurs pour transformer la tension, le courant et la fréquence

La conversion du courant alternatif (CA) d'une prise murale en courant continu (CC) pour une batterie, puis la reconversion de ce CC en courant alternatif triphasé pour un moteur, l'adaptation de la tension d'un panneau solaire à celle du réseau électrique : l'électronique de puissance gère toutes ces opérations. Au lieu de dissiper la tension en chaleur à travers une résistance, elle utilise des transistors à semi-conducteurs (MOSFET, IGBT, etc.) à haute fréquence, stockant temporairement de l'énergie dans des inductances et des condensateurs pour générer le signal nécessaire.

Exemple de moteur BLDC

Exemple de boucle de régulation

Images : Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0) / PID schéma fonctionnel du contrôleur (Arturo Urquizo, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Exemples représentatifs de moteurs et de contrôleurs.

0. Résumé en 30 secondes

• Un semi-conducteur de puissance n'est pas un « composant qui amplifie la puissance » ; c'est un interrupteur électronique qui décide, à haute vitesse, si le courant circule ou est bloqué.

• Si D représente la fraction de la période de commutation pendant laquelle T_s est utilisé, un convertisseur Buck idéal fournit V_o=D V_{in}. Dans un appareil réel, les pertes par conduction, les pertes par commutation et les pertes dans les composants magnétiques sont toutes importantes.

• Un onduleur découpe le courant continu en fines portions grâce à la modulation de largeur d'impulsion (PWM), synthétisant une onde sinusoïdale comme valeur moyenne. Dans un moteur, la tension, la fréquence et la phase sont modifiées pour contrôler le couple et la vitesse.

• Le SiC et le GaN sont des matériaux qui permettent d'atteindre une tolérance à haute tension, une commutation à haute vitesse et un fonctionnement à haute température, mais la commande de grille, l'inductance parasite, les interférences électromagnétiques (EMI) et le coût complexifient leur conception. Un convertisseur de puissance ne se résume pas à son seul rendement : la résistance thermique, l’isolation, la protection contre les courts-circuits, le logiciel de contrôle, les normes du réseau et la facilité de maintenance doivent également être pris en compte.

1. Établissement d’une « valeur moyenne » par commutation

Placez un interrupteur S en série avec une source de courant continu V_{in} et activez-le pendant DT_s par période T_s. Si la charge est dotée d’une inductance suffisamment élevée, la tension moyenne qu’elle subit est :

Bien que l’interrupteur lui-même ne fournisse jamais plus de 0 V (ou V_{in}), le courant dans l’inductance lisse les transitions et la tension aux bornes du condensateur maintient la valeur moyenne. C’est le principe fondamental de l’électronique de puissance.

Schéma : Bobine crépusculaire. La forme d'onde rectangulaire de l'interrupteur est lissée par L et C, fournissant une tension moyenne à la charge. L'augmentation de la fréquence de commutation permet de réduire la taille des composants passifs, mais accroît les pertes et les interférences électromagnétiques.

2. Choix parmi les topologies représentatives

Buck, Boost, Buck-Boost

Le convertisseur Buck (abaisseur) est utilisé pour générer, par exemple, une tension de 12 V à partir d'une batterie ; le convertisseur Boost (élévateur) élève la basse tension d'une cellule solaire ou d'une pile à combustible à une tension continue élevée ; le convertisseur Buck-Boost convertit la tension à une valeur supérieure ou inférieure à la tension d'entrée. En mode de conduction continue idéal, Les relations sont les suivantes :

Lorsque le rapport cyclique D tend vers 1, la tension Boost idéale tend vers l'infini. Cependant, dans un appareil réel, la tension nominale des commutateurs, le temps de récupération inverse des diodes, la saturation de l'inductance et l'instabilité de la commande imposent des limites bien avant d'atteindre ce seuil. À haute tension et haute puissance, plutôt qu'une simple conversion à un seul étage, on privilégie des topologies telles que l'entrelacement, le LLC isolé ou le DAB (Dual Active Bridge).

Redresseurs et correction du facteur de puissance

Lors du redressement du courant alternatif par un pont de diodes, une alimentation à entrée capacitive absorbe une forte impulsion de courant près du pic de la forme d'onde de tension. Un facteur de puissance élevé augmente le courant que doit supporter l'équipement de distribution ; un circuit PFC (correction du facteur de puissance) de type Boost est donc utilisé pour modeler le courant d'entrée et le rapprocher d'une sinusoïde. Les alimentations de centres de données, les chargeurs rapides pour véhicules électriques et les onduleurs industriels doivent tous satisfaire simultanément aux exigences d'efficacité et de réduction des harmoniques.

Onduleurs et triphasé Moteurs

Un onduleur triphasé à deux niveaux commande 6 interrupteurs (supérieur et inférieur) selon un schéma complémentaire, synthétisant une tension triphasée à partir de la tension du bus continu. L'activation simultanée des interrupteurs supérieur et inférieur provoquerait un court-circuit du bus continu ; un temps mort de quelques centaines de nanosecondes à quelques microsecondes est donc inséré. Parmi les techniques de modulation courantes, on trouve la modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (PWM), qui compare une onde sinusoïdale de référence à une porteuse triangulaire pour générer la tension moyenne, et la modulation de largeur d'impulsion vectorielle spatiale (SVPWM), qui injecte une composante homopolaire sur les trois phases afin d'optimiser l'utilisation de la tension continue.

Dans un moteur synchrone à aimant permanent, le courant d'axe q, perpendiculaire au flux rotorique, produit un couple. L'équation simplifiée du couple est :

où p représente le nombre de paires de pôles, \psi_f le flux de l'aimant permanent, et i_q le courant de l'axe q. La boucle de courant est contrôlée à quelques kHz et l'angle du rotor est obtenu soit à partir d'un capteur de position, soit par estimation sans capteur. Dans un véhicule électrique, le même onduleur bascule entre un couple élevé à basse vitesse, un affaiblissement du champ à haute vitesse et un freinage régénératif.

3. Choix entre Si, SiC et GaN

Les MOSFET/IGBT en silicium sont des technologies éprouvées, performantes en termes de coût et de fiabilité. Les MOSFET en SiC conviennent aux hautes tensions, aux faibles pertes et au fonctionnement à haute température ; ils sont de plus en plus utilisés dans les onduleurs principaux des véhicules électriques, les unités PCS pour le solaire et le stockage, ainsi que dans les alimentations auxiliaires ferroviaires. Les HEMT en GaN excellent dans les commutations à haute vitesse et les faibles charges de grille ; ils sont particulièrement performants dans les domaines où la haute fréquence et la compacité sont des atouts : adaptateurs secteur de classe 100 volts, alimentations de serveurs et transfert d'énergie sans fil.

Les pertes de commutation se divisent généralement en deux catégories.

R_{on} représente la résistance à l'état passant, t_{on/off} le temps de transition et f_s la fréquence de commutation. L'augmentation de la fréquence réduit la taille des composants magnétiques, mais accroît les pertes par commutation, les pertes de commande de grille et les interférences électromagnétiques. L'inductance parasite des dispositifs SiC/GaN se transformant plus facilement en surtension à haute fréquence de commutation, la conception doit prendre en compte simultanément le boîtier, l'implantation, la résistance de grille et les circuits d'amortissement.

4. Conception thermique, isolation et protection : déterminantes pour le produit

Avec une température de jonction T_j, une température de boîtier T_c et une résistance thermique R_{th,jc}, l'approximation en régime permanent est :

En tenant compte de la plaque froide, de la graisse thermique, du dissipateur thermique et du débit du liquide de refroidissement, T_j doit être maintenu en dessous de sa valeur nominale. Dans le pire des cas, pour un onduleur de véhicule électrique, la température d'entrée du liquide de refroidissement, les surcharges de courte durée, la chaleur générée par la régénération, et même l'eau salée et les vibrations, influent sur sa durée de vie.

Dans une batterie haute tension, les distances de fuite et d'isolement, la surveillance de l'isolation, la précharge, les fusibles, les contacteurs et une résistance de décharge sont combinés. La protection contre les courts-circuits ne se résume pas à une simple question de rapidité : elle nécessite une coordination temporelle qui évite les arrêts intempestifs tout en coupant l'alimentation de manière fiable avant la destruction du semi-conducteur. Les systèmes de surveillance logiciels, la double détection de courant et les normes de sécurité fonctionnelle (ISO 26262, IEC 61508, etc.) sont également intégrés au circuit.

5. Domaines d'application

6. Un regard sur la recherche actuelle

La recherche ne se limite pas à « l'amélioration de la vitesse des commutateurs ». Des progrès sont réalisés simultanément sur la fiabilité des grilles SiC et la tenue aux courts-circuits, la résistance à l'état passant dynamique du GaN, les chemins thermiques dans les modules de puissance 3D, les pertes haute fréquence dans les matériaux magnétiques, la compensation prédictive dans la commande numérique et la réduction des interférences électromagnétiques pour les dispositifs à large bande interdite. La recherche au niveau système est également importante : l'entrelacement multiphase qui modularise Convertisseurs permettant un fonctionnement continu même après une panne, V2G reliant les véhicules au réseau, distribution de courant continu et transfert d'énergie sans fil.

Lors de la lecture d'un graphique d'efficacité, il est important de vérifier non seulement le point de fonctionnement nominal, mais aussi la fraction de charge, la tension d'entrée, les conditions de refroidissement, la fréquence de commutation et la bande passante de mesure. Un même chiffre de 99 % représente 100 fois plus de chaleur perdue dans un onduleur de 1 MW que dans une alimentation de 1 kW. Lors du choix d'un produit, il est préférable de privilégier l'efficacité moyenne pondérée au profil de charge réel, à la durée de vie, à la facilité de maintenance et aux résultats des tests d'EMI, plutôt que la seule efficacité maximale.

7. Résumé

L'électronique de puissance décompose la puissance électrique en « activation/désactivation des semi-conducteurs », « stockage d'énergie dans les composants magnétiques », « lissage par condensateurs » et « rétroaction dans le logiciel de contrôle », puis les réassemble pour obtenir la tension, le courant et la fréquence requis. La mémorisation de l'équation Buck ou de la MLI n'est que le point de départ ; les performances finales dépendent de la combinaison des pertes, de la chaleur, de l'isolation et des EMI. Protection, normes et temporisation de la boucle de régulation.

Références

• CEI — Normes de sécurité électrique et d'électronique de puissance

• IEEE Power Electronics Society

• Wolfspeed — Ressources sur la technologie SiC

• Infineon — Semiconducteurs à large bande interdite

• NREL — Recherche en électronique de puissance