Circuits d’aide à la commutation (CALC) et les hacheurs à transistor et à thyristor

Contrôler dv/dt et di/dt

                 Les circuits ou réseaux d’aide à l’ouverture sont l’application de la faculté du condensateur à contrôler les variations de tensions. Cependant, la capacité C ne pourra être placée seule dans le montage, il se comporterait comme une capacité parasite. Ainsi on lui adjoint un circuit que nous désignerons par R pour le contrôler. Le circuit R fera office de « roue libre du CALC» et déterminera le type son type. Partant du même principe, un circuit d’aide à la fermeture se compose d’une self associée à un circuit annexe (circuit R de la figure 32) qui assurera et contrôlera son bon fonctionnement. Une importante remarque est que les CALC n’interfèrent pas sur le principe de fonctionnement du convertisseur.

Association de circuits d’aide à la commutation

           Dans la plupart des applications le besoin à la fois d’un réseau d’aide à l’ouverture et d’un réseau d’aide à la fermeture s’avère nécessaire. Il est aussi possible de monter sur un même circuit deux circuits d’aide à l’ouverture : l’un polarisé pour contrôler en général la tension et l’autre non polarisé pour étouffer les oscillations dues aux réactances parasites. L’usage simultané de CALC et de circuits d’écrêtage est aussi une application courante dans les alimentations à découpage.

Exigences matérielles (hardware)

La configuration minimale de l’ordinateur requise est :
-CPU Pentium 400Mhz
-Mémoire vive 256 Mo (300Mo recommandé)
-Espace libre de 2Go sur le disque dur
-Carte graphique VGA 800×600 (1024×768)
-Système d’exploitation Windows NT 4.0, Windows 2000 ou XP

Affinité avec d’autres logiciels

           De nombreux logiciels sont compatibles avec SIMPLORER notamment la possibilité de développer des interfaces C/C++, VHDL-AMS. Mais la compatibilité avec SPICE constitue son plus grand atout. En effet pour simuler le comportement de composants réels, il est nécessaire de définir le maximum paramètres (paramètres du modèle SPICE d’un semiconducteur). En effet sous SIMULINK, par exemple, un transistor est simplement modélisé par un interrupteur avec une résistance de fuite et une capacité parasite montée en parallèle.

LE MODELE SANS CIRCUIT D’AIDE A LA COMMUTATION

              Effectivement, on constate qu’il y coexistence d’un courant fort et d’une tension élevée égale à la tension d’alimentation qui se traduira par une importante dissipation dans le transistor. Il est important de remarquer qu’avant cela, la montée de la tension jusqu’à Vcc s’effectue en un temps non nul, on pourra négliger cette phase pour le calcul des pertes (la dissipation durant cette période est en général beaucoup moins importante). La diode de roue libre entre immédiatement en conduction alors que le courant dans le transistor n’est pas encore nul.

Conséquences positives

Avantages pour l’industriel L’emploi de convertisseurs statiques ne peut être que bénéfique pour l’industriel. Par rapport aux systèmes de conversion électromécanique la mise en œuvre de convertisseurs statiques entraîne :
-La réduction de l’occupation du sol
-L’augmentation du rendement
-La diminution des travaux de maintenances, réduits parfois au simple dépoussiérage.
Silence de fonctionnement (inexistence de bruits et de vibrations)
Automatisation L’automatisation d’un processus ou d’un système repose souvent sur les propriétés des convertisseurs. Suite à l’automatisation on améliore la qualité des produits, la rapidité et la précision du système, les conditions de sécurités et une réduction considérable de la main d’œuvre.

Conclusion sur l’étude d’impacts environnementaux

               Depuis l’adoption de la Charte de l’environnement Malagasy et la promulgation du décret relatif à la mise en compatibilité des investissements avec l’environnement (MECIE), tout industriel a le devoir d’évaluer les impacts de ses activités sur l’environnement. L’objectif étant d’identifier les mesures à prendre pour minimiser, supprimer, atténuer, à défaut pour compenser d’éventuelles atteintes à l’Environnement. Le présent mémoire a permis de tracer les grandes lignes sur les impacts positifs et négatifs de l’emploi de convertisseurs statiques avec ou sans circuits d’aide à la commutation, notamment sur la préservation et protection du réseau électrique et les apports dans le développement énergétique durable. Les idées principales de cette étude pourront être prises en considérations pour de futures études d’impacts environnementaux (EIE) de projets ayant comme procédé principal l’exploitation des convertisseurs statiques.

Table des matières

Introduction
PARTIE IV. LES HACHEURS ET LES COMPOSANTS DE PUISSANCE
CHAPITRE I. LES DIFFERENTS MONTAGES HACHEURS
I. NOTIONS GENERALES SUR LES HACHEURS
I.1. définitions
I.1.1. Convertisseur statique
I.1.2. Hacheur
I.2. Règles de connexion des sources
I.2.1. Source de courant et source de tension
I.2.2. Règles de connexion des sources
II. ETUDE DES STRUCTURES FONDAMENTALES
II.1. Hacheur série ou Buck
II.1.1. Schéma de principe Fonctionnement
II.1.2. Forme d’ondes
II.1.3. Principales relations
II.2. hacheur parallèle ou boost
II.2.1. Schéma de principe et fonctionnement
II.2.2. Formes d’ondes
II.2.3. Principales relations
II.3. hacheurs à stockage intermédiaire
II.3.1. Les hacheurs à stockage inductif ou BUCK-BOOST
II.3.2. Les hacheurs à stockage capacitif ou hacheur de CUK
III. CONTRAINTES SUR LES COMPOSANTS DANS LES HACHEURS
CHAPITRE II. LES INTERRUPTEURS OU COMMUTATEURS DE PUISSANCE
I. LE TRANSISTOR BIPOLAIRE DE PUISSANCE
I.1. Constitution et caractéristiques
I.2. Le transistor bipolaire en régime de commutation
I.3. Avantages et inconvénients du transistor bipolaire
II.3.1. Avantages
II.3.2. Inconvénients
II. LE THYRISTOR
II.1. Constitution et caractéristiques
II.2. Le thyristor en commutation
II.2.1. Amorçage
II.2.2. Blocage
II.3. Avantages et inconvénients
II.3.1. Avantages
II.3.2. Inconvénients
III. AUTRES COMMUTATEURS DE PUISSANCE
III.1. Le transistor MOSFET
III.2. L’IGBT ou Insulated Gate Bipolar Transistor
III.3. Le GTO: Gate Turn Off Thyristor
III.4. Technologies émergentes
CHAPITRE III. LES COMMUTATIONS
I. CONDITIONS DE COMMUTATION REELLE
II.1. Aire de sécurité des semi-conducteurs
II.2. Influence des réactances parasites
II.2.1. Inductances
II.2.2. Capacités
II.2.3. Oscillations dues aux réactances parasites
II. TRANSISTOR REEL EN COMMUTATION
II.1. Enclenchement
II.1.1. Temps de réponse ou delay time td
II.1.2. Temps de montée ou rise-time tr
II.2. Blocage du transistor bipolaire
II.2.1. Temps de stockage ou storage-time ts
II.2.2. Temps de descente ou fall-time tf
II.3. Comportement dynamique du hacheur a transistor
II.3.1. Expression des pertes
II.3.2. Comportement dynamique du hacheur à transistor
III. THYRISTOR REEL EN COMMUTATION
III.1. Amorçage du thyristor
III.1.1. Le delay-time td
III.1.2. Le temps de montée tr
III.1.3. di/dt critique
III.2. Désamorçage
III.2.1. Temps de désamorçage tq
III.2.2. dv/dt critique, amorçage intempestif
III.3. Comportement dynamique du hacheur a thyristor
II.3.1. Expression des pertes
II.3.2. Position du problème
PARTIE II. LES CIRCUITS D’AIDE A LA COMMUTATION
CHAPITRE I. PRINCIPES GENERAUX DES CIRCUITS D’AIDE A LA COMMUTATION
I. CONTROLE DE LA VARIATION DU COURANT ET DE LA TENSION
I.1. Capacité placée en parallèle avec un commutateur
I.2. Inductance en série avec un commutateur
II. CIRCUIT OSCILLANT EN REGIME LIBRE OU AUTO-OSCILLANT
II.1. Définition
II.2. Mise en équation
II.2.1. Condition initiale
II.2.2. Pulsation propre du circuit oscillant
II.3. Application des circuits oscillants
II.3.1. Amortissement
II.3.2. Amortir des oscillations
II.3.3. Circuit oscillant polarisé
III. LES RESEAUX D’AIDE A LA COMMUTATION
III.1. Principe des circuits d’aide à la commutation
III.1.1. Contrôler dv/dt et di/dt
III.1.2. Diminution des dissipations
III.1.3. Association de circuits d’aide à la commutation
III.2. Classification des circuits d’aide à la commutation
II.2.1. CALC polarisé
II.2.2. CALC dissipatif¨
II.2.3. CALC actif
CHAPITRE II. LES DIFFERENTS TYPES DE CIRCUITS D’AIDE A LA COMMUTATION 
I. CIRCUITS D’AIDE A L’OUVERTURE
I.1. Réseau d’aide R-C
I.1.1. Montage
I.1.2. Fonctionnement
I.2. Réseau polarisé R-C-D
I.2.1. Montage
I.2.2. Fonctionnement
II. CIRCUITS D’AIDE A LA FERMETURE
II.1. Réseau R-L simple
II.1.1. Montage
II.1.2. Fonctionnement
II.2. Réseau polarisé R-L-D
II.2.1. Montage
II.2.2. Fonctionnement
II.3. Circuit d’aide à l’ouverture R-L-C
II.3.1. Montage
II.3.2. Fonctionnement
III. CALC NON DISSIPATIFS
III.1. CALC non- dissipatif d’aide à l’ouverture
III.1.1. Réseau 3D-2C -1L à deux bornes
III.1.2. Réseau 3D-2C-1L à trois bornes
III.1.3. Circuit d’aide à l’ouverture à tension intermédiaire
III.2. CALC non dissipatif d’aide à la fermeture
III.2.1. Circuit d’aide à la fermeture à résonance
III.2.2. Circuit d’aide à l’ouverture type FLYBACK
CHAPITRE III. DIMENSIONNEMENT DES CIRCUITS D’AIDE CLASSIQUES
I. HYPOTHESES COMMUNES POUR LE DIMENSIONNEMENT
I.1. Evolution des grandeurs électriques durant les commutations
I.2. La constante de temps
I.3. Facteurs KL et KC
I.4. Nature des commutateurs
II. RESEAU D’AIDE A L’OUVERTURE R-C-D
II.1. Choix du condensateur
II.2. Choix de la résistance
II.2.1. Puissance
II.2.2. Valeur de la résistance
II.3. Discussion
III. CALC R-L-D
III.1. Sélection de l’inductance
III.2. Choix de la résistance du CALC
III.2.1. Puissance
III.2.2. Valeur de la résistance
IV. SELECTION DES COMPOSANTS
IV.1. Les résistances
IV.2. Les condensateurs
IV.3. Les diodes
PARTIE III. SIMULATIONS SOUS SIMPLORER SV 6.0
CHAPITRE I. CREATION DU MODELE SOUS SIMPLORER
I. SIMPLORER
I.1. Présentation
I.1.1. Exigences matérielles (hardware)
I.1.2. Affinité avec d’autres logiciels
I.2. Vue d’ensemble d’une simulation sous SIMPLORER
I.3. LANCER UNE SIMULATION
1.3.1. Paramètres de la simulation
1.3.2. Définir les paramètres de sortie et simuler
II. LE MODELE ETUDIE
II.1. Présentation du modèle dans SIMPLORER Schematic
II.2. Le modèle du transistor
II.3. Validation du modèle
II. CALCULS PRELIMINAIRES
CHAPITRE II. ANALYSE DE L’AIDE A L’OUVERTURE
I. LE MODELE SANS CIRCUIT D’AIDE A LA COMMUTATION
II. LE MODELE AVEC UN CIRCUIT D’AIDE A L’OUVERTURE RCD
III. INFLUENCE DE LA VALEUR DE LA RESISTANCE
IV. VARIATIONS DE LA CAPACITE
CHAPITRE III. SIMULATION DE L’AIDE A LA FERMETURE
I. UTILISATION DU CALC RLD
I.1. Forme d’ondes sans le circuit d’aide
I.2. Modèle avec CALC RLD
I.2.1. Détermination des éléments du CALC
I.2.2. Modèle avec circuit d’aide à la fermeture
II. INFLUENCE DU CHOIX DE LA RESISTANCE
III. ASSOCIATION DE CIRCUITS D’AIDE
III.1. Schéma et formes d’ondes
III.2. Comparaison des pertes
III.2.1. Expression de la dissipation dans le transistor
III.2.2. Etude comparative des pertes
PARTIE IV. IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
I. DEFINITIONS
I.1. Notion d’environnement
I.2. Circuits d’aide à la commutation
II. CONTEXTE GLOBAL
II.1. Loi régissant les pollutions industrielles
II.2. Développement durable
I.2.1. Définition
I.2.2. Stratégie énergétique
II.3. Les énergies renouvelables
II.3.1. Le changement climatique
II.3.2. Crises pétrolières
II.3.3. La diversification des sources d’énergie
III. CONSEQUENCES DE L UTILISATION DES CONVERTISSEURS STATIQUES
III.1. Conséquences positives
III.1.1. Avantages pour l’industriel
III.1.2. Automatisation
III.2. Conséquences négatives
III.2.1. Problèmes des harmoniques
III.2.2. Perturbation électromagnétiques
IV. REGARD ENVIRONNEMENTAL SUR L’EMPLOI DES CIRCUITS D’AIDE A LA COMMUTATION
IV.1. Contribution à la protection et à la préservation du réseau électrique
IV.2. Contribution au développement énergétique durable
V. MESURES D’ATTENUATION
V.1. Utilisation des filtres
V.2. Réduction des effets des perturbations électromagnétiques
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
ANNEXE I LA CELLULE DE COMMUTATION
ANNEXE II RESISTANCES A FILM METALLIQUE
ANNEXE III CAPACITES POUR APPLICATIONS EN COMMUTATION
ANNEXE IV DETERMINATION DE L’INDUCTANCE DE MAILLE Lp
ANNEXE V DIMENSIONNEMENT D’UN RESEAU D’ECRETAGE RCD [11]
ANNEXE VI RESEAUX CALC ET DE RESEAU D’ECRETAGE
ANNEXE VII PRINCIPAUX MODES DE BLOCAGE DE THYRISTOR
ANNEXE VIII EXTRAIT DU DATASHEET DU TIP 31 A
Bibliographie

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