Module 3T-PE1 Conversion et transport de l'énergie
Enseignement des Sciences de l’Ingénieur
Chaîne d'énergie
Distribuer et moduler l'énergie électrique
Composants de l'électronique de puissance
Propriétés / Caractérisation
COURS GENERALITES ET COMPOSANTS DE L'ENPU
DEFINITION DE L'ENPU...........................................................................................................................................................2
LES APPLICATIONS DE L'ENPU................................................................................................................................................3
LES ACTEURS DE L'ENPU........................................................................................................................................................4
1. Propriétés du dipôle capacitif .................................................................................................................................5
2. Propriétés du dipôle inductif ..................................................................................................................................8
3. Caractérisation des sources...................................................................................................................................10
3.1 Comportement statique ..........................................................................................................................................10
cas d'une source de tension......................................................................................................................................10
cas d'une source de courant.....................................................................................................................................11
association viable ....................................................................................................................................................12
3.2 Comportement dynamique .....................................................................................................................................12
3.3 Les types de sources ..............................................................................................................................................12
4. La fonction interrupteur .......................................................................................................................................13
Caractéristique statique ................................................................................................................................................13
4.1 caractéristique deux segments ...........................................................................................................................14
4.2 caractéristique trois segments ...........................................................................................................................14
4.3 caractéristique quatre segments ........................................................................................................................14
4.4 Les modes de commutation ...................................................................................................................................15
les grandeurs vK, iK, sont de signe contraire............................................................................................................15
les grandeurs vK, iK, sont de même signe .................................................................................................................15
5. Règles d'interconnexion des sources ....................................................................................................................16
6. Les composants semi-conducteurs en ENPU.......................................................................................................17
6.1 La diode .................................................................................................................................................................17
6.2 Le transistor MOS..................................................................................................................................................18
6.3 Le transistor IGBT .................................................................................................................................................19
6.4 Les associations de composants .............................................................................................................................21
Alain Cunière 1
, Module 3T-PE1 Conversion et transport de l'énergie
DEFINITION DE L'ENPU
L’électronique de puissance est devenue une branche essentielle du génie électrique depuis la fin des
années 70. A cette époque, les progrès réalisés dans la technologie de fabrication des transistors de puissance
en termes de tenue en tension, d’intensité du courant commuté, de fréquence de découpage, ont permis
d’envisager le réglage de l’énergie électrique fournie aux systèmes industriels de forte puissance.
Cette possibilité de réglage de l’énergie électrique a permis d’améliorer les performances de ces systèmes,
sans avoir à dissiper un excédent, facteur de dégradation du rendement.
De nombreuses définitions de l’électronique de puissance sont données dans la littérature. Nous retiendrons
celle qui consiste à dire que l’électronique de puissance a pour objet d’adapter une source d’énergie
électrique aux besoins des systèmes électriques. Ainsi, elle assure d’une part une fonction de conversion de
la source (nombre de phases, fréquence, amplitude) pour l’adapter aux caractéristiques du système alimenté.
D’autre part, elle assure une fonction de réglage de ce transfert d’énergie.
Il s’agit donc d’une nouvelle discipline qui s’occupe du traitement de l’énergie électrique. Les dispositifs
permettant ce traitement sont nommés convertisseurs statiques par opposition aux dispositifs utilisés
autrefois et basés sur l’usage de machines tournantes.
Cette discipline a permis des avancées technologiques, que ce soit en petite puissance avec les systèmes
nomades (mobiles, lecteurs, etc…), en moyenne puissance dans le transport (ascenseurs, automobile
électrique, train, métro, etc…) ou en forte puissance (éoliennes, champs photovoltaïques, propulsion des
navires, etc…).
Pour les acteurs de la discipline, mener à bien un projet de conversion d’énergie, nécessite de maîtriser non
seulement les lois de la physique mais des domaines des sciences aussi variés que la modélisation, la
théorie de la commande, la fiabilité, la technologie.
Dorénavant, nous utiliserons les acronymes ENPU pour ElectroNique de PUissance et CS pour
Convertisseurs Statiques.
D’après cours d’Alain Cunière 2
, Module 3T-PE1 Conversion et transport de l'énergie
LES APPLICATIONS DE L'ENPU
Il serait vain de vouloir dresser une liste exhaustive des applications tant l’ENPU a inondé notre
univers technologique. Cependant, quelques exemples significatifs donneront une idée de la présence des CS
nécessaires au fonctionnement de nombreux systèmes électriques.
Systèmes électriques nécessitant une alimentation continue :
le transport de l’énergie électrique (100 à 500kV)
les ozoneurs, la radiologie (50 à 100kV)
la soudure par faisceaux d’électrons (30 à 70kV)
l’alimentation des variateurs de vitesse pour la traction ferroviaire, les laminoirs, les
ventilateurs, les pompes (1 à 10kV)
les cuves d’électrolyse, les fours à arc (0.5 à 1kV)
l’éclairage (0.1 à 0.5kV)
les chargeurs de batterie, l’alimentation des cartes électroniques (0.005 à 0.05kV)
les microprocesseurs (0.001kV)
Systèmes électriques nécessitant une alimentation alternative :
navires électriques propulsés par moteurs synchrones (alimentation hexaphasée de quelques
10MW réglable de 0 à 50Hz)
laminoirs, concasseurs, trains, propulsés par moteurs asynchrones (alimentation triphasée
de quelques MW réglable de 0 à 100Hz)
fours à induction (alimentation monophasée de quelques 100kW réglable de 0 à 30 kHz)
centraux informatiques, salles d’opération (alimentation triphasée sinusoïdale 400V, 50Hz
stable et indépendante d’EDF)
éclairage, chauffage par infrarouges (alimentation mono ou triphasée, 50Hz, réglable en
amplitude de 0 à Unominal)
Ces quelques exemples montrent bien la diversité des formes que doit prendre l’énergie électrique pour
répondre aux besoins des systèmes électriques. Hélas, les générateurs d’énergie électrique dont nous
disposons sont incapables de satisfaire directement la demande.
Par générateur, nous entendons :
les sources triphasées d’amplitude et de fréquence fixes (EDF, éoliennes, groupes
électrogènes)
les sources continues (batteries, panneaux photovoltaïques)
Il est clair qu’un traitement de l’énergie électrique produite par la source est indispensable pour alimenter
convenablement de nombreux systèmes électriques. La philosophie de nos dispositifs d’étude est donc la
suivante :
S C
O H
U CONVERTISSEUR A
R STATIQUE R
C G
E E
D’après cours d’Alain Cunière 3
Enseignement des Sciences de l’Ingénieur
Chaîne d'énergie
Distribuer et moduler l'énergie électrique
Composants de l'électronique de puissance
Propriétés / Caractérisation
COURS GENERALITES ET COMPOSANTS DE L'ENPU
DEFINITION DE L'ENPU...........................................................................................................................................................2
LES APPLICATIONS DE L'ENPU................................................................................................................................................3
LES ACTEURS DE L'ENPU........................................................................................................................................................4
1. Propriétés du dipôle capacitif .................................................................................................................................5
2. Propriétés du dipôle inductif ..................................................................................................................................8
3. Caractérisation des sources...................................................................................................................................10
3.1 Comportement statique ..........................................................................................................................................10
cas d'une source de tension......................................................................................................................................10
cas d'une source de courant.....................................................................................................................................11
association viable ....................................................................................................................................................12
3.2 Comportement dynamique .....................................................................................................................................12
3.3 Les types de sources ..............................................................................................................................................12
4. La fonction interrupteur .......................................................................................................................................13
Caractéristique statique ................................................................................................................................................13
4.1 caractéristique deux segments ...........................................................................................................................14
4.2 caractéristique trois segments ...........................................................................................................................14
4.3 caractéristique quatre segments ........................................................................................................................14
4.4 Les modes de commutation ...................................................................................................................................15
les grandeurs vK, iK, sont de signe contraire............................................................................................................15
les grandeurs vK, iK, sont de même signe .................................................................................................................15
5. Règles d'interconnexion des sources ....................................................................................................................16
6. Les composants semi-conducteurs en ENPU.......................................................................................................17
6.1 La diode .................................................................................................................................................................17
6.2 Le transistor MOS..................................................................................................................................................18
6.3 Le transistor IGBT .................................................................................................................................................19
6.4 Les associations de composants .............................................................................................................................21
Alain Cunière 1
, Module 3T-PE1 Conversion et transport de l'énergie
DEFINITION DE L'ENPU
L’électronique de puissance est devenue une branche essentielle du génie électrique depuis la fin des
années 70. A cette époque, les progrès réalisés dans la technologie de fabrication des transistors de puissance
en termes de tenue en tension, d’intensité du courant commuté, de fréquence de découpage, ont permis
d’envisager le réglage de l’énergie électrique fournie aux systèmes industriels de forte puissance.
Cette possibilité de réglage de l’énergie électrique a permis d’améliorer les performances de ces systèmes,
sans avoir à dissiper un excédent, facteur de dégradation du rendement.
De nombreuses définitions de l’électronique de puissance sont données dans la littérature. Nous retiendrons
celle qui consiste à dire que l’électronique de puissance a pour objet d’adapter une source d’énergie
électrique aux besoins des systèmes électriques. Ainsi, elle assure d’une part une fonction de conversion de
la source (nombre de phases, fréquence, amplitude) pour l’adapter aux caractéristiques du système alimenté.
D’autre part, elle assure une fonction de réglage de ce transfert d’énergie.
Il s’agit donc d’une nouvelle discipline qui s’occupe du traitement de l’énergie électrique. Les dispositifs
permettant ce traitement sont nommés convertisseurs statiques par opposition aux dispositifs utilisés
autrefois et basés sur l’usage de machines tournantes.
Cette discipline a permis des avancées technologiques, que ce soit en petite puissance avec les systèmes
nomades (mobiles, lecteurs, etc…), en moyenne puissance dans le transport (ascenseurs, automobile
électrique, train, métro, etc…) ou en forte puissance (éoliennes, champs photovoltaïques, propulsion des
navires, etc…).
Pour les acteurs de la discipline, mener à bien un projet de conversion d’énergie, nécessite de maîtriser non
seulement les lois de la physique mais des domaines des sciences aussi variés que la modélisation, la
théorie de la commande, la fiabilité, la technologie.
Dorénavant, nous utiliserons les acronymes ENPU pour ElectroNique de PUissance et CS pour
Convertisseurs Statiques.
D’après cours d’Alain Cunière 2
, Module 3T-PE1 Conversion et transport de l'énergie
LES APPLICATIONS DE L'ENPU
Il serait vain de vouloir dresser une liste exhaustive des applications tant l’ENPU a inondé notre
univers technologique. Cependant, quelques exemples significatifs donneront une idée de la présence des CS
nécessaires au fonctionnement de nombreux systèmes électriques.
Systèmes électriques nécessitant une alimentation continue :
le transport de l’énergie électrique (100 à 500kV)
les ozoneurs, la radiologie (50 à 100kV)
la soudure par faisceaux d’électrons (30 à 70kV)
l’alimentation des variateurs de vitesse pour la traction ferroviaire, les laminoirs, les
ventilateurs, les pompes (1 à 10kV)
les cuves d’électrolyse, les fours à arc (0.5 à 1kV)
l’éclairage (0.1 à 0.5kV)
les chargeurs de batterie, l’alimentation des cartes électroniques (0.005 à 0.05kV)
les microprocesseurs (0.001kV)
Systèmes électriques nécessitant une alimentation alternative :
navires électriques propulsés par moteurs synchrones (alimentation hexaphasée de quelques
10MW réglable de 0 à 50Hz)
laminoirs, concasseurs, trains, propulsés par moteurs asynchrones (alimentation triphasée
de quelques MW réglable de 0 à 100Hz)
fours à induction (alimentation monophasée de quelques 100kW réglable de 0 à 30 kHz)
centraux informatiques, salles d’opération (alimentation triphasée sinusoïdale 400V, 50Hz
stable et indépendante d’EDF)
éclairage, chauffage par infrarouges (alimentation mono ou triphasée, 50Hz, réglable en
amplitude de 0 à Unominal)
Ces quelques exemples montrent bien la diversité des formes que doit prendre l’énergie électrique pour
répondre aux besoins des systèmes électriques. Hélas, les générateurs d’énergie électrique dont nous
disposons sont incapables de satisfaire directement la demande.
Par générateur, nous entendons :
les sources triphasées d’amplitude et de fréquence fixes (EDF, éoliennes, groupes
électrogènes)
les sources continues (batteries, panneaux photovoltaïques)
Il est clair qu’un traitement de l’énergie électrique produite par la source est indispensable pour alimenter
convenablement de nombreux systèmes électriques. La philosophie de nos dispositifs d’étude est donc la
suivante :
S C
O H
U CONVERTISSEUR A
R STATIQUE R
C G
E E
D’après cours d’Alain Cunière 3
