a Les convertisseurs de puissance

I.2.c Les diérents circuits de commande et de contrôle des interrupteurs de

puissance . . . . 9

I.3 L'intégration au sein et autour du composant de puissance . . . 13

I.3.a Intégration hybride . . . . 13

I.3.b Intégration monolithique . . . . 14

I.3.c Quelles fonctions doit-on intégrer ? . . . . 15

I.4 L'autoalimentation de la commande rapprochée pour

interrup-teur de puissance . . . . 16

I.4.a Solution Classique : le régulateur linéaire. . . . 16

I.4.b Solutions Mosfet / Mosfet . . . . 17

I.4.c Solution Bipolaires / Mosfet . . . . 26

I.4.d Solution Thyristors / IGBT . . . . 29

I.4.e Evolutions et fonctionnalités de l'autoalimentation . . . . 30

I.5 L'isolation galvanique autour du composant de puissance : un

défi majeur . . . . 50

I.5.a Le besoin d'une isolation galvanique . . . . 50

I.5.b Quelles solutions pour réaliser cette isolation ?. . . . 51

I.5.c Le dé de l'isolation et de la commande optiques en électronique de puissance 55

I.6 Conclusion . . . . 62

Résumé

Dans ce premier chapitre, nous faisons un état de l'art rapide sur la commande des

interrupteurs de puissance et les convertisseurs de puissance en général. Les fonctions

autour des composants de puissance sont présentées, ainsi que quelques pistes relatives

à l'intégration monolithique de ces fonctions. Un soin particulier est apporté sur deux

fonctions précises nécessaires à la commande des interrupteurs de puissance :

l'ali-mentation de la commande rapprochée par prélèvement sur le courant de puissance

et l'isolation galvanique entre la commande éloignée et la commande rapprochée.

Cha-cune de ces deux fonctions est présentée en détail, partant de l'existant et présentant les

avancées issues du travail de cette thèse : identication des modes de fonctionnement,

conception et réalisation de fonctions supplémentaires, pour le circuit d'alimentation

de la commande rapprochée, ainsi que pour l'intégration d'une isolation optique au sein

du transistor de puissance. Un soin particulier est apporté à la démarche de

concep-tion de chacune de ces deux soluconcep-tions, démontrant comment une logique d'intégraconcep-tion

monolithique bas coût peut modier la structure de ces solutions.

en terme de performances, abilité et coût économique nous a orienté vers des solutions

à surcoût technologique faible. Nous allons voir comment ce contexte contraignant peut

modier et faire émerger de nouvelles façons de réaliser chacune de ces deux fonctions par

une intégration monolithique au sein de transistors de puissance verticaux.

I.2 La place de l'interrupteur de puissance dans l'électronique

de puissance

I.2.a Les convertisseurs de puissance

La raison d'être de l'électronique de puissance est la gestion et la modulation des

transferts d'énergie électrique à haut rendement. L'organe principal assurant cette gestion

des ux d'énergie est appellé convertisseur de puissance et peut se subdiviser lui-même

en plusieurs sous-systèmes fonctionnels et structurels, tels que les composants actifs, les

composants passifs, les organes de contrôle et de commande, ainsi que la connectique et la

gestion du refroidissement. La mise en ÷uvre de l'électronique de commutation, permettant

d'atteindre des rendements les plus proches possibles de l'unité, a permi un essor

considé-rable de l'électronique de puissance dans notre vie de tous les jours à partir du milieu du

XX^eme siècle : depuis les faibles puissances (1W ⇒10kW : redressement non commandé

du réseau domestique, gestion de l'éclairage, ordinateurs, téléviseurs, chauage etc...) vers

les fortes puissances (100kW ⇒10GW : gestion des machines tournantes dans les voitures

électriques, les tramways, les trains, création et gestion des liaisons électriques très haute

puissance à courant continu, centrales délocalisées de type solaire, éolien ou autres, etc...).

La gureI.1est un parfait exemple du large spectre balayé par l'électronique de puissance

aujourd'hui.

Aujourd'hui l'innovation en électronique de puissance s'articule autour des contraintes

toujours plus fortes imposées par l'ascension exponentielle de nos besoins : mieux gérer

les sources d'énergies primaires tout en orant des fonctions toujours plus évoluées à coût

réduit. Cette fonction coût peut évidemment prendre diérentes formes selon le contexte :

poids, volume, rendement, perturbations sur le convertisseur et son environnement, coût

technologique, coût économique, protection et abilité, durée de vie des dispositifs. Cette

innovation implique tous les acteurs du génie électrique et de la physique en général :

l'aspect multi-physique dans les transferts d'énergie impose un échange permanent entre

les communautés. Ces échanges se font autour des convertisseurs de puissances selon les lois

de la thermique, de l'électromagnétisme, de la physique du semiconducteur, des théories

d'asservissement, des lois de la mécanique et plus généralement de tous les domaines de la

physique et de la chimie appliquées.

Figure I.1 Le convertisseur de puissance : du W (à gauche ampoule à basse

consomma-tion d'énergie) au GW (à droite salle de thyristors sur un poste de liaison à courant continu

en Chine : Tension totale en sortie 500kV pour un transfert de puissance bidirectionnel de

1500MW )

L'innovation en 2008 sur les convertisseurs de puissance est au conuent de ces sciences,

en vu de l'amélioration des performances de la gestion des ux d'énergie modulables. Durant

trois années, les travaux de cette thèse se sont inscrits dans le courant de l'innovation

nationale et mondiale sur les interrupteurs de puissance commandés et leur association

aux convertisseurs de puissance. L'interrupteur de puissance, comme chacun des organes

composant les convertisseurs, est un élément nécessaire au fonctionnement du convertisseur

de puissance, et ses contraintes peuvent varier selon les caractéristiques du convertisseur

de puissance : puissance maximale à transiter, contraintes de poids et de volume, présence

d'une isolation galvanique entre la source d'énergie et la charge, contraintes d'ondulation

des grandeurs en entrée et en sortie, pollution harmonique, exibilité du convertisseur

ou au contraire convertisseur dédié à une application précise totalement gé, modes de

régulation, etc... Ce contexte des convertisseurs d'électronique de puissance est celui des

travaux conduits dans cette thèse, qui s'articulent autour de l'interrupteur de puissance

commandé.