L’électronique de puissance

Parmi les différentes définitions de l’électronique de puissance nous avons choisi celle de J-L Dalasso [37] que nous trouvons complète et précise “l’électronique de puissance est la branche de l’électrotechnique qui utilise des dispositifs électroniques (diode, thyristor, IGBT,...) pour réaliser des matériels [. . .] assurant la transformation de la forme, de l’amplitude et/ou de la fréquence des ondes qui transportent l’énergie électrique”, de cette définition on comprend que l’électronique de puissance a pour fonction de modifier la forme de l’énergie électrique à l’aide de composants électroniques. Dans cette partie nous allons détailler les différentes étapes pour réaliser cette fonction.

A l’inverse de l’amplification analogique, qui utilise des résistances équivalentes pour faire varier la puissance dans un dispositif, l’électronique de puissance utilise des interrupteurs en commutation. Ces interrupteurs sont commutés régulièrement, d’un état passant vers un état bloqué. L’avantage de cette technique est que le contrôle de la puissance se fait alors théoriquement sans pertes (ou à faibles pertes).

Donc les systèmes chargés de manipuler l’énergie électrique sont des convertisseurs sta- tiques qui permettent d’adapter de manière réversible ou non la forme alternative ou continue de l’énergie entre une source et une charge. A chacune des quatre possibilités de transforma- tion est associée un type de convertisseur :

– redresseur pour la conversion alternatif → continu, – hacheur pour continu → continu,

– onduleur pour continu → alternatif

La figure 2.2 résume les différentes formes de conversion réalisée en électronique de puis- sance. Les fonctions de base peuvent être utilisées seules ou associées entre elles pour adapter les modes de conversion aux besoins de l’utilisateur. Notre étude va porter sur la fonction onduleur de puissance.

Figure 2.2 – Les différentes formes de conversion d’énergie en électronique de puissance. [80]

Pour le réseau ferroviaire la conversion de l’énergie est indirecte. Effectivement, à partir du réseau alternatif une association de convertisseurs mono-étages est utilisée afin de convertir l’énergie. Cette méthode à l’avantage de découpler les sous fonctions et favorise la modularité. Mais son inconvénient majeur est l’altération du rendement. La figure 2.3 illustre le système de conversion d’énergie utilisé dans le domaine du ferroviaire.

Dans ce cas, la structure fait appel à deux fonctions de base auxquelles s’ajoutent des filtres passifs pour améliorer le caractère continu ou sinusoïdal des grandeurs électriques. L’onduleur est capable de fournir le niveau de tension nécessaire à la machine tout en auto- risant une variation de la fréquence d’alimentation.

Figure 2.3 – Association de convertisseurs de base dans un variateur pour la traction ferro- viaire.

2.1.1.1 L’onduleur de puissance

L’onduleur de puissance convertit les grandeurs d’un réseau continu en grandeurs alter- natives pour une charge monophasée ou polyphasée. Cette charge, suivant les éléments qui la composent (résistance, inductance, condensateur, f.c.e.m, etc.), peut conduire à différents types d’onduleurs :

– L’onduleur assisté (ou non autonome) si la charge peut délivrer de la puissance qui sera réinjectée dans le réseau. La fréquence est donc imposée par le réseau ;

– L’onduleur à résonance si la charge est un circuit résonnant dont la structure de l’on- duleur peut bénéficier ;

– L’onduleur autonome dans tous les autres cas. La fréquence est alors imposée par la commande de l’onduleur.

La figure 2.4 schématise la structure d’un onduleur triphasé utilisé dans le domaine ferroviaire. Vu le niveau de puissance mis en jeu dans le domaine de la traction ferroviaire, la conversion d’énergie doit être effectuée en recherchant le meilleur rendement.

Figure 2.4 – Schéma d’un onduleur triphasé [39].

2.1.1.2 Caractéristiques des interrupteurs IGBT

La plupart des onduleurs utilisés pour réaliser la fonction de conversion dans le domaine ferroviaire sont à base d’IGBTs. Celui-ci est considéré comme l’interrupteur idéal grâce à sa simplicité de commande en plus de ces propriétés en terme de rendement (faibles pertes par

conduction). La figure 2.5a présente la structure d’une puce IGBT utilisée dans les modules de puissance.

L’IGBT est un transistor hybride, regroupant un transistor à effet de champ en entrée et un transistor bipolaire en sortie. Il est ainsi commandé par la tension de grille qui lui est appliquée. Le schéma équivalent simplifié de transistor IGBT est représenté par la figure 2.5b cette structure permet à l’IGBT de commuter une tension plus élevée.

(a) (b)

Figure 2.5 – Face supérieure et schéma électrique équivalent simplifié d’une puce IGBT. Depuis son apparition en traction au début des années 1990, l’IGBT n’a cessé de se développer. D’abord utilisé pour les applications tramway et métropolitain (environnements urbains), sous 600 V et 750 V , l’IGBT s’étendra dès 1995 avec les composants 3.3 kV et en 2002 avec l’IGBT 6.5 kV − 600 A.

Chaque interrupteur est caractérisé par des propriétés qui définissent son domaine de fonctionnement. Pour l’interrupteur IGBT considéré dans notre étude ces paramètres sont résumés dans le tableau 2.1. Afin d’assurer des performances plus élevées on peut associer des IGBTs en série et en parallèle.

IC Courant commuté 1500 A

VCE Tension commutée 3300 V

Visolation Tenue en tension 6000 V

tON delay Délai minimal avant amorçage 0.6 µs

tON Temps de montée minimal lors de l’amorçage 0.55 µs

tOF F delay Délai minimal avant blocage 3µs

tOF F Temps de descente minimal lors du blocage 0.3 µs

Table 2.1 – Caractéristiques de l’interrupteur considéré à température de jonction Tj =

25°C.

A partir du courant nominal I qui traverse le module de puissance, nous pouvons connaître l’amplitude du courant qui circule dans un fil d’interconnexion. Pour cela il faut connaître le

nombre de puces IGBT connectées en parallèle ainsi que le nombre de fils d’interconnexion soudés sur chaque puce. La figure 2.6 représente le module de puissance étudié.

Figure 2.6 – Module de puissance étudié : 3.3 kV − 1500 A.

Celui-ci correspond à un module IGBT de type triphasé 1500 A − 3.3 kV constitué de 24 IGBTs et de leurs diodes auxiliaires. Donc un simple calcul permet de déterminer l’amplitude de courant qui traverse un fil d’interconnexion, il suffit seulement de diviser le courant nominal sur le nombre de puces IGBT connectées en parallèle et le nombre de fils soudés sur chaque IGBT.

Dans le module de puissance, les principales sources de champ magnétique sont les fils de connexion (les éléments d’interconnexion) et les puces semi-conductrices. En effet, la variation de la tension et du courant dans le module fait que les fils de connexion et les puces semi- conductrices se comportent comme des sources de champs magnétiques. Dans ce qui suit, nous présenterons un rappel théorique sur l’évaluation du champ magnétique produit par une distribution de courant volumique.