de commutation
Chapitre V
Les Circuits d'Aide à La Commutation (CALC)
Sommaire
1 ROLE... 50
2 COMMUTATION SUR UNE CHARGE SELFIQUE ... 50
2.1 ESTIMATION DES PERTES... 52
2.1.1 Pertes quand l'interrupteur est bloqué ou passant... 52
2.1.2 Pertes en commutation... 52
3 CIRCUITS D'AIDE A LA COMMUTATION ... 52
3.1 COMMUTATION A LA FERMETURE... 52
3.2 COMMUTATION A L'OUVERTURE... 54
3.3 SCHEMA FINAL ET BILAN... 55
Les composants électroniques de commutation
Chapitre V
Les Circuits d'Aide à La Commutation (CALC)
1 Rôle
Nous avons vu dans les chapitres précédents que certaines formes d'ondes pouvaient présenter des pics (courant ou tension). Ce phénomène apparaît lorsque les fréquences de commutation mettent en évidence les résonances naturelles mais surtout lorsque la charge est inductive. Ces pics maltraitent toujours dangereusement les interrupteurs et à moins de les surdimensionner on risque à tout moment la destruction. Utiliser des composants au 1/100 de ses capacités (par exemple), n'est pas forcément judicieux (rendement, pertes, encombrement prix,…).
On utilise alors des Circuits d'Aide à La Commutation (CALC) pour limiter les di/dt ou les dv/dt.
2 Commutation sur une charge selfique
Considérons le schéma élémentaire suivant :
Ich iT
id Vcc
L D
Avec : L, la charge,
D, la diode de roue libre,
Ich, le courant dans la charge (constant), id, le courant dans la diode,
iT, le courant dans l'interrupteur,
vT, la tension aux bornes de l'interrupteur.
vT
Figure 1 : Schéma de base de la commutation sur une inductance L'allure des courant et tension sont alors les suivants :
t
ton toff
iT id
iT
id
Figure 2 : Allures des courants et tension vT
VCC ICh
vT
Fermeture
Figure 4 : Variations iT = f(vT) lors des commutations La puissance qui en découle, si on linéarise les pentes est :
t PT
t
ont
offIchVCC
Figure 3 : Puissance dissipée par l'interrupteur (PT=iT•vT)
Si on représente les variations iT = f(vT) de l'interrupteur sur un graphe on a :
vT
iT
Ich
vCC
Ouverture
Or, une commutation sans perte à l'ouverture ou à la fermeture présente une évolution de son point de fonctionnement le long des axes (du courant sans tension et inversement). C'est ce que l'on cherche à faire avec les CALC.
2.1 ESTIMATION DES PERTES
2.1.1 Pertes quand l'interrupteur est bloqué ou passant
Soit P0 les pertes pendant les états stables.
P0 = Vcc Ir + Vsat Ich
avec :
Vsat la chute de tension lorsque le transistor est saturé, (≈ 0V), Ich le courant consommé par la charge,
Ir le courant au repos (≈ 0A).
Par conséquent, les pertes P0 sont négligeables si le circuit est bien étudié. Le composant peut prendre à son compte la dissipation de cette puissance.
2.1.2 Pertes en commutation
Soit Pc les pertes dues aux commutations ON et OFF. Si on considère que les triangles de la figure 3 sont isocèles on obtient :
2 2
ch cc ch off
cc on c
I V I t
V
P =t + (donc Pc = constante)
Généralement quand on considère qu'un montage fonctionne en commutation, c'est qu'il est soumis à un signal d'entrée périodique. Par conséquent, on s'intéresse à la puissance moyenne sur une période.
c c
c FP
T P = P =
Donc les pertes moyenne en commutation sont proportionnelle à la fréquence du signal d'en- trée. La fréquence peut être limitée par les temps de commutation, mais un interrupteur rapide peu aussi voir sa fréquence d'utilisation restreinte pour de fortes voire moyennes puissances à cause des pertes par commutation.
Il faut donc trouver des solutions qui permettent de minimiser voire de s'affranchir de l'in- fluence de ces pertes.
3 Circuits d'aide à la commutation
3.1 COMMUTATION A LA FERMETURE
Nous avons vu que les allures idéalisées des courant et tension à la commutation à la ferme- ture et que le graphe de i =f(v ), sont :
iT
Ich
iT t
vT
iT
Ich
vCC
vT
vCC
vT
Fermeture
vT
vCC
vT
Fermeture
vT
Figure 5 : Allures idéalisées des courant et tension à la fermeture et graphe iT=f(vT)
Pour réduire l'aire du produit iTvT, nous devons soit faire chuter la tension avant la montée du courant soit ralentir la montée du courant jusqu'à ce que la tension soit nulle ou négligeable.
La combinaison des solutions est réalisable très simplement à l'aide d'une self. Les allures des courbes deviennent :
iT
Ich
t iT
vT
iT
Ich
vCC
Figure 6 : Allures des courant et tension à la fermeture et graphe iT=f(vT) avec une self Le schéma électronique devient :
Ich id
iT Vcc L D
l D1
a R1 b
Le CALC à la fermeture est constitué de :
l, l'inductance,
D1, une diode de roue libre, R1, une résistance pour limiter le courant.
Figure 7 : Schémas électroniques équivalents; a) ajout d'une self, b) circuit de relaxation
Malheureusement cette solution nous replace dans la solution d'origine, il faut donc lui ad- joindre également une diode de roue libre à laquelle on peut ajouter une résistance pour atté- nuer le courant car ici, nous n'avons pas besoin d'un courant constant dans la self.
Remarque : Pourquoi ajouter une self en série à une autre self,
• la self L représente la partie inductive totale de la charge, on ne la maîtrise pas,
• généralement on souhaite que le courant dans la charge soit constant.
•
Par conséquent, si la charge possède une composante selfique qui permet de limiter la montée en courant de façon suffisante pour limiter les pertes, alors laisse le circuit tel quel. Malheu- reusement, cette opportunité se rencontre très rarement et l'on doit ajouter une self dont la valeur est cette fois-ci calculée.
3.2 COMMUTATION A L'OUVERTURE
Nous avons vu que les allures idéalisées des courant et tension à la commutation à l'ouverture et que le graphe de iT=f(vT), sont :
iT
Ich
t iT
vT
iT
Ich
vCC
Ouverture vT
vCC
vT
vT
vCC
vT
Figure 8 : Allures idéalisées des courant et tension à l'ouverture et graphe iT=f(vT)
Pour réduire l'aire du produit iTvT, Nous devons soit faire chuter le courant avant la montée de la tension, soit ralentir la montée de la tension jusqu'à ce que le courant soit nul ou négligea- ble.
La combinaison des deux solutions est réalisable très simplement à l'aide d'un condensateur.
Les allures des courbes deviennent :
iT
Ich
t iT
vT
iT
Ich
vCC
Ouverture
Figure 9 : Allures des courant et tension à l'ouverture et graphe iT=f(vT) avec une capacité
Le schéma électronique devient :
D2
c R2
Ich id
iT
Vcc
L D
a b
Le CALC à l'ouverture est constitué de : c, la capacité,
R2, une résistance pour limiter le courant,
D2, une diode de roue libre, Remarque : Il existe d'autres combi- naisons de composants pour ce type de CALC, cf. TD.
vT
vT
Figure 10 : Schémas électroniques équivalents; a) ajout d'une capacité, b) circuit de délestage
Malheureusement cette solution maintient une tension aux bornes de l'interrupteur lors de la commutation à la fermeture. Pour éviter ceci, nous pouvons réduire la valeur de la résistance, mais cela réduit l'efficacité du CALC lors de la commutation à l'ouverture. Par conséquent, il faut que la résistance soit efficace dans un sens et ignorée dans l'autre. Une diode permet ce genre d'aiguillage (Figure 10 b).
3.3 SCHEMA FINAL ET BILAN Le schéma final est alors :
Ich id
Vcc L D
l D1
R1 iT
D2 c
R2
Ce type de CALC convient pour tous les interrupteurs (MOS, bipolaire, Triacs, SCR, IGBT,GTO, …).
Ils sont indispensables pour les charges inductives et forte- ment conseillés pour les charges résistives.
Figure 11 : La charge, son interrupteur et les CALC à la fermeture et à l'ouverture.
