Support de Cours 3éme A.

LMD Electrotechnique Université de Jijel

Module : Electronique de puissance

Electronique de puissance

Contenu de la matière

ChapitreI : Eléments semi-conducteur en électronique de puissance

1- Introduction à l’électronique de puissance
2- Les différents types de semi-conducteur de puissance (caractéristique de
fonctionnement statique et dynamique) : diode, thyristor, triac,
transistor,…

ChapitreII : Introduction aux convertisseurs

1- Différentes structures de convertisseurs statiques de redressement non
commandés et commandés, monophasés et triphasés.
2- Analyse du phénomène de commutation dans les convertisseurs statiques
non commandés et commandés.
3- Impact des convertisseurs statiques sur la qualité d’énergie électrique.

ChapitreIII : convertisseurs : courant alternatif-courant continu (C.A—C.C)

1- Redressement non commandé monophasé et triphasé charges (RL).
2- Redressement commandé monophasé et triphasé charges (RL).
3- Redressement mixte monophasé et triphasé charges (RL).

ChapitreIV : convertisseurs : courant continu-courant continu (C.C—C.C)

1- Hacheur à thyristors (charge RL)

ChapitreV : convertisseurs : courant continu-courant alternatif (C.C—C.A)

1- Onduleurs monophasés et triphasés (charge R et RL)

ChapitreVI : convertisseurs : courant alternatif-courant alternatif (C.A—C.A)

1- Gradateurs monophasés et triphasés (charge R et RL)
2- Cycloconvertisseurs

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Chapitre I
Introduction à l’électronique de puissance

I-Electronique de puissance ou de commutation :

L’électronique de puissance est l’étude du transfert d’énergie entre une source et

une charge.
On distingue deux formes d’énergie, forme alternative et forme continu.

I.1-Les divers modes de conversion d’énergie :

Alternatif (AC) Continu (DC) Redresseur

Continu (DC) Alternatif (AC) Onduleur
Continu (DC) Conversion Continu (DC) Hacheur
Gradateur &
Alternatif (AC) Alternatif (AC)
Cycloconvertisseur

II-Les composants semi-conducteurs

L’électronique de puissance utilise des composants Semi-conducteur de

puissance : diodes, thyristors, transistors, triac….

1-La diode :

Est un composant à 02 électrodes, L’anode « A » et la Cathode « C » sans

l’électrode de commande.

A ID C
Anode Cathode

VD = VAC= VA -VC

Figure I.1 : Image et Symbole électrique d’une diode

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a-Condition de conduction de la diode « D »

La diode est conductrice ou passante lorsque :

 VD>0 Polarisation directe.

Alors le courant ID passe de l’anode vers la cathode (sens « A » vers « C »).

La diode dans ce cas se comporte comme un interrupteur fermé.

b-Condition de blocage de la diode « D »

La diode est bloquée ou isolante lorsque :

 VD<0

La diode se comporte comme une résistance de valeur très élevée.

Remarque :

En pratique, la diode ne commence pas à conduire si la tension VD est inférieur à

une petite valeur appelée Tension de seuil (Vs), et lorsqu’elle commence à
conduire elle provoque une petite chute de tension généralement négligeable.
Elle s’arrête de conduire quand ID devient inférieur à une petite valeur appelée
courant de maintien.

ID

Polarisation
directe
Tension de
claquage

Vs V
D

Figure I.2 : Caractéristique réelle d’une diode classique

1.1 La diode Zener :

Elle est polarisée dans les deux sens (polarisation directe et polarisation inverse)
(voir figure I.4).

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Figure I.3 : Symbole électrique d’une diode zener

 La diode classique est généralement utilisée dans le mécanisme de

redressement pour but de protéger les composants fragiles.

 La diode zener est une diode stabilisatrice de tension.

ID

Polarisation
directe
Tension
Zener

Vs V
D
Polarisation
inverse

Figure I.4 : Caractéristique réelle d’une diode Zener

2-Le thyristor :

Le thyristor est un semi-conducteur qui possèdent trois électrodes : Anode

« A », Cathode « C » et Gâchette « G ».

Comme la diode, le thyristor laisse passer le courant électrique dans un seul

sens, de l’anode à la cathode. Mais le thyristor ne conduira que si un courant
minimum et positif est fourni à la gâchette (IG).

Donc le thyristor est une diode commandée (un redresseur commandé au

Silicium « SCR »).

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G Gâchette

IG
I
Anode Cathode
C
A

Figure I.5 : Image et Symbole électrique d’un thyristor

Quand le thyristor est conducteur, il se comporte comme une diode, la gâchette

n’a plus de pouvoir de commande, il se bloque que lorsque le courant direct
s’annule (courant descend de la valeur de courant de maintient).
ITh

Caractéristique réelle

Caractéristique idéale

Courant de maintien
Avalanche ou tension de
claquage négative Tension d’amorçage
ou claquage positive

VTh

Figure I.6 : Caractéristique I=f(V) d’un thyristor

a- Amorçage du thyristor par courant de gâchette

L’amorçage du thyristor par courant de gâchette peut se faire facilement en

courant continu.

Il suffit simplement de fermer l’interrupteur pendant un court instant pour

obtenir un courant de gâchette positif limité par la résistance. A partir de ce
moment le thyristor s’amorce et reste amorcé (même après ouverture de
l’interrupteur).

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Dans la pratique, un générateur d’impulsion se charge de l’amorçage des

thyristors.

Remarque :

Après l’annulation du courant direct, il faut attendre un certain temps avant

d’appliquer une tension positive aux bornes du thyristor, sinon celui-ci
s’amorcerait sans signal de gâchette, ce temps est appelé temps de blocage.

b- Utilisation du thyristor

• Commander la vitesse des moteurs à courant continu et à courant

alternatifs.
• Commande alarme.
• Régler la température.
• Réglage de l’éclairage des lampes.

c- Comparaison entre diode et thyristor

Le tableau suivant montre une simple comparaison entre la diode et le thyristor :

Diode Thyristor
Interrupteur électronique
Interrupteur électronique
unidirectionnel commandable à la
unidirectionnel non commandé ni à la
fermeture seulement par une impulsion
fermeture ni à l’ouverture
de gâchette.

2-1 Le thyristor GTO :

Le thyristor GTO (Gâte Turn Off), est un semi-conducteur dont la fermeture et

l’ouverture peuvent être commandées par la gâchette.

Gâchette
G
C
A
Anode Cathode

Figure I.7 : Image et Symbole d’un thyristor GTO

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Quand le thyristor est conducteur, une impulsion négative du courant de

gâchette peut l’ouvrir (bloqué). Il peut aussi se bloquer spontanément
comme une diode quand le circuit dans lequel il est inséré annule le
courant qui le traverse.
D’autre part, il impose de conserver un temps minimum entre ordre
d’ouverture et l’ordre de fermeture suivant.

Le GTO qui constitue le composant à fermeture et ouverture commandées

réservé aux très fortes puissances.

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Chapitre II
Convertisseur AC-DC « Redresseur »

On distingue les redresseurs simple alternance « Pq , q=1 :3 » et les redresseurs

double alternance « PDq , q=2 :3».

I-Redresseur simple alternance « Pq »

On distingue les redresseurs simple alternance monophasés « P1 », simple

alternance biphasés « P2 » et simple alternance triphasés « P3 ».

I-1 Redresseur simple alternance monophasé « P1 »

Un redresseur simple alternance monophasé est un redresseur supprimant

les alternances négatives et conservant les alternances positives d’une entrée
monophasée. La fréquence en sortie du redresseur est alors égale à la fréquence
d'entrée.

Ce type de redresseur est réalisé en mettant simplement une diode ou un

thyristor (interrupteur de puissance) en série avec la charge comme le montre le
schéma suivant :

Interrupteur de puissance
Tension de la source Tension de la charge
Charge

Vch(t)
V(t)

Figure II.1 : Schéma d’un redresseur P1

Le comportement de ce redresseur dépend cependant de différents types de

charge :

 Une charge purement résistive « R »

 Une charge inductive « RL »
 Une charge inductive « RL » et une diode de roue libre « DRL »
 Une charge comprenant une force électromotrice « RLE »

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a- Redresseur « P1 » non commandé (à diode)

a-1 Charge résistive « R »

On considère le montage de la figure suivante, dont l’interrupteur de puissance

est une diode D qu’on suppose parfaite.

D ich

VD
Ve(t) R Vch (t)

Figure II.2 : redresseur P1 non commandé, charge résistive

La tension d’entrée 𝑉 (𝑡) est sinusoïdale :

ve(t) = 𝑉√2 sin(ωt) = VM sin(ωt)
Avec : ω = 2πf
V : valeur efficace
+
Si on pose θ = 𝛚𝐭
ve= 𝑉√2 sin(θ) -
La période : T=2π
Analyse de fonctionnement :
 0< 𝛉 < π , v(θ)>0, (alternance positive de v) D passante

Tension de sortie (charge) : Vch(𝛉)= ve(𝛉),

Courant dans la charge : ich(𝛉)=ve(𝛉)/R
Tension de la diode : VD =0.

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 π < 𝛉 < 2π , v(θ)<0, , (alternance négative de v) D est bloquée

Tension de sortie (charge) : Vch(𝛉) = 0,

Courant dans la charge : ich(𝛉) = 0
Tension de la diode : VD = ve(𝛉)

Représentation des grandeurs :

Figure II.3 : représentation des allures Vch, ich et VD pour un redresseur P1 non commandé
avec charge résistive.

Calcul de la valeur moyenne de la tension et de courant de sortie :

1 𝑇 1 𝜋
𝑉𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = ∫ 𝑉𝑐ℎ (𝑡)𝑑𝑤𝑡 = ∫ 𝑉√2 sin(wt) 𝑑𝑤𝑡
𝑇 0 2𝜋 0

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√2
𝑉𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = 𝑉
𝜋

1 𝑇 11 𝑇
𝑖𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = ∫ 𝑖𝑐ℎ (𝑡)𝑑𝑤𝑡 = ∫ 𝑉 (𝑡)𝑑𝑤𝑡
𝑇 0 𝑅 𝑇 0 𝑐ℎ
1 𝜋
= ∫ 𝑉√2 sin(wt) 𝑑𝑤𝑡
2𝜋𝑅 0

√2
𝑖𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = 𝑉
𝑅𝜋

Alors : ichmoy=Vchmoy/R
Calcul de la valeur efficace de la tension et de courant de sortie :

𝑇
1
𝑉𝑐ℎ_𝑒𝑓𝑓 = √ ∫ 𝑉𝑐ℎ2 (𝑡)𝑑𝑡
𝑇
0

2 1 𝜋 2 2 𝑉2 𝜋 2
𝑉𝑐ℎ_𝑒𝑓𝑓 = ∫ 2𝑉 𝑠𝑖𝑛 (𝑤𝑡)𝑑(𝑤𝑡) = ∫ 𝑠𝑖𝑛 (𝑤𝑡)𝑑(𝑤𝑡)
2𝜋 0 𝜋 0
1−cos(2𝑤𝑡)
On note que : 𝑠𝑖𝑛2 (𝑤𝑡 ) =
2
𝑉
𝑉𝑐ℎ_𝑒𝑓𝑓 =
√2

2 1 𝜋 𝑉2 2(
𝑉2 𝜋 2
𝑖𝑐ℎ_𝑒𝑓𝑓 = ∫ 2 𝑠𝑖𝑛 𝑤𝑡)𝑑(𝑤𝑡) = ∫ 𝑠𝑖𝑛 (𝑤𝑡)𝑑(𝑤𝑡)
2𝜋 0 𝑅 2 𝜋𝑅 2 0
𝑉
𝑖𝑐ℎ_𝑒𝑓𝑓 =
𝑅√2

Alors : ich_eff=Vch_eff/R
Calcul du facteur de forme :
𝑉
()
𝑉𝑐ℎ_𝑒𝑓𝑓 √2
𝐹= =
𝑉𝑚𝑜𝑦 √2
𝑉
𝜋

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𝜋
F= =1,57 >1
2

Calcul du facteur d’ondulation :

𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛 𝑉√2 − 0

𝐹𝑑 = =
2 × 𝑉𝑚𝑜𝑦 √2
2 𝑉
𝜋
𝜋
Fd= =1,57 >0
2

Calcul du facteur de puissance :

𝑷
𝑭𝒑 =
𝑺
P : la puissance moyenne consommée par la charge.

S : la puissance apparente de la source d’alimentation.

1 𝑇 1 𝜋 V2 V2
𝑝 = ∫0 𝑉𝑐ℎ (𝑡)𝑖(𝑡)𝑑𝑡 = ∫0 2 sin2 (wt) 𝑑𝑡 =
𝑇 2𝜋 R 2R

1 𝑇 1 𝜋 2𝑉 2 V2
𝑆 = 𝑉√ ∫0 𝑖 2 (𝑡) 𝑑𝑤𝑡 = 𝑉. 𝑖𝑐ℎ_𝑒𝑓𝑓 = 𝑉 √ ∫0 sin2 (wt) 𝑑𝑤𝑡 =
𝑇 2𝜋 𝑅2 √2R

1−𝑐𝑜𝑠(2𝑤𝑡)
On note que : 𝑠𝑖𝑛2 (𝑤𝑡) =
2

√2
Alors : 𝐹𝑝 = = 0,71
2

b- Redresseur « P1 » commandé (à thyristor)

b-1 Charge résistive « R »

On considère le montage de la figure II.4, dont l’interrupteur de puissance est un

thyristor Th qu’on suppose parfait.

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Figure II.4 : redresseur P1 commandé, charge résistive

Le thyristor s’amorce (devient conducteur) à l’instant t0 correspond à l’envoi du

courant de gâchette iG.
On utilise couramment l’angle α correspondant à l’amorçage qu’on l’appel
« angle de retard à l’amorçage ».

Analyse de fonctionnement :
 α<𝛉<π, v(θ)>0, (alternance positive de v) Th passant
Tension de sortie (charge) : Vch(𝛉) = ve(𝛉)
Courant dans la charge : ich(𝛉) = ve(𝛉)/R
Tension aux bornes du thyristor : VTh = 0

 π < 𝛉 < 2π+ α , v(θ)<0, , (alternance négative de v) Th bloqué

Tension de sortie (charge) : Vch(𝛉) = 0,
Courant dans la charge : ich(𝛉) = 0
Tension aux bornes du thyristor: VTh = ve(𝛉)

Représentation des grandeurs :

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Figure II.5 : représentation des allures Vch, ich et VTh pour un redresseur P1 commandé avec
charge résistive.

Calcul de la valeur moyenne de la tension et du courant de sortie :

1 𝑇 1 𝜋
𝑉𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = ∫ 𝑉𝑐ℎ (𝜃)𝑑𝜃 = ∫ 𝑉√2 sin(θ) 𝑑𝜃
𝑇 𝛼 2𝜋 𝛼

√2
𝑉𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = 𝑉(1 + cos 𝛼)/2
𝜋
11 𝑇 1 𝜋
𝑖𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = ∫ 𝑉 (𝜃)𝑑𝜃
𝑅 𝑇 0 𝑐ℎ
= ∫ 𝑉√2 sin(θ) 𝑑𝜃
2𝜋𝑅 0

√2 𝑉
𝑖𝑐ℎ𝑚𝑜𝑦 = (1 + cos 𝛼)/2
𝜋 𝑅
Remarque : Le redresseur commandé permet d’obtenir une tension continu
réglable.

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