Qu'est-ce que l'électronique de puissance

Dans cet article, nous allons parler d'électronique de puissance. Qu'est-ce que l'électronique de puissance, sur quoi repose-t-elle, quels sont ses avantages et quelles sont ses perspectives ? Arrêtons-nous sur les composants de l'électronique de puissance, considérons brièvement ce qu'ils sont, en quoi ils diffèrent les uns des autres et pour quelles applications ces ou ces types de commutateurs à semi-conducteurs conviennent. Voici des exemples d'appareils électroniques de puissance utilisés dans la vie quotidienne, dans la fabrication et dans la vie de tous les jours.

Ces dernières années, les dispositifs d'électronique de puissance ont fait une percée technologique majeure dans la conservation de l'énergie. Les dispositifs à semi-conducteurs de puissance, en raison de leur contrôlabilité flexible, permettent une conversion efficace de l'électricité. Les mesures de poids, de taille et d'efficacité d'aujourd'hui ont déjà amené les convertisseurs à un niveau qualitatif inédit.

De nombreuses industries utilisent des démarreurs progressifs, des régulateurs de vitesse, des alimentations sans interruption, fonctionnant sur une base de semi-conducteurs moderne et présentant un rendement élevé. C'est de l'électronique de puissance.

Le contrôle du flux d'énergie électrique dans l'électronique de puissance s'effectue à l'aide d'interrupteurs à semi-conducteurs, qui remplacent les interrupteurs mécaniques et qui peuvent être contrôlés selon l'algorithme nécessaire pour obtenir la puissance moyenne requise et l'action précise du corps de travail de tel ou tel équipement.

Ainsi, l'électronique de puissance est utilisée dans les transports, dans l'industrie minière, dans le domaine des communications, dans de nombreuses industries, et aujourd'hui pas un seul appareil électroménager puissant ne peut se passer des unités électroniques de puissance incluses dans sa conception.

Les composants de base de l'électronique de puissance sont précisément les composants clés à semi-conducteurs qui peuvent ouvrir et fermer un circuit à différentes vitesses, jusqu'au mégahertz. À l'état activé, la résistance de l'interrupteur est d'unités et de fractions d'ohms, et à l'état désactivé, de mégohms.

La gestion des clés ne nécessite pas beaucoup de puissance et les pertes sur la clé survenues lors du processus de commutation, avec un pilote bien conçu, ne dépassent pas un pour cent. Pour cette raison, l'efficacité de l'électronique de puissance est élevée par rapport aux positions avec perte des transformateurs en fer et des interrupteurs mécaniques tels que les relais conventionnels.

Les appareils électroniques de puissance sont des appareils dont le courant effectif est supérieur ou égal à 10 ampères. Dans ce cas, les éléments semi-conducteurs clés peuvent être : des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ, des transistors IGBT, des thyristors, des triacs, des thyristors verrouillables et des thyristors verrouillables à commande intégrée.

Une faible puissance de commande permet également de créer des microcircuits de puissance dans lesquels plusieurs blocs sont combinés à la fois : l'interrupteur lui-même, le circuit de commande et le circuit de commande, ce sont les circuits dits intelligents.

Ces blocs de construction électroniques sont utilisés aussi bien dans les installations industrielles de forte puissance que dans les appareils électroménagers. Un four à induction pour quelques mégawatts ou un cuiseur vapeur domestique pour quelques kilowatts, les deux ont des interrupteurs d'alimentation à semi-conducteurs qui fonctionnent simplement à des puissances différentes.

Ainsi, les thyristors de puissance fonctionnent dans des convertisseurs d'une capacité supérieure à 1 MVA, dans des circuits d'entraînements électriques à courant continu et à courant alternatif à haute tension, sont utilisés dans des installations de compensation de puissance réactive, dans des installations de fusion par induction.

Les thyristors à verrouillage sont contrôlés de manière plus flexible, ils sont utilisés pour contrôler des compresseurs, des ventilateurs, des pompes d'une capacité de plusieurs centaines de kVA et la puissance de commutation potentielle dépasse 3 MVA. Transistors IGBT permettent le déploiement de convertisseurs d'une capacité allant jusqu'à des unités MVA à des fins diverses, à la fois pour le contrôle des moteurs et pour fournir une alimentation continue et la commutation de courants élevés dans de nombreuses installations statiques.

Les MOSFET ont une excellente contrôlabilité à des fréquences de centaines de kilohertz, ce qui élargit considérablement leur plage d'applicabilité par rapport aux IGBT.

Les triacs sont optimaux pour démarrer et contrôler les moteurs à courant alternatif, ils peuvent fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 50 kHz et nécessitent moins d'énergie pour contrôler que les transistors IGBT.

Aujourd'hui, les IGBT ont une tension de commutation maximale de 3500 volts et potentiellement de 7000 volts.Ces composants pourraient remplacer les transistors bipolaires dans les années à venir et seront utilisés sur des équipements jusqu'aux unités MVA. Pour les convertisseurs de faible puissance, les MOSFET resteront plus acceptables, et pour plus de 3 MVA - les thyristors à verrouillage.

Selon les prévisions des analystes, la plupart des semi-conducteurs du futur auront une conception modulaire, où deux à six éléments clés sont situés dans un seul boîtier. L'utilisation de modules vous permet de réduire le poids, la taille et le coût de l'équipement dans lequel ils seront utilisés.

Pour les transistors IGBT, les progrès seront une augmentation des courants jusqu'à 2 kA à des tensions jusqu'à 3,5 kV et une augmentation des fréquences de fonctionnement jusqu'à 70 kHz avec des schémas de contrôle simplifiés. Un module peut contenir non seulement des interrupteurs et un redresseur, mais également un pilote et des circuits de protection actifs.

Les transistors, diodes, thyristors fabriqués ces dernières années ont déjà considérablement amélioré leurs paramètres, tels que le courant, la tension, la vitesse, et les progrès ne s'arrêtent pas.

Pour une meilleure conversion du courant alternatif en courant continu, des redresseurs contrôlés sont utilisés, qui permettent un changement en douceur de la tension redressée dans la plage de zéro à la valeur nominale.

Aujourd'hui, dans les systèmes d'excitation d'entraînement électrique à courant continu, les thyristors sont principalement utilisés dans les moteurs synchrones. Les thyristors doubles - triacs - n'ont qu'une seule électrode de grille pour deux thyristors antiparallèles connectés, ce qui rend le contrôle encore plus facile.

Pour effectuer le processus inverse, la conversion de la tension continue en tension alternative est utilisée onduleurs… Les onduleurs à commutateurs à semi-conducteurs indépendants donnent une fréquence, une forme et une amplitude de sortie déterminées par le circuit électronique, et non par le réseau. Les onduleurs sont fabriqués à partir de différents types d'éléments clés, mais pour les grandes puissances, plus de 1 MVA, encore une fois, les onduleurs à transistors IGBT arrivent en tête.

Contrairement aux thyristors, les IGBT fournissent une mise en forme plus large et plus précise du courant et de la tension de sortie. Les onduleurs de voiture à faible puissance utilisent des transistors à effet de champ dans leur travail, qui à des puissances allant jusqu'à 3 kW font un excellent travail de conversion du courant continu d'une batterie de 12 volts, d'abord en courant continu, via un convertisseur d'impulsions haute fréquence fonctionnant à une fréquence de 50 kHz à des centaines de kilohertz, puis en alternance 50 ou 60 Hz.

Pour convertir un courant d'une fréquence en un courant d'une autre fréquence, utilisez convertisseurs de fréquence à semi-conducteurs… Auparavant, cela se faisait uniquement sur la base de thyristors, qui n'avaient pas une contrôlabilité totale; il était nécessaire de développer des schémas complexes pour le verrouillage forcé des thyristors.

L'utilisation de commutateurs tels que les MOSFET à effet de champ et les IGBT facilite la conception et la mise en œuvre des convertisseurs de fréquence, et on peut prédire que les thyristors, en particulier dans les dispositifs de faible puissance, seront abandonnés au profit des transistors à l'avenir.

Les thyristors sont encore utilisés pour inverser les entraînements électriques; il suffit d'avoir deux ensembles de convertisseurs à thyristors pour fournir deux sens de courant différents sans nécessiter de commutation. C'est ainsi que fonctionnent les démarreurs réversibles sans contact modernes.

Nous espérons que notre court article vous a été utile et que vous savez maintenant ce qu'est l'électronique de puissance, quels éléments d'électronique de puissance sont utilisés dans les appareils électroniques de puissance et à quel point le potentiel de l'électronique de puissance est grand pour notre avenir.