Etude du transistor MOSFET

1  Introduction

          Le transistor MOSFET ("Métal Oxyde Semi-conducteur Field Effet Transistor") appelé également MOST ou simplement MOS ressemble, par son principe de fonctionnement, au JFET. Dans ce type de transistor, la grille ne forme pas une jonction avec le canal drain-source (comme dans le cas du JFET) mais est isolée de celui-ci par un dépôt d'oxyde de silicium.

          Deux structures sont envisageables (Fig.I.5), l'une se rapproche de celle du JFET (Fig.5.a), on parle alors de MOS à appauvrissement. L'autre structure diffère quelque peu de celle du JFET (Fig.I.5.b), on parle dans ce cas de MOS à enrichissement. Les deux structures ci-dessous peuvent, bien entendu, être réalisées en canal N ou P ce qui donne quatre types de MOS [9].

Comparaison entre le transistor bipolaire et le MOSFET

Transistor bipolaire	Transistor MOSFET
- Accumulation de charge dans la base et le collecteur. - Vitesse de commutation moyenne. - Coefficient de température du courant de collecteur (IC) positive. - Impédance d'entrée faible. - Temps de stockage de 1÷2 µs. - Difficulté de la mise en parallèle. - Pertes en commutation élevée. - coût de composant réduit. -  commande par une source de courant.	- Pas d'effet d'accumulation de charge. - Vitesse de commutation élevée. - coefficient de (ID) négative. - Fort impédance d'entrée. - Temps de stockage nul. - Facilité de la mise en parallèle. - Pertes en commutation faible. - coût de composant élevée. - commande par une source de tension.

  

Tableau  . Comparaison entre le transistor bipolaire et le transistor MOSFET.

Choix des commutateurs de puissance

          La réalisation d'un circuit de l'électronique de puissance consiste à un choix préalable des interrupteurs de puissance, pouvant supporter la commutation forcée et rapide, et la réversibilité du courant et de la tension, ce choix conduit à étudier plusieurs types de composants électronique, qui peuvent être utilisés dans le cas qui nous intéresse.

            En outre, les interrupteurs considérés devront être commandés à l'ouverture et à la fermeture de manière à pouvoir assurer la commutation forcée, c'est-à-dire des interrupteurs bicommandables.

Le choix des interrupteurs désirés dans notre cas est basé sur les conditions suivantes [5] :

-          L'interrupteur doit avoir une tenue en tension symétrique.

-          Il doit être bidirectionnel en courant.

-          Il doit être commandable à l'ouverture et à la fermeture par une électrode spécifique.

1-Propriétés générales des commutateurs de puissance

Les indices de performance d'un hacheur alternatif

Etant donné que la tension de sortie, le courant de charge et le courant de source d'un hacheur alternatif ne sont pas purement sinusoïdaux. Les indices de performances qui permettent d'évaluer les différentes stratégies de commande de ce convertisseur statique sont les suivants:

a)      Le facteur de puissance

          C'est le rapport entre la puissance active absorbée par la charge et la puissance totale débitée par la source d'alimentation. Ce paramètre est donné par la formule :

b)      Le taux de distorsion harmonique globale de la tension de sortie

          C'est la mesure de degré de ressemblance entre le fondamental et l'onde produit à la sortie du hacheur. Ce paramètre est exprimé par la relation suivante :

c)      Facteur d'harmonique

          Le facteur d'harmonique est défini comme le rapport de l'amplitude de l'harmonique d'ordre  n  et l'amplitude du terme fondamental. Il exprime donc la contribution de chaque harmonique dans la tension de sortie. Ce facteur est donné par la formule suivante :

d)      Le facteur de distorsion à la source

          Ce paramètre est défini comme le rapport entre la valeur efficace du fondamental du courant de source et celle du courant total de source :

e)      Le facteur de déplacement à la source

Il est donné par la formule suivante :

Où Φ est l'angle de déphasage de la composante fondamentale du courant de source par rapport à la tension d'alimentation.

Avantages du passage de la structure gradateur à la structure hacheur alternatif

Pour voir les avantages de la structure hacheur alternatif, on va déterminer le facteur de puissance FP. En effet FP prend en compte simultanément la consommation de l'énergie réactive et la génération des courants harmoniques.

On détermine le facteur de puissance dans le cas fréquent pour une charge (R, L) :

Avec :

P: la puissance fournie à la charge.

S: la puissance apparente.

Avec :

I_L et I_S : les valeurs efficaces des courants de la charge et de la source respectivement.

V_S : la valeur efficace de la tension de source.

On pose :

P₀, I_L0: la puissance et le courant obtenus à pleine charge (k₁ toujours fermé).

On peut écrire :

Dans le cas d'un gradateur classique à thyristors, le facteur de puissance est de la forme suivante:

Cette forme reste la même, quelle que soit la stratégie de commande retenue, on peut voir pour ce dernier qu'il y à aussi une augmentation du taux global de distorsion harmonique (THD). La réduction de la puissance fournie au récepteur s'accompagne d'une dégradation du facteur de puissance à l'entrée du convertisseur.

          En revanche, dans le cas du hacheur alternatif, c'est la réduction du courant fourni par la source qui explique l'amélioration du facteur de puissance, cette amélioration est liée directement au fonctionnement de l'interrupteur de roue libre k₂.

Les hacheurs alternatifs

1  Introduction

          Habituellement dans l'électronique de puissance, le réglage de la puissance fournie à un récepteurs de courant alternatif se fait avec le gradateurs à thyristors, cette structure permet seulement la commande spontanée, c'est-à-dire les thyristors se bloquent spontanément au passage par zéro du courant, mais cette structure ne permet pas l'utilisation de la commande PWM, elle entraîne la consommation de l'énergie réactive et la génération des courants harmoniques basse fréquence, pour éviter ces inconvénients on utilise une autre structure, cette structure est appelée le hacheur alternatif qui fait la même conversion AC-AC [3].

  

          Dans ce chapitre, nous allons étudier  le hacheur alternatif monophasé, ainsi que les interrupteurs utilisés pour cette architecture.

2  Le hacheur alternatif

          Le hacheur alternatif est un convertisseur électronique de puissance qui fait la conversion alernative-alternative avec la commutation forcée. Ce convertisseur fait la variation et le réglage du débit du courant alternatif vers un récepteur de courant alternatif.

Dimensionnement des encoches

Le choix du type d’encoches pour une machine dépend:

·         de la tension de service.

·         de la puissance.

·         du type de bobinage.

Le stator des petites et moyennes machines, à basse tension, est exécuté avec des encoches trapézoïdales semi-ouvertes c’est le cas de notre machine 2,2 kW. Le choix de ce type d’encoches est d’assurer une meilleure insertion des conducteurs et obtenir un meilleur coefficient de remplissage de l’encoche. puisque lors de la mise en encoche des enroulements, les conducteurs n’occupent pas tout l’espace qui leur ai réservé. Le rapport de surface des conducteurs et d’encoches est appelé coefficient de remplissage. Ce rapport varie selon la capacité des ouvriers spécialisés dans la mise en place du bobinage. Il peut être, dans les meilleures conditions égal à 0.7 pour des machines de faibles puissances.