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.

Les avantages et les inconvénients du moteur asynchrone

Si l’on compare le moteur asynchrone au moteur shunt à courant continu, on constate que les

caractéristiques dans leurs parties stable, sont identiques, ce qui conduit aux mêmes applications

industrielles. En ce qui concerne le chois d’un moteur pour une application donnée, il est intéressant de signaler les avantages et les inconvénients de ces deux moteurs.

.1.Les avantages du moteur asynchrone : 

      Comparé au moteur shunt, le moteur asynchrone a l’avantage d’être alimenté directement par le réseau triphasé. Son prix d’achet est moins élevé, il est beaucoup plus robuste car il ne nécessite pratiquement pas d’entretien. 

      Ses deux qualités fondamentales (prix et solidité) résulte du fait qu’il n’a pas de collecteur.

En effet, le collecteur est un organe coûteux et fragile qui nécessite un entretien fréquent  :

changement des balais

.2. Les inconvénients du moteur asynchrone :

      A l’exception du démarrage et de l’inversion du sens de marche que l’on peut résoudre de façon satisfaisante, le moteur asynchrone a des performances très médiocres par rapport à celles du moteur shunt. En effet jusqu'à ces dernières années, l’entraînement idéal était réalisé par le léonard formé un moteur shunt alimenté par un convertisseur de tension.

Utilisation du moteur asynchrone

Comme on l’a expliqué, les performances d’un moteur concernent le domaine suivant :

démarrage, variation de la vitesse, freinage et inversion de sens de marche.

Comme la vitesse n reste très proche de la vitesse  de synchronisme, pour varier la vitesse du

Moteur il faut en fait varier la fréquence Fs  à l’aide d’un onduleur.

      Mais pour faire varier la vitesse sans modifier le couple utile il faut garder le rapport Vs / Fs constant (Vs est la tension d’alimentation d’un enroulement). Si on augmente la vitesse, il faut augmenter la Fréquence et la tension d’alimentation dans les limites du bon fonctionnement de la machine.

      Le moteur asynchrone triphasé, d’une puissance de quelques centaines de watts à plusieurs

mégawatts est le plus utilisé de tous les moteurs électriques. Son rapport coût/puissance est le plus faible. Associés à des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuvent fonctionner à vitesse variable dans un large domaine (les derniers TGV, le Tram de Strasbourg,...).

Toutefois l’emploi de ce type de moteur est évité en très forte puissance (P > 10 MW) car la

consommation de puissance réactive est alors un handicap.

Branchement du moteur sur le réseau triphasé

Couplage de la plaque à bornes
Le branchement des bobines sur le réseau se fait au niveau  de la plaque à borne située sur le dessus de moteur. On dispose ainsi de 6 connexions, un pour chacune des extrémités des trois bobines. Les bornes sont reliées aux bobine selon la figure ci-  contre.

. Branchement du moteur sur le réseau triphasé:       Il n’est pas toujours possible de brancher un moteur asynchrone en étoile ou en triangle.

Avec le branchement étoile, la tension au borne de chacune des bobines est 220 V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée en tension nominale de réseau (380V).

 

Principe de fonctionnement du moteur à induction

      Le principe de fonctionnement des moteurs asynchrones est basé sur la production d’un champ tournant. Telle que on considère un aimant tournant produit un champ  électromagnétique     qui  traverse un cylindre métallique.

      Les génératrices du cylindre placées dans le champ se  comportent  comme  des  brins  actifs             (AB et CD).

      Elles sont parcourues par un courant Ф  proportionnel à F et engendrent des forces perpendiculaires qui constituent le couple.

On constate que le cylindre suit la rotation de l’aimant avec un léger décalage appelé glissement  

Sur les moteurs asynchrones triphasé .le champ  tournant est produit par  trois bobinages fixes  

géométriquement décalés de  120°, et parcourus par des courants  alternatifs présentant le même

décalage électrique. Les trois champs alternatifs  qu’ils produisent se composent pour former un

champ tournant d’amplitude constante comme il a présenté dans cette figure.

PRINCIPE DE LA COMMANDE VECTORIELLE

Le principe de base de la commande vectorielle a été proposé par BALSCHKE et HASSE dans les années 70. Cette commande consiste à orienter le vecteur courant et le vecteur flux afin de rendre le comportement de la machine synchrone similaire à celui d’une machine à courant continu à excitation séparée (MCC) où le courant inducteur contrôle le flux et le courant d’induit contrôle le couple. Il s’agit de placer le référentiel (d, q) de sorte que le flux soit aligné sur l’axe direct (d). Ainsi, le flux est commandé par la composante directe du courant et le couple est commandé par l’autre composante.

Le but de la commande vectorielle appliquée à la MSDE est d’éliminer le problème de couplage entre l’induit et l’inducteur en dissociant le courant statorique en deux composantes  en quadrature, Par conséquent, l’expression du couple montre que pour le contrôler, il faut contrôler les courants Id, Id .Ainsi le comportement de la MSDE devient similaire à celui de la machine à courant continue (figure IV.1).

MODELISATION DES CONVERTISSEURS MSDE

Le schéma de principe d’un pont redresseur est donné par la figure III.2.

La tension de sortie du redresseur «

Ud » est :

U

Modélisation du filtre

Le filtre est constitué d’une inductance montée en parallèle avec un condensateur

. La figure (II.4) le schématisé.

STRUCTURE GENERALE DE L’ALIMENTATION DE LA MSDE

La machine synchrone à double étoile est un dispositif à vitesse variable, ou la fréquence des tensions d'alimentation est délivrée par un convertisseur statique est asservi à la position du rotor.

L'existence des deux stators nécessite une alimentation par deux onduleurs de tension à transistors dont la commande de la MLI est décalée d'un angle "

Les deux onduleurs sont alimentés par un même pont à diodes dont la tension de sortie est filtrée par un filtre passe-bas LC. Le schéma synoptique d’un MSDE et son alimentation est présentée par la figure suivante :

γ".

STRUCTURE GENERALE DE L’ALIMENTATION DE LA MSDE

La machine synchrone à double étoile est un dispositif à vitesse variable, ou la fréquence des tensions d'alimentation est délivrée par un convertisseur statique est asservi à la position du rotor.

L'existence des deux stators nécessite une alimentation par deux onduleurs de tension à transistors dont la commande de la MLI est décalée d'un angle "

Les deux onduleurs sont alimentés par un même pont à diodes dont la tension de sortie est filtrée par un filtre passe-bas LC. Le schéma synoptique d’un MSDE et son alimentation est présentée par la figure suivante :

γ".

Onduleur à point milieu fonctionnement optimal

Afin d’étudier le fonctionnement du convertisseur nous considérons pour simplifier l’onduleur à deux cellules présenté sur la figure II.8. Dans cette structure, la cellule 1 est celle qui est connectée à la charge.

Pour simplifier l’étude on suppose que le condensateur est chargé et reste chargé à sa valeur d’équilibre

La figure II.9 montre qu’il existe quatre configurations possibles pour un convertisseur multicellulaire 3 niveaux selon les commandes des interrupteurs. Cette structure permet d’obtenir trois niveaux de tension en sortie : 0 et ±

E/2 quel que soit l’état des interrupteurs. La contrainte en tension aux bornes des interrupteurs bloqués ne dépasse donc pas cette valeur. Les cellules de commutation sont indépendantes les unes par rapport aux autres et les semi-conducteurs découpent pendant l’intégralité de la période de modulation.E/2. Le niveau de tension intermédiaire (0V) peut être généré de deux manières différentes (cas C et D), ce qui implique un transit d’énergie en fonction du sens de circulation du courant de charge. Cette particularité permet de contrôler la tension aux bornes du condensateur flottant.

Onduleur à point milieu

Le modèle exact ou instantané prend en compte les commutations des interrupteurs et les grandeurs instantanées des variables d’état du convertisseur. Il permet de représenter l’état de chacune des cellules de commutation du convertisseur à l’échelle de la période de découpage et les phénomènes harmoniques liés à la commutation des interrupteurs [TAC 98].

Ce modèle est utilisé pour valider en simulation des lois de commande mises en oeuvre à partir du modèle moyen.

La figure II.7 présente un convertisseur multicellulaire série fonctionnant en onduleur à point milieu capacitif associé à une charge R-L. on alimente la charge par une entrée à point milieu ce qui nous permet de fonctionner en onduleur.

Ce convertisseur représente une association de p cellules de commutation. Chaque cellule est formée d’une paire d’interrupteur (sw, sw’) dont l’état est complémentaire.

L’ensemble des cellules constitue un bras. On remarque qu’entre chaque cellule est inséré un condensateur flottant.

La mise en équation de cette structure met en oeuvre (

Pour établir le modèle instantané on suppose que le point milieu est idéal (Ondulation de tension nulle).

On prend deux cellules (sw

L’évolution de la tension aux bornes du condensateur C ce dernier étant fonction de l’état des cellules adjacentes (cellule k+1 et cellule k) et du courant de charge

k-swk’et swk+1-swk+1’) avec leur condensateur flottant (Ck).k est liée à l’évolution du courant Ick,Ich.p-1) équations liées à l’évolution des tensions aux bornes des (p-1) condensateurs flottants et une équation liée au courant de la charge.

Modèle exact ou instantané

Principe de base d’un convertisseur multicellulaire

Afin d’étudier les propriétés des convertisseurs multicellulaires série en régime établi, nous allons faire un certain nombre d’hypothèses sur les interrupteurs et les sources qui sont utilisées.

les interrupteurs sont idéalisés (tension de saturation, courant de fuite et temps de commutation nuls).

Les interrupteurs étant parfaits, les temps morts sont supposés nuls.

Les sources de tension et courant sont supposées parfaites. Cela signifie que l’impédance série d’une source de tension est nulle et que celle d’une source de courant est infinie.

Définition d’une cellule élémentaire de commutation

Avant de définir la cellule de commutation, nous rappelons quelques règles fondamentales d’interconnexion des sources.

Une source de tension ne doit jamais court-circuitée mais elle peut être ouverte.

Une source de courant ne doit jamais être ouverte mais elle peut être court-circuitée.

La figure II.4 représente le schéma de principe d’une cellule élémentaire de commutation.

Afin de respecter les règles d’interconnexion de sources, les signaux de commande des interrupteurs

"sw" et "sw’" devront être de nature complémentaire. Ainsi, une cellule élémentaire de commutation ne peut présenter que deux états. Par convention, une cellule de commutation est dite à l’état "1" lorsque son interrupteur haut (respectivement bas) est passant (respectivement bloquée). Donc une cellule de commutation est dite à l’état "0" lorsque son interrupteur haut (respectivement bas) est bloqué (respectivement passant).Il ne faut jamais connecter entre elles deux sources de même nature ; cela revient à dire qu’on ne peut connecter entre elles qu’une source de courant et une source de tension.Le courant est considéré comme constant pendant une période de commutation.

Les convertisseurs multicellulaires série ou à cellules imbriquées

Au début des années 90, une nouvelle structure de convertisseurs multiniveaux a été inventée. Cette structure est basée sur la mise en série de cellules de commutation entre lesquelles une source de tension flottante est insérée. Ces sources de tension flottantes sont réalisées par des condensateurs.

La figure II.3 montre le schéma d’un bras d’un onduleur multicellulaire série à

N niveaux, constitué de p cellules.

Le premier avantage de ces convertisseurs est la réduction des contraintes en tension sur les interrupteurs. Les sources de tension flottantes imposent sur chaque cellule une contrainte en tension égale à E/P. Par contre, le calibre en courant des interrupteurs est identique à celui d’une structure classique : c’est le courant de la charge. Les convertisseurs multicellulaires série permettent aussi d’améliorer la forme d’onde de la tension de sortie et permettent plus de flexibilité pour obtenir des différents niveaux de tension (par rapport à la structure NPC). D’autre part, la contrainte de ces convertisseurs est la nécessité d’un grand nombre de condensateurs, notamment pour une configuration triphasée.

Les convertisseurs multiniveaux à structure NPC (Neutral Point Clamped)

La deuxième structure largement utilisée pour générer une tension multiniveaux est le convertisseur clampé par le neutre (aussi appelé NPC : Neutral Point Clamped converter).

Cette structure représentée sur la figure II.2 permet elle aussi de générer une tension de sortie sur trois niveaux, et peut fonctionner en montage hacheur ou onduleur. Là encore, la structure possède deux cellules de commutation.

La structure de convertisseur clampé par le neutre nécessite une bonne répartition des tensions entre les condensateurs C1 et C2. Pour cette raison, un asservissement du potentiel du point milieu peut s’avérer nécessaire. D’autre part, la généralisation de la structure NPC à un nombre de niveaux supérieur à trois est difficilement envisageable, car cela rend la commande très complexe.