Support de cours électronique de puissance

Électronique de puissance

QU’EST-CE QUE « L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE »?

L’électronique de puissance est une matière assez récente. Si ses prémices datent de l’utilisation des premiers tubes à vide (Thyratron, triodes, etc.) dans les années 1930, « l’explosion » des applications liées à cette matière est due au développement des thyristors puis des transistors spécifiques dits « transistors de puissance » dans les années 1970. L’évolution permanente de ces composants n’a cessé depuis d’apporter de nouvelles possibilités et d’étendre l’influence de cette matière à pratiquement tout ce qui consomme de l’énergie électrique en basse tension… En réalité, l’électronique de puissance peut être définie par « la partie de l’électronique spécialisée dans le changement de forme des tensions et de courants électriques associés à l’aspect énergétique des circuits électriques ». On l’appelle aussi « conversion statique de l’énergie électrique ». En d’autres termes dès lors qu’un circuit électrique puise son énergie à partir d’une source donnée, les tensions et les courants produits par cette source ont des formes spécifiques dépendant de sa nature. Ainsi, une batterie de voiture produit une tension continue (de 12 V le plus souvent) quasiment constante, les alternateurs comme les réseaux électriques produisent des systèmes triphasés de tensions alternatives sinusoïdales, une cellule photovoltaïque produit une tension continue dépendant de l’intensité lumineuse qui la crée, etc. De même, les circuits électriques qui utilisent cette énergie nécessitent des tensions parfois alternatives, parfois continues, et présentant des valeurs précises liées à leur fonctionnement. Il y a donc très souvent nécessité d’utiliser une sorte de circuit « interface » permettant de rendre compatibles les sources et les récepteurs (voir figure 1).
Comme il s’agit alors pour ces circuits de faire transiter l’intégralité de l’énergie consommée par les récepteurs, il convient également que ceci s’opère avec un bon rendement, un minimum d’encombrement et de contraintes, et éventuellement des possibilités de contrôle et de protection. Ainsi, depuis plusieurs décennies, l’optimisation des rendements de ces circuits, la réduction de leurs encombrements, l’amélioration permanente de leurs capacités de commande et de contrôle ont été possibles grâce à l’utilisation de composants et de circuits électroniques dédiés et évolutifs. Leur utilisation est aujourd’hui généralisée à l’ensemble des circuits électriques et électroniques et est toujours en forte évolution. On retiendra ainsi que « l’électronique de puissance regroupe l’ensemble des technologies qui permettent, avec de forts rendements, de faire le lien entre les différentes natures des sources d’électricité et la grande diversité des récepteurs qui les utilisent ».

POURQUOI PARLE-T-ON AUSSI DE « CONVERSION STATIQUE » DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ?

La « conversion d’énergie » de façon générale concerne les changements de forme sous lesquelles se présentent les différents types d’énergies (thermique, chimique, électrique, mécanique, etc.). La « conversion d’énergie électrique » concerne particulièrement les changements de forme de l’énergie électrique, et plus précisément des tensions et des courants qui y sont associés. Il s’agit ainsi de la même chose que l’électronique de puissance, à la différence que ce nom est plutôt historique… En effet, avant la démocratisation des composants à semi-conducteurs, les changements de forme de tensions et de courants électriques s’opéraient à l’aide des machines électriques tournantes. Pour disposer de tensions alternatives, il fallait utiliser un « alternateur », pour une tension continue, on se servait d’une « génératrice à courant continu ». Seules les différences de constitution mécanique et électrique de ces machines « électro-génératrices » permettaient de générer au choix des tensions et des courants continus ou alternatifs. Il n’était alors possible de « passer de l’un à l’autre » qu’en couplant mécaniquement deux machines différentes, ce qui constituait la « conversion mécanique de l’énergie électrique ». Aujourd’hui, les choses ont bien changé et les composants électroniques modernes, associés à des « commandes » évoluées, permettent de réaliser une très grande variété de transformations directement sur les tensions et courants produits par un seul type de source, si bien que les termes « d’électronique de puissance » et de « conversion statique d’énergie électrique » sont devenus quasiment synonymes.

LE BESOIN EN « CHANGEMENT DE FORME » DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE EST-IL IMPORTANT ?

En réalité ce « besoin » est énorme ! Il faut bien comprendre à ce sujet que ce sont quasi exclusivement les réseaux électriques qui permettent de produire, transporter et distribuer l’énergie électrique sur notre planète. Or ces réseaux souffrent de contraintes très fortes qui ont conduit les gestionnaires d’énergie à utiliser exclusivement des systèmes de tensions sinusoïdales triphasés. Pourtant, la grande majorité des récepteurs électriques ne sont pas adaptés à des tensions triphasées, ou même simplement alternatives. Il est donc déjà nécessaire, dans une très grande majorité d’appareils, de savoir transformer un système triphasé ou monophasé en un régime continu. En soi, cela représente déjà un besoin industriel très lourd. Il suffit de recenser chez soi le nombre « d’adaptateurs secteur » dont on dispose et de penser qu’il se cache le même type de circuit dans pratiquement chaque appareil électrique utilisé au quotidien pour prendre conscience de l’énormité du besoin de transformation qui est associé… Enfin, comme il existe une très grande variété de récepteurs électriques, on comprendra qu’aujourd’hui le « parc technologique et industriel » associé à l’électronique de puissance est extrêmement vaste.

QUELLE EST ACTUELLEMENT LA « PLACE » DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ?

Parler d’énergie électrique, c’est aujourd’hui parler d’une forme d’énergie tout à fait démocratisée, et ce pratiquement sur l’ensemble des zones habitées de la planète.Les pays fortement industrialisés, en particulier, consomment une partie importante de leur énergie sous forme électrique. Le graphe de la figure 2 représente à ce sujet la répartition des différents types d’énergies consommées en France en 2009.Il y est bien visible que plus d’un quart de l’énergie totale consommée par l’ensemble de la population et des industries l’a été sous forme électrique (le « photovoltaïque » fait partie de la partie « renouvelable »). Cette proportion est très importante, elle est sensiblement du même ordre de grandeur d’un pays à l’autre. Comme l’électricité se « transporte » plutôt bien, qu’elle est inodore, « invisible », peu encombrante et autorise des transferts à très bons rendements, elle représente aujourd’hui une proportion importante et croissante des énergies utilisées par l’Homme. La croissance de l’utilisation de l’énergie électrique est d’ailleurs indéniable. À titre d’illustration, la figure 3 présente l’évolution de la consommation en France de 1970 à 2007. La « place » de l’énergie électrique y est facile à visualiser puisqu’il apparaît que la part de l’électricité a pratiquement décuplé en une quarantaine d’années.