Physique et technologie du MOSFET de puissance
Un MOSFET de puissance est formé d’un grand nombre de cellules élémentaires mises en parallèle. Sa structure verticale permet au courant de traverser la puce de silicium perpendiculairement et assure une assez grande tenue en tension. Le contact métallique sur lequel est brasée la puce de silicium constitue le contact de drain D. La zone en contact avec le drain est une zone de type N+ qui est le substrat. La partie N- faiblement dopée rajoutée dans l’épaisseur du substrat sert à assurer la tenue en tension drain-source à l’état bloqué. La partie N+ évite que l’épaisseur totale ne conduise à une résistance excessive. Des îlots de type P sont diffusés depuis la surface supérieure de la puce. Dans ces îlots ont été diffusés des îlots de type N+. Du coté de source, une première couche d’oxyde isole la métallisation de grille G de la surface de la puce entre les îlots N+ et le substrat. Une deuxième couche d’oxyde isole la métallisation de grille de la métallisation de source S qui relie entre elles les diverses cellules élémentaires.
En l’absence de polarisation positive de la grille, le transistor est bloqué. Si une tension vDS positive est appliquée aux bornes du drain et de la source, le courant de drain iD est idéalement nul. En fait, il existe un très faible courant de fuite correspondant à la jonction PN-N+ polarisée en inverse.
Lorsque vDS est positive, si l’on polarise positivement la grille, on peut rendre le transistor conducteur. Le champ électrique résultant qui apparaît dans la couche d’oxyde attire vers la surface du silicium les électrons minoritaires de la zone P et repousse les trous majoritaires. Lorsque la tension devient supérieure à une valeur appelée seuil VT (threshold voltage) de l’ordre de quelques volts, les électrons deviennent localement assez nombreux pour assurer la conduction sous l’oxyde de grille. C’est le canal de type N entre les îlots N+ et la zone N- . Les électrons peuvent se déplacer dans ce canal et donner naissance au courant direct de drain.
Pour bloquer ce composant, il suffit de ramener la tension vGS au-dessous de la tension de seuil pour éliminer les canaux.
Comportements du MOSFET de puissance
Les caractéristiques donnent le courant de drain iD en fonction de la tension drain-source vDS, pour diverses valeurs de la tension grille-source vGS. Lorsque la tension vGS est inférieure à la tension de seuil VT, le transistor est bloqué. Le courant iD est pratiquement nul, du moins tant que vDS n’atteint pas la tension d’avalanche VBR de la jonction PN-N+ qui supporte cette tension. Lorsque la tension vGS dépasse la tension de seuil, l’apparition d’un canal rend le transistor conducteur. A partir de vDS = 0, le courant iD croît d’abord proportionnellement à vDS, ce qui correspond à une résistance rDSON entre drain et source presque constante.
Lorsque la tension vDS atteint une valeur appelée tension de pincement vp (pinching voltage), le canal est interrompu par la zone de charge de la jonction PN: le courant iD devient presque indépendant de vDS. Car les électrons passent en vitesse limite. Cela correspond au régime de saturation du MOSFET. Cette caractéristique donne les variations du courant de drain iD en fonction de la tension grille-source vGS lorsque le MOSFET est en régime de saturation. La tension vGS doit rester inférieure à une valeur limite de quelques dizaines de volts, au-delà de laquelle, il y a risque de claquage de la couche d’oxyde de grille.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) est né du désir de marier les avantages des transistors MOS et des transistors bipolaires. L’idée très simplifiée est de remplacer le substrat N+ du MOSFET par un substrat P+ pour l’IGBT. Sa structure permet d’atteindre l’objectif d’avoir une faible chute de tension à l’état passant et une forte tenue en tension à l’état bloqué en conservant une facilite de commande par une grille isolée. En revanche, la vitesse de commutation est dégradée par rapport au MOSFET. Ce composant est employé de plus en plus dans les dispositifs pour remplacer les transistors bipolaires, les thyristors et les GTOs dans le domaine des moyennes et fortes puissances.
Physique et technologie de l’IGBT : L’IGBT est formé d’un grand nombre de cellules élémentaires mises en parallèle. La source devient l’émetteur. Du coté du collecteur C, on trouve une zone P+ fortement dopée qui forme avec la zone N- du substrat une jonction PN, tandis que dans un MOSFET le drain est directement connecté à travers une couche N+. On note qu’en polarisation directe, la couche P+ injecte des porteurs (trous) dans la zone résistive du drain du MOSFET (N-). Mieux encore cette injection crée une zone de plasma, comme dans la jonction PN d’une diode PiN. La chute de tension dans une zone de plasma étant très faible à cause du mécanisme de diffusion. La résistance de la couche N- est modulée et réduite par rapport à celle du MOSFET correspondant. Par conséquence, la chute de tension à l’état passant est diminuée. Cette structure ne comporte pas une diode parallèle inverse, donc elle peut supporter une tension inverse à l’état bloqué. Cette tenue en tension inverse est toutefois assez faible à cause des forts dopages. Dans la pratique, la majorité des applications de l’IGBT utilisent des modules avec une diode rapide dont le calibre en tension et celui en courant sont les mêmes que pour l’IGBT. Dans notre projet, le but est d’étudier directement le comportement de l’IGBT, nous choisissons un composant IGBT seul (sans diode).
Adaptation et optimisation des générateurs PV: système PV
Le raccordement d’un générateur PV à une charge quelconque nécessite l’adaptation de ce générateur PV pour qu’il fonctionne, à une température et un éclairement donnés, à sa puissance maximale et par conséquent à un rendement élevé.
Ceci est réalisé en intercalant entre le générateur PV et la charge un quadripôle d’adaptation qui est un convertisseur d’énergie DC-DC « Hacheur » pour des applications en régime continu. L’adaptation a lieu en variant le rapport cyclique de la commande de l’interrupteur du convertisseur. Schéma synoptique du système PV adapté : L’ensemble est constitué :
d’un générateur PV. Dans notre cas c’est le générateur SP75 déjà symbolisé dans la librairie d’Orcad Pspice.
d’un quadripôle constitué d’un convertisseur d’énergie de type dévolteur (buck) pour des applications 12V à 14V et survolteur (boost) pour des applications nécessitant des tensions supérieures à 17V . Ce convertisseur d’énergie se compose des condensateurs, des inductances, et des interrupteurs. Tous ces dispositifs idéalement ne consomment aucune puissance, qui est la raison des hauts rendements de ces convertisseurs. L’interrupteur est réalisé par un dispositif à semiconducteur en commutation. On utilise habituellement un transistor IGBT de faible temps de commutation pour minimiser les pertes de puissance IGBT .
d’une commande du convertisseur générant un signal carré, de fréquence bien déterminée et de rapport cyclique à variable, permettant la commande de l’interrupteur du convertisseur. Ce signal de commande est issu d’un circuit qui est, en général, une commande de type « MPTT » (Maximum Power Point Tracking) dont le rôle essentiel est de poursuivre le point de puissance maximale (PPM) du générateur PV quelles que soient les conditions météorologiques et les variations de la charge.
Adaptation des systèmes PV par une commande MPPT
Ce quadripôle peut être un convertisseur DC-DC survolteur ou dévolteur selon les applications. Lorsque le système alimente une charge résistive et les contraintes extérieures changent (éclairement et température) , l’adaptation du générateur PV à la charge peut se faire par le biais du convertisseur en réglant le rapport cyclique du signal commandant l’interrupteur du convertisseur. Le problème qui se pose est de concevoir une approche d’adaptation (commande MPPT: Maximum Power Point Tracking) qui permet d’ajuster ce rapport cyclique d’une manière automatique à sa valeur optimale en fonction des instabilités météorologiques ou variations de la charge qui peuvent survenir à tout moment.
Schéma synoptique du système PV : le générateur PV est celui déjà implanté dans l’environnement Orcad-Pspice (SP75) selon la procédure de symbolisation décrite dans le chapitre IV; Ce panneau SP75 constitué de 36 cellules photovoltaïques élémentaires peut délivrer dans les conditions standards de test (CST) une puissance de 75W, un courant de 4,41A sous une tension optimale de 17V.
le quadripôle d’adaptation est un convertisseur d’énergie de type dévolteur (abaisseur) pour des applications 12V à 14V et survolteur (élévateur) pour des applications nécessitant des tensions supérieures à 17V .
La commande MPPT (Maximum Power Point Tracking) est un organe du système PV et permet de chercher le point de fonctionnement optimal du générateur PV qui dépend des conditions météorologiques et de la variation de la charge . Son principe de régulation est basé sur la variation automatique du rapport cyclique α à la valeur adéquate de manière à maximiser continuellement la puissance à la sortie du panneau PV. Dans ce contexte nous étudions la conception et le fonctionnement d’une commande analogique, fonctionnant à 10KHz, de manière à ce que la puissance optimale délivrée par le panneau solaire soit quasiment transférée à la charge de façon automatique qu’elle que soit l’intensité d’éclairement et la valeur de la charge.
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ELEMENTS SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE
1.1 Introduction
1.2 Transistor MOSFET de puissance
1.2.1 Physique et technologie du MOSFET de puissance
1.2.2 Comportement du MOSFET de puissance
1.2.2.1 Caractéristique statique du MOSFET de puissance
1.2.2.2 Résistance apparente à l’état passant
1.2.2.3 Comportement dynamique
1.2.3 Energie dissipée en conduction et en commutation
1.3 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
1.3.1 Physique et technologie de l’IGBT
1.3.2 Comportements de l’IGBT
1.3.2.1 Caractéristiques statiques
1.3.2.2 Comportements dynamiques
1.3.3 Energie dissipée en conduction et en commutation
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 : FONCTIONNEMENT ET CARACTERISTIQUES DES CONVERTISSEURS CONTINU-CONTINU SANS TRANSFORMATEUR INTERMEDIAIRE
2.1 Introduction
2.2 Convertisseur buck
2.2.1 Généralité
2.2.2 Principe de Fonctionnement
2.2.2.1 Conduction continue
2.2.2.2 Conduction discontinue
2.2.2.3 Limite entre la conduction continue et discontinue
2.2.2.4 Cas du circuit non-idéal
2.2.3 Ondulation de la tension de sortie
2.3 Convertisseur boost
2.3.1 Principe de fonctionnement
2.3.1.1 Conduction continue
2.3.1.2 Conduction discontinue
2.3.1.3 Limite entre la conduction continue et discontinue
2.3.2 Analyse en valeur moyenne
2.3.3 Cas du circuit non-idéal
2.4 Simulation des hacheurs
2.4.1 Hacheur dévolteur à MOSFET
2.4.2 Hacheur dévolteur à IGBT
2.4.3 Hacheur survolteur à MOSFET
2.4.4 Hacheur survolteur à IGBT
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 : GENERATEURS PHOTOVOLTAIQUES, ADAPTATION DE LA PUISSANCE ELECTRIQUE PAR UN HACHEUR
3.1 Introduction
3.2 L’énergie photovoltaïque
3.2.1 Généralités
3.2.2 L’effet photovoltaïque
3.2.2.1 Brefs rappels sur l’énergie solaire
3.3 Générateur photovoltaïque
3.3.1 Matériaux utilisés dans les cellules PV
3.3.2 Cellules photovoltaïques
3.3.2.1 Structure d’une cellule PV
3.3.2.2 Principe de fonctionnement d’une cellule PV
3.3.2.3 Modèle électrique d’une cellule PV
3.3.2.4 Caractéristiques d’une cellule PV
3.4 Module ou panneau PV
3.4.1 Structure de panneau PV
3.4.2 Critère de câblage des cellules PV
3.4.3 Rendement d’un panneau PV
3.5 Schéma électrique et fonctionnement des panneaux PV
3.5.1 Symbolisation des panneaux PV
3.5.2 Symbolisation du panneau SP75
3.5.2.1 Architecture du panneau SP75
3.5.2.2 Symbolisation électrique du panneau SP75
3.5.2.3 Simulation de l’influence de la charge sur les grandeurs électriques
3.6 Fonctionnement des panneaux PV dans les conditions optimales
3.6.1 Point de puissance maximale
3.6.2 Fonctionnement du panneau solaire SP75 dans les conditions optimales
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 : ADAPTATION ET OPTIMISATION DE GENERATEURS PHOTOVOLTAIQUES
4.1 Introduction
4.2 Adaptation des générateurs PV : système PV
4.2.1 Schéma synoptique du système PV adapté
4.2.2 Structure des convertisseurs d’énergie Buck et Boost
4.2.2.1 Structure du convertisseur Boost
4.2.2.2 Structure du convertisseur Buck
4.2.3 Principe et régimes de fonctionnement des convertisseurs d’énergie
4.2.3.1 Convertisseur Boost
4.2.3.1.1 Régime continu
4.2.3.1.1.1 Définition
4.2.3.1.1.2 Ondulation à la sortie
4.2.3.1.1.3 Ondulation à l’entrée
4.2.3.1.1.4 Condition d’adaptation
4.2.3.1.2 Régime discontinu
4.2.3.1.3 Régime critique
4.2.3.2 convertisseur Buck
4.2.3.2.1 Régime continu
4.2.3.2.1.1 Définition
4.2.3.2.1.2 Ondulation à la sortie
4.2.3.2.1.3 Ondulation à l’entrée
4.2.3.2.1.4 condition d’adaptation
4.2.3.2.2 Régime discontinu
4.2.3.2.3 Régime critique
4.2.4 Dimensionnement des convertisseurs Boost et Buck
4.2.4.1 Cahier de charges et objectifs
4.2.4.2 Dimensionnement des convertisseurs
4.3 Analyse du fonctionnement des convertisseurs dans l’environnement Orcad-pspice
4.3.1 convertisseur survolteur (Boost)
4.3.1.1 Caractéristiques électriques typiques du système PV
4.4 Adaptation des systèmes PV par une commande MPPT
4.4.1 Généralités
4.4.2 Schéma synoptique du système PV
4.4.3 Convertisseur d’énergie
4.4.4 Commande MPPT analogique
4.4.5 Structure et fonctionnement MPPT analogique
4.5 Simulation du fonctionnement électrique d’un système photovoltaïque
4.5.1 Système photovoltaïque adapté par un hacheur de type élévateur
4.5.1.1 Courants, tension et puissance dans le système PV
4.5.1.2 Fonctionnement du système lors d’un changement de l’éclairement
4.5.1.3 Fonctionnement du système lors d’un changement de la charge
4.5.2 Système photovoltaïque adapté par un hacheur de type dévolteur
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5: INTEGRATION DES PERTES DU CONVERTISSEUR DANS UN SYSTEME HYBRIDE PHOTOVOLTAIQUE-EOLIEN DE PRODUCTION D’ENERGIE
5.1 Introduction
5.2 L’énergie éolienne
5.2.1 Problématique
5.2.2 Production d’énergie éolienne et conversion en électricité
5.3 Système de production hybride photovoltaïque – éolienne HWPGS
5.4 Sous-ensemble photovoltaïque de production d’énergie
5.4.1 Générateur photovoltaïque
5.4.2 Modèle du hacheur dévolteur
5.5 Modèle de pertes d’un hacheur dévolteur
5.5.1 Modèle de perte de conduction
5.5.2 Modèle de pertes de commutation
5.5.3 Modèle de la batterie
5.6 Stratégie de commande
5.7 Résultats et discussions
5.8 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
