L’électronique de puissance (EP) et la gestion thermique

L’électronique de puissance (EP) englobe tous les genres de convertisseurs statiques de puissance, qui sont constitués de composants semi-conducteurs, essentiellementà base de Silicium (Si) qui a une température de rupture qui avoisine les 120°C. Ces composants semiconducteurs sont souvent associés à des composants passifs (résistances, inductances, condensateurs….etc.). Ces convertisseurs statiques assurent la conversion et la commande de l’écoulement de l’énergie électrique d’une source d’énergie à une charge utilisatrice. Et ce, en convertissant le courant électrique donné par ces sources d’énergie, en un type de puissance appropriée.

Les composants passifs 

•  Les résistances sont caractérisées par la puissance maximale qu’elles peuvent dissiper (0,25 W ; 0,5 W ; 1 W…) et par la technologie utilisée lors de leur fabrication (au carbone, à couches métalliques, bobinées…). Il n’existe aucune valeur limite standard de température pour les résistances. La chaleur qu’elles peuvent pratiquement dissiper, sans être détériorées, dépend du mode de refroidissement : conduction, convection et rayonnement. Les caractéristiques thermiques données par le fabricant sont basées sur l’évacuation de la plus grande partie de la chaleur par convection et rayonnement et par conduction au travers de leurs connexions de sortie vers le circuit qui les supporte: on obtient typiquement des résistances thermiques de 40 à 150 ˚C/W. Une réduction notable de la température de la résistance est obtenue en favorisant le transfert Par conduction vers le puits thermique

•  Les inductances et autres composants comportant des enroulements (transformateurs, relais…) produisent par effet Joule une quantité de chaleur qui, par l’élévation du niveau de température qu’elle entraîne, peut provoquer une détérioration des matériaux isolants entrant dans la fabrication des enroulements.

•  Les condensateurs ne produisent pratiquement pas d’énergie. Toutefois, la technologie de fabrication autorise rarement une température très élevée de fonctionnement.

Pour tous ces composants passifs, une cause indirecte d’élévation du niveau thermique est un apport de chaleur venant de composants actifs par l’intermédiaire des connexions et du circuit qui supporte les différents composants : seule une implantation différente des composants sur le circuit peut y remédier [E3952].

Les composants à semi-conducteurs 

Ce sont les transistors, diodes, thyristors, circuits intégrés logiques ou analogiques…; Il existe un grand nombre de composants à base de semi-conducteurs assurant la fonction d’interrupteur. Tous ces composants fonctionnent en commutation entre deux états, ouvert (ou bloqué) et fermé (ou passant). On distingue trois familles de composants à base de semiconducteurs, suivant les phénomènes physiques présents lors du fonctionnement. On parle de composants bipolaires, unipolaires et mixtes.

•  Composants bipolaires: Comme la diode et le transistor bipolaire, ils mettent en jeu l’effet de modulation de conductivité qui permet de réduire autant que possible la chute de tension à l’état passant, par contre, ceci dégrade les performances dynamiques à l’ouverture et à la fermeture. Le principe est l’injection, dans la base, de porteurs (électrons/trous), qui réduisent la résistivité dès que leur concentration devient notablement supérieure à celle des porteurs normalement présents (phénomène de forte injection).

•  Composants unipolaires: Exemple la diode de Schottky, le transistor ‘‘MOS’’ à effet de champ, qui n’est que l’abréviation anglaise de MOSFET (Metal-Oxyde Semiconducteur Field-Effect-Transistor) qui désigne à la fois la structure et le fonctionnement du dispositif. Contrairement aux précédents composants, ceux-ci ne mettent en jeu qu’un seul type de porteurs, les majoritaires de la région de base. Ainsi, la résistivité intrinsèque de la région de base n’est pas modulée et intervient pleinement dans la chute de tension. Il en résulte que, l’emploi de ce type de composants est réservé aux applications de basse tension (jusqu’à quelques centaines de Volts) ce sont des composants plus rapides que les bipolaires.

•  Composants mixtes : L’idée d’associer les deux types de structures (bipolaires et unipolaire) donne naissance à une nouvelle structure appelée mixte. Un composant mixte est donc celui qui conjugue dans le même cristal les deux types précédemment cités, tel le transistor IGBT [LOUNAS Fatma].

On peut classer les composants à semi-conducteurs, aussi selon leur commandabilité, en trois grandes familles :
– Les composants non commandables (diodes) ;
– Les composants commandables à la fermeture (thyristors, triacs) ;
– Les éléments commandables à la fermeture et à l’ouverture (transistors bipolaires, MOS, IGBT, GTO).

Les composants de puissance commandables, les transistors bipolaires, sont apparus dans les années 1940, les premiers thyristors de puissance dans les années 1950. Ils n’ont pas cessé d’évoluer et ont donné naissance au MOS dans les années 1970 et à l’IGBT dans les années 1980.

Depuis l’avènement du composant IGBT, vers le milieu des années 80, on peut remarquer la prépondérance de son utilisation dans la conception des convertisseurs de puissance, vis-à-vis de ses concurrents tels que le GTO, le thyristor ou le transistor MOS de puissance. En effet, l’IGBT est utilisable sur une large gamme de tension (600V à 6,5kV) et de courant (10A à 3600A), pour une gamme de fréquence également étendue (10² à 10⁴ Hz).

L’origine des pertes dans les semi-conducteurs 

Comme dans n’importe quel système ‘‘réel’’, lesstructures de conversion d’énergie(les convertisseurs statiques de puissances) ont des pertes sous forme d’énergie calorifique (chaleur), pendant les opérations de commutation normales dans les semi-conducteurs de puissance. Ces pertes sont de deux types :

•  Les pertes par conduction : Lorsque l’interrupteur est conducteur, une tension résiduelle persiste aux bornes du composant, celle-ci est à l’origine des pertes en conduction.

•  Les pertes par commutation : Un autre phénomène apparait au moment de la commutation. A l’allumage et à l’extinction, il existe un temps tonet toff pendant lequel il y a à la fois une tension, supérieureà la tension résiduelle, et un courant. Il s’en suit une puissance instantanée importante et donc une dépense d’énergie à chaque allumage et extinction.