Département ou laboratoire:
Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle (LEEI)
Directeur de thèse:
Foch, Henri et Richardeau, Frédéric
Roux, Nicolas (2004) Nouveaux mécanismes de commutation exploitant les protections intégrées des semi-conducteurs de puissance. Application à la conception de convertisseurs statiques à commutation automatique. (New switching processes using the integrated protections of power semi-conductors : application to the development of static converters with self-switching process.)
Cette thèse présente un nouveau mécanisme de commutation qui a pour but d’intégrer la protection du semi-conducteur dans le principe même de commutation, afin de générer de nouveaux convertisseurs statiques. Il consiste en une transition auto-commandée qui se déroule à un niveau de courant ou de tension non nul. Elle peut être associée avec les commutations commandée ou spontanée permettant de passer de deux à cinq types de changement d’état d’une cellule de commutation. De nouvelles règles élémentaires de fonctionnement d’une cellule de commutation émergent alors. Vu le grand nombre d’interrupteurs possibles, une mé thodologie de synthèse de cellules admettant une réversibilité de source, dont les interrupteurs sont identiques, est présentée permettant de faire apparaître différentes solutions, dont deux semblent particulièrement intéressantes : les cellules onduleur et redresseur à disjonction, utilisant toutes deux le thyristor-dual disjoncteur. Ce dernier sert de support d’étude du principe de blocage automatique. Puis, le manuscrit se concentre sur l’étude de convertisseurs, associations de cellules élémentaires, faisant apparaître notamment le transformateur à courant continu et le redresseur triphasé réversible. Ce dernier fait l’objet d’un prototype industriel. Enfin, à partir du cahier des charges d’une chaîne éolienne, notre montage a été mis en concurrence avec ce qui se fait à l’heure actuelle en matière de raccordement au réseau, faisant apparaître un gain au niveau des pertes ainsi qu’un rendement énergétique supérieur. ABSTRACT : This thesis deals with a new switching process which integrates the semiconductor protection directly in the switching principle, in order to generate new static converters. It consists of a self-controlled transition which proceeds on a non-zero current or voltage level. It can be associated with controlled or naturally switching processes making it possible to go from two to five change of state types of a switching cell. So, new elementary operation rules of a switching cell emerge. Considering the great number of possible switches, a synthesis methodology of cells with a source reversibility, whose switches are identical, is presented making it possible to reveal various solutions, of which two seem particularly interesting : the self-breaking inverter and rectifier cells, both using the self-breaking thyristor-dual. This last is used as study support of the self-breaking principle. Then, the manuscript concentrates on the study of converters, associations of elementary cells, revealing in particular the DC-current transformer and the reversible threephase self-breaking rectifier. This last had been developed as an industrial prototype. Lastly, starting from the concept of a wind chain, our assembly has been compared with what is presently done as network converters, revealing lesser losses as well as a higher energetic efficiency.
LE THYRISTOR-DUAL DISJONCTEUR
Le thyristor-dual est un composant qui a été développé à Toulouse afin d’être le
pendant du thyristor comme son nom l’indique. Il associe un amorçage au zéro de la tension à
un blocage commandé. Il allie de nombreux avantages : c’est un composant réversible en
courant donc constitué de seulement trois couches donnant un composant rapide. Il bénéficie
du préconditionnement du transistor par les charges stockées dans la diode lors de sa
conduction. Il permet également d’envisager une intégration fonctionnelle à court terme.
Enfin, c’est un composant qui permet une bonne sûreté de fonctionnement du convertisseur
dans lequel il est monté.
Pour toutes ces raisons, nous l’avons choisi comme base de développement pour notre
premier interrupteur incluant une commutation automatique : le thyristor-dual disjoncteur.
Nous l’avons synthétisé en discret afin de l’étudier dans le cadre la conversion statique. Ce
chapitre a pour but de présenter ce composant ainsi que sa réalisation.
Nous présentons par la suite les deux cellules élémentaires à base de thyristor-dual
disjoncteur : l’onduleur et le redresseur à disjonction.
Nous nous intéressons ensuite aux propriétés de cet interrupteur, avec un éclairage
particulier sur la maîtrise du courant de disjonction en fonction des différents paramètres
extérieurs.
Enfin, nous présentons la réalisation d’un micro-disjoncteur conçu au LAAS, ainsi
qu’une étude sur la mise en parallèle de disjoncteurs électroniques.
II.1. PRINCIPE DU THYRISTOR-DUAL DISJONCTEUR
Le thyristor-dual disjoncteur est un thyristor-dual dont le blocage commandé a été
remplacé par un auto-blocage par surcourant. Le symbole de l’interrupteur ainsi que sa
caractéristique sont donnés à la Figure II-1. Le trait pointillé entre la diode et le transistor
représente l’amorçage spontané de ce dernier sous zéro de tension lorsque la diode se met à
Le thyristor-dual disjoncteur
conduire. Le composant s’amorce de manière naturelle par mise en conduction de la diode.
Durant sa conduction, le transistor est amorcé, le rendant potentiellement passant. C’est le
circuit extérieur qui impose alors le changement de signe du courant. A ce moment, le courant
transite de la diode au transistor sous tension nulle.
LE THYRISTOR-DUAL DISJONCTEUR
Le thyristor-dual est un composant qui a été développé à Toulouse afin d’être le
pendant du thyristor comme son nom l’indique. Il associe un amorçage au zéro de la tension à
un blocage commandé. Il allie de nombreux avantages : c’est un composant réversible en
courant donc constitué de seulement trois couches donnant un composant rapide. Il bénéficie
du préconditionnement du transistor par les charges stockées dans la diode lors de sa
conduction. Il permet également d’envisager une intégration fonctionnelle à court terme.
Enfin, c’est un composant qui permet une bonne sûreté de fonctionnement du convertisseur
dans lequel il est monté.
Pour toutes ces raisons, nous l’avons choisi comme base de développement pour notre
premier interrupteur incluant une commutation automatique : le thyristor-dual disjoncteur.
Nous l’avons synthétisé en discret afin de l’étudier dans le cadre la conversion statique. Ce
chapitre a pour but de présenter ce composant ainsi que sa réalisation.
Nous présentons par la suite les deux cellules élémentaires à base de thyristor-dual
disjoncteur : l’onduleur et le redresseur à disjonction.
Nous nous intéressons ensuite aux propriétés de cet interrupteur, avec un éclairage
particulier sur la maîtrise du courant de disjonction en fonction des différents paramètres
extérieurs.
Enfin, nous présentons la réalisation d’un micro-disjoncteur conçu au LAAS, ainsi
qu’une étude sur la mise en parallèle de disjoncteurs électroniques.
II.1. PRINCIPE DU THYRISTOR-DUAL DISJONCTEUR
Le thyristor-dual disjoncteur est un thyristor-dual dont le blocage commandé a été
remplacé par un auto-blocage par surcourant. Le symbole de l’interrupteur ainsi que sa
caractéristique sont donnés à la Figure II-1. Le trait pointillé entre la diode et le transistor
représente l’amorçage spontané de ce dernier sous zéro de tension lorsque la diode se met à
Le thyristor-dual disjoncteur
conduire. Le composant s’amorce de manière naturelle par mise en conduction de la diode.
Durant sa conduction, le transistor est amorcé, le rendant potentiellement passant. C’est le
circuit extérieur qui impose alors le changement de signe du courant. A ce moment, le courant
transite de la diode au transistor sous tension nulle.
