Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
L’électronique de puissance fait référence aussi bien à l’électrotechnique (pour la commande de moteur) qu’à l’ensemble des concepts, techniques et méthodologies relatifs à la conversion statique de l’électricité pour des applications où la gestion fine de l’électricité est nécessaire (systèmes embarqués). L’électronique de puissance s’étend de la très basse puissance liée à la récupération d’énergie (µW) jusqu’aux flux très importants d’électricité des réseaux (GW) et englobe des signaux allant du continu à quelques hertz (réseaux électriques) à plusieurs gigahertz (bruit électromagnétique rayonné). Ce vaste domaine scientifique et technique est inscrit au cœur de des enjeux sociétaux sur la transition énergétique et la société numérique. Cet article en introduit la structure, l’étendu et propose un guide de lecture des autres articles de la collection.
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Power electronics underpins many different technical areas: not only electrical technology e.g. motor control, but also power supply, i.e. the static conversion of voltage in applications where the fine control of electrical consumption is needed, e.g. onboard systems. Power electronics covers a broad power range: from µW in ultra-low power applications such as energy harvesting, up to GW for electricity in grids. Frequencies range from a few Hz in low-frequency components in electrical grids, to kHz and MHz in power converters and GHz in electro-magnetic interference. Power electronics is a broad, perpetually evolving domain, at the heart of societal challenges in energy transition and IT. This introductory article outlines its structure and scope, and gives a reading guide.
Auteur(s)
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Bruno ALLARD : Maître de conférences à l’INSA de Lyon, Département de Génie Électrique - Chercheur au laboratoire Ampère (UMR CNRS 5005)
INTRODUCTION
L’Électronique de Puissance est une discipline scientifique et technique – statut acquis depuis les années 1980-, discipline vaste de connaissances et de technologies.
La réussite d’un convertisseur de puissance, en tant que produit industriel, repose sur la maîtrise de nombreux phénomènes physiques, dans plusieurs domaines. Pour autant, il serait délicat d’avancer une définition précise des concepts, technologies et techniques que recouvre l’acronyme « électronique de puissance ». Cette discipline soutient la réalisation de fonctions essentielles au sein de systèmes, dont le grand public ne voit en fin de compte que la finalité. Chaque voyageur se doute qu’un TGV est muni de moteurs électriques ; il ne soupçonne pas la place de l’électronique de puissance dans ce « produit ». L’électronique de puissance alimente en énergie les fonctions d’un système « électronique », quel qu’il soit. L’image que le public a de la discipline « électronique de puissance » est à l’égale de l’importance de cette discipline dans un système : tout en discrétion.
À l’heure où le pétrole se raréfie et que la conscience écologique promeut des énergies propres, l’électronique de puissance est propulsée au premier plan. L’industrie de l’électronique de puissance est contrainte de produire plus de convertisseurs, avec des performances accrues et pour un coût de plus en plus réduit. Ces performances vont dans le sens d’un meilleur rendement et d’une puissance massique augmentée. Toujours la discrétion...
L’électronique de puissance s’apparente à l’électrotechnique, et renvoie à de grosses installations. Mais sans électronique de puissance en termes de techniques et de concepts, les produits nomades (ordinateurs, lecteurs...) n’auraient pas connus le développement que l’on sait. À toute petite échelle, l’électronique de puissance s’appelle la « gestion de l’énergie ». C’est finalement le but premier de tout convertisseur. C’est l’électronique qui s’est emparée des concepts de l’électronique de puissance, ou bien l’électronique de puissance, en tant que discipline, qui s’intéresse à des produits de toute petite puissance (moins du Watt) comme à ceux mettant en jeu des puissances colossales (plusieurs mégaWatt). Mise à part la technologie, l’alimentation d’un processeur (100 W) ou le convertisseur connecté à une génératrice d’éolienne (400 kW) partagent un très grand nombre d’aspects, et les ingénieurs qui les ont respectivement conçus, se sont battus avec les mêmes phénomènes physiques et ont tenté de trouver la meilleure réponse aux mêmes compromis (masse, rendement, refroidissement, fiabilité, susceptibilité électromagnétique...).
La rubrique « électronique de puissance » présente une discipline, vouée à la conversion de l’énergie, c’est-à-dire le moyen de fournir précisément à une charge l’énergie électrique dont elle a besoin, quant elle en a besoin, et ce à partir d’une ou plusieurs sources primaires d’énergie. La rubrique a l’ambition de consigner les connaissances nécessaires à la compréhension des phénomènes mis en jeux.
L’Électronique de Puissance évolue très vite, et par sauts technologiques. Aussi, le rôle de la rubrique est également d’offrir un exposé concis des applications technologiques les plus pertinentes pour tous les aspects d’un système de puissance. Enfin, les Techniques de l’Ingénieur ont la mission de faire évoluer l’édition de la rubrique pour refléter l’Électronique de Puissance de demain : la course à l’intégration pour les petites ou moyennes puissances, ou bien le prélèvement direct de l’énergie sur un réseau, pour les sources de très haute tension, par exemple.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
semiconductor | conversion architecture
VERSIONS
- Version courante de févr. 2016 par Bruno ALLARD
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Une rubrique vivante4. Une discipline scientifique et technique très vaste
La figure 11 illustre les phénomènes physiques qui inquiètent l’ingénieur qui s’attèle à la variation de vitesse d’un moteur électrique. Ces phénomènes sont placés en fonction des constantes de temps qu’ils engendrent. Ainsi, c’est une gageure de rappeler le triptyque d’interactions entre les commutations des composants à semi-conducteur, leurs pertes joules et la compatibilité électromagnétique CEM. Commuter vite est polluant car les formes d’ondes, images des sources d’émission électromagnétique, comportent des fronts raides et des oscillations à très haute fréquence. Mais commuter moins vite engendre des pertes joules et c’est de la chaleur qu’il faut extraire, la fiabilité des composants à semi-conducteur est atteinte et le système de refroidissement coûte plus cher. Ce refroidissement oblige à écarter les composants et ce sont des problèmes de connectique qui surgissent dont l’influence sur la compatibilité électromagnétique est grande.
Pour aborder globalement la conception d’un convertisseur, l’ingénieur doit posséder de vastes connaissances sur les plans scientifique et technologique. La figure 12 illustre quelques-unes de ces connaissances scientifiques. Dans le choix des composants du convertisseur, l’ingénieur fera face à plusieurs technologies possibles pour chaque composant (par exemple condensateur chimique, plastique, en céramique, en polyéthylène...). Or la technologie n’est pas anodine puisqu’elle est développée pour optimiser en qualité et en coût, un composant pour une fonction donnée. Choisir une mauvaise technologie pour un composant avec une fonction donnée peut ruiner les efforts d’élaboration de l’architecture du convertisseur, ou rendre impossible l’optimisation du convertisseur vis-à-vis des critères de spécification du client !
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - OWEN (E.L.), MORAK (M.M.), HERSKIND (C.C.), GRIMES (A.S.) - AC adjustable speed drives with electronic power converters – the early days - . IEEE Transactions on Industrial Applications, vol. IA-20, pp. 854-861, 1982.
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(5) - PELLY (B.R.) - Power semiconductor devices : a status review - . International Semiconductor Power Converters Conference, pp. 1-19, 1982.
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