De la gestion des contraintes de commutation à la commutation douce

Une des conclusions fondamentales de l'étude d'une cellule de commutation composée de deux interrupteurs, deux sources et d'aucun élément réactif est que le point de fonctionnement de l'interrupteur commandé doit traverser une zone du plan (v _K  , i _K ) en passant par le point (V, I) correspondant à une puissance instantanée très importante pendant la durée de la commutation (cf. [D 3 076], § 2). Afin de limiter les pertes correspondant à ce trajet dans la zone dissipative appelées pertes par commutation, il est important de réaliser cette commutation le plus rapidement possible. La vitesse de commutation dépend notamment des caractéristiques des semi-conducteurs et de la manière dont ils sont commandés, et l'amélioration de cette caractéristique constitue un des objectifs principaux de l'évolution technologique des semi-conducteurs. Il faut cependant noter que l'augmentation des dV/ dt et d I/ dt conduit respectivement à une augmentation des courants induits dans les capacités parasites et des tensions induites dans les mailles des circuits environnants créant ainsi un certain nombre d'interactions généralement indésirables regroupées sous le terme générique de compatibilité électro-magnétique (CEM). Par conséquent, même si l'augmentation des vitesses de commutation constitue un moyen de réduire les pertes par commutation, il serait dangereux d'aller trop loin dans cette voie. Cela est d'autant plus vrai que les commutations rapides accentuent les phénomènes résultant des imperfections des composants (courant de recouvrement des diodes en particulier) susceptibles d'entraîner des pertes supplémentaires et d'exciter des modes oscillatoires rapides. D'autres moyens de réduire les pertes par commutation dans les semi-conducteurs ont ainsi été envisagés.

• Les circuits d'aide à la commutation ne réduisent d'ailleurs pas véritablement les pertes par commutation mais les transfèrent vers des éléments auxiliaires. Ces circuits étaient pratiquement indispensables lorsque les semi-conducteurs de puissance avaient de médiocres performances en commutation, mais aujourd'hui, compte tenu des progrès fulgurants des semi-conducteurs modernes (IGBT notamment), leur usage est quasiment réservé aux applications de très forte puissance (> 1 MW) utilisant des semi-conducteurs de type IGCT.

• Les circuits d'aide à la commutation ont par ailleurs permis d'imaginer le concept de commutation douce qui consiste à modifier légèrement la cellule de commutation afin de réduire les pertes par commutation dans l'interrupteur mais sans les transférer vers des éléments auxiliaires.

• Notons enfin qu'il existe un autre moyen de réduire les contraintes de la cellule de commutation traditionnelle, à savoir la conversion multiniveau. Cette technique consiste à commuter seulement une fraction de la tension ou du courant, ce qui permet de réduire l'énergie dissipée à chaque commutation, d'utiliser des interrupteurs de plus petit calibre qui sont donc plus performants et enfin de réduire la fréquence de commutation sans augmenter l'ondulation résiduelle au niveau des filtres.