1- Le thyristor 

 Symbole 

 Propriétés électriques 

    L'état conducteur ou bloqué est en général déterminé par une électronique de commande référencée à la cathode.

 Fonctionnement 

• Si Vak < 0, le thyristor est bloqué et I=0 (zone 1)
• Si Vak > 0 sans courant préalable dans la gâchette, le thyristor est bloqué (zone 2)
• Si Vak > 0 et qu'un courant Ig apparaît (environ 100mA), la tension Vak s'effondre et le thyristor s'amorce (passage spontané de la zone 2 à la zone 3). Ensuite si I > Ih, le courant de gâchette Ig peut s'annuler, la conduction entre anode et cathode persiste. Quand I < Ih, le thyristor se bloque (passage en zone 1 ou 2).
  

 Le thyristor peut s'amorcer dans plusieurs cas 

• Si Vak > 0 et Vak = Vrrm avec Ig = 0 le thyristor s'amorce spontanément.
• Si Vak > 0 et dvak/dt > (dvak/dt)maxi donné par le constructeur, le thyristor s'amorce spontanément.
• Si Vak > 0 et Ig > 100mA, le thyristor s'amorce spontanément. C'est le fonctionnement normal pour l'utilisateur car il peut maîtriser l'amorçage par une commande électronique.

 Condition de blocage d'un thyristor 

    Si I < Ih le thyristor se bloque mais il faut appliquer une tension Vak négative pendant le temps de recouvrement (tq) du thyristor pour que Vak puisse redevenir positive sans provoquer la remise en conduction. Pendant tq le thyristor peut conduire en inverse.

 Limites électriques 

L'application de Vak < Vrrm détruit le composant.
En conduction le thyristor dissipe une puissance qui tend à élever la température de jonction. A partir de 180°C le thyristor est détruit.
A l'amorçage si le di/dt et excessif, le thyristor est détruit.

 Ordre de grandeur des paramètres pour les thyristors du commerce 

Vrrm = Vak de 50V à 2000V
I de 100mA à 2000A
Courant de gâchette permettant l'amorçage de 10mA pour les thyristors sensibles à 500mA pour les thyristors standards.
(dvak/dt) maxi = 100V/µs
(di/dt) maxi = 100A/µs
Le temps de recouvrement tq = 100µs pour les thyristors de redressement à 2µs pour les thyristors ultra-rapides.

 2- Redressement commandé mono-alternance 

Hypothèses : thyristor parfait (vak = 0 en conduction, ih = 0)
u = vak + v
v = E + Ldi/dt

L'amorçage ne peut se produire que si u >E
Si vak > 0 et ig = 10mA le thyristor s'amorce et Umsinwt = E + Ldi/dt
De 0 à j le thyristor est bloqué et i = 0, u = E
A j , vak > 0 (car u > E), l'impulsion sur la gâchette amorce le thyristor
Umsinwt = E+Ldi/dt et i augmente.
Il faut que l'impulsion de commande persiste jusqu'à ce que i > ih
Quand i = 0 le thyristor se bloque et u = E
A + le thyristor ne s'amorce pas malgré l'impulsion de commande car vak < 0
La commande de l'angle permet de régler la tension moyenne appliquée sur la charge.

 3- Redresseur commandé à deux sources 

 Hypothèses 

• thyristors parfaits (vak = 0 en conduction, ih = 0)
• L'inductance L est forte, l'ondulation du courant i est négligeable : i = I0
• La conduction est continue et le régime est établi

 Équations du circuit 

2u = vak1 - vak2
u = vak1 + v
u = -vak2 - v
i = i1 + i2
v = E + Ldi/dt

 Justification des tracés 

Soit à wt=0 T2 conducteur. Alors v = -u, i2 = I0, vak2 = 0, vak1 = 2u 
A wt = , vak1 > 0 avec une impulsion sur sa gâchette T1 s'amorce. Alors T1 et T2 conduisent simultanément et court-circuitent les sources u. Mais le courant de court-circuit tend à bloquer T2.
De à ( + ), T1 est conducteur et T2 est bloqué. Donc v = -u, i1 = I0, i2 = 0, vak1 = 0, vak2 = -2u
A wt = ( + ), vak2 > 0 avec une impulsion sur sa gâchette, T2 s'amorce. Alors T1 et T2 conduisent simultanément et court-circuitent les sources u. Mais le courant de court-circuit tend à bloquer T1. Etc....

 Observations 

• Le courant appelé sur les sources sinusoïdales u a une forme d'onde carrée.
  
• Tension moyenne en sortie
  
  <v> = (2Um/)cos
   
• Réversibilité du convertisseur :
  • si 0 < < /2, <v> >0 et la puissance sur la charge est positive. La puissance transite des sources u vers la source E de la charge. La structure fonctionne en redresseur.
  • si /2 < < , <v> <0 et la puissance sur la charge est négative. La puissance transite de la source E de la charge vers les sources u. La structure fonctionne en onduleur assisté.
  • le montage est réversible deux quadrants.
    
• Limite du fonctionnement en onduleur : Cas où tend vers

• 
• Les impulsions sont appliquées sur les thyristors à   , + , 2 + , 3 + , ....., mais par exemple à partir de 2 + la tension vak2 est insuffisante pour amorcer T2. Alors T1 demeure conducteur. La tension de sortie v devient sinusoïdale ! C'est la perte de contrôle de l'onduleur. Il s'en suit une brutale augmentation du courant i et la destruction d'un élément. En effet <v> passe d'une valeur proche de -2Um/ à zéro donc di/dt augmente et le courant i croît. Pour éviter ce risque de perte de contrôle il faut créer une butée électronique dans l'élaboration des impulsions de commande et faire varier de 0 à 5/6 par exemple.
  
• Condition d'amorçage au démarrage et en conduction discontinue : Pour pouvoir amorcer les thyristors quand i = 0 il faut que vak soit positif et donc que E soit inférieur à u = Um sin
  L'application d'un train d'impulsions (tel que ci-dessous) au lieu d'une seule permet de résoudre ce problème.
  
  

• En conduction discontinue les formes d'ondes deviennent :

• Remarques à propos de la conduction discontinue :
  En régime établi <Ldi/dt> = 0, donc E = <v>. Plus l'angle de conduction est faible, plus la valeur de E et de <v> s'élèvent. Avec Um > <v> > (2Um/)cos  l'impulsion de commande ne produit l'amorçage que si Um cos > E
  
  
• Caractéristiques électriques en sortie du redresseur :
  
  
  
• Pour un courant moyen plus faible que Im, la conduction est interrompue. La tension de sortie ne dépend plus de la seule variable de commande . Dans un système asservi ceci pose souvent des problèmes d'instabilité. On peut réduire Im en augmentant l'inductance de la charge L.

 4- Redresseur commandé en pont de Graëtz tout thyristor 

 Hypothèses 

• Thyristors parfaits (vak = 0 en conduction, ih = 0)
• L'inductance L est forte, l'ondulation du courant i est négligeable : i = I0
• La conduction est continue et le régime est établi.
  
  

 Équations du circuit 

Is = i1 - i3 = i4 - i2
u = v1 - v2 = v4 - v3
v = -v1 - v3 = -v2 - v4
i = i1 + i2 = i3 + i4
v = E + Ldi/dt

 Justification des tracés 

Soit à wt=0 T2 et T3 conducteurs. Alors v = -u, i2 = I3 = I0, v2 = v3 = 0, v1 = v4 = u 
A wt = , v1 et v4 > 0 avec une impulsion sur leur gâchette T1 et T4 s'amorcent. Alors T1, T4 et T2, T3 conduisent simultanément et court-circuitent la source u. Mais le courant de court-circuit tend à bloquer T2 et T3.
De à ( + ), T1 T4 sont conducteurs et T2 T3 sont bloqués. 
Donc v = -u, i1 = i4 = I0, i2 = 0 i3 = 0, v1 = v4 = 0, v2 = v3 = -u
A wt = ( + ), v2 et v3 > 0 avec une impulsion sur leur gâchette T2 et T3 s'amorcent. Alors T1, T3 et T2, T4 conduisent simultanément et court-circuitent la source u. Mais le courant de court-circuit tend à bloquer T1 et T4. Etc....

 Observations 

• Le courant appelé sur la source sinusoïdale u a une forme d'onde carrée de valeur moyenne nulle.
  
• Tension moyenne en sortie <v> = (2Um/)cos
  
• Réversibilité du convertisseur :
  • si 0 < < /2, <v> >0 et la puissance sur la charge est positive. La puissance transite de la source u vers la source E de la charge. La structure fonctionne en redresseur.
  • si /2 < < , <v> <0 et la puissance sur la charge est négative. La puissance transite de la source E de la charge vers la source u. La structure fonctionne en onduleur assisté.
  • le montage est réversible deux quadrants.

• Limite du fonctionnement en onduleur : Cas où tend vers

• Les impulsions sont appliquées sur les thyristors à , + , 2 + , 3 + , ....., mais par exemple à partir de 2 +  les tensions v2 et v3 sont insuffisantes pour amorcer T2 et T3. Alors T1 et T4 demeurent conducteurs. La tension de sortie v devient sinusoïdale ! C'est la perte de contrôle de l'onduleur. Il s'en suit une brutale augmentation du courant i et la destruction d'un élément. En effet <v> passe d'une valeur proche de -2Um/ à zéro donc di/dt augmente et le courant i croît. Pour éviter ce risque de perte de contrôle il faut créer une butée électronique dans l'élaboration des impulsions de commande et faire varier de 0 à 5/6 par exemple.
  
• Condition d'amorçage au démarrage et en conduction discontinue : Pour pouvoir amorcer les thyristors quand i = 0 il faut que vak soit positif et donc que E soit inférieur à u = Um sin. L'application d'un train d'impulsions (tel que ci-dessous) au lieu d'une seule permet de résoudre ce problème.

• En conduction discontinue les formes d'ondes deviennent :
  
  
• Remarques à propos de la conduction discontinue :
  En régime établi <Ldi/dt> = 0, donc E = <v>. Plus l'angle de conduction est faible, plus la valeur de E et de <v> s'élèvent. Avec Um > <v> > (2Um/)cos. L'impulsion de commande ne produit l'amorçage que si Um cos > E.
  
  
• Caractéristiques électriques en sortie du redresseur :

  

• Pour un courant moyen plus faible que Im, la conduction est interrompue. La tension de sortie ne dépend plus de la seule variable de commande . Dans un système asservi ceci pose souvent des problèmes d'instabilité. On peut réduire Im en augmentant l'inductance de la charge L.
  
  
• Comparaison du redresseur à deux sources et du montage en pont : L'avantage du redresseur à deux sources est d'engendrer deux fois moins de pertes en conduction que le montage en pont (un seul seuil au lieu de deux). Mais il faut un transformateur à deux enroulements secondaires pour créer les deux sources u. Lorsque la tension redressée est très basse le redresseur à deux sources est donc très intéressant. Exemple alimentation pour cuves à électrolyse où il faut 10V et 10000A ! Dans le cas de tensions élevées, ce qui est très fréquent, le pont est très utilisé. En particulier quand un transformateur n'est pas indispensable.

 5- Pertes dans les redresseurs 

Un thyristor en conduction se modélise comme une diode :

Les pertes dans le composant s'expriment :
P = (1/T) ƒ₀^T v.i.dt = V0.<i> + r.Ieff²
Dès que les pertes par composant dépasse 1 Watt un refroidisseur est nécessaire.
Ce refroidisseur est caractérisé par sa résistance thermique Rth exprimée en W/°C.
Par exemple si P = 10W, une ambiance à 85°C et une limite à 180°C pour la jonction, on prendra une marge de 35°C et le radiateur sera de Rth < (180-35-85)/10 soit Rth < 6°C/W.

 6- Protection des redresseurs contre les surintensités 

    Examinons sur un exemple les pertes dans un composant en cas de forte surintensité. Soit un thyristor donné pour un courant moyen de 10A avec V0 = 0,8V et r = 0,1 qui est soumis pendant un court instant à un courant de 100A.
Les pertes sont P = 0,8. 100 + 0,1.100.100 = 80 + 1000 Watts.
C'est le terme r.Ieff ² qui est prépondérant.
Le composant qui subit ce choc thermique ne peut pas évacuer ses calories vers le radiateur si le phénomène est bref (moins d'une milli-seconde). La température qj de la jonction va donc s'élever en fonction de sa masse m, de sa chaleur massique c et de l'énergie dissipée dans cette jonction. Si la durée du défaut est s, la température de la jonction s'élève de Dqj = (P.s )/(m.c). Le constructeur connait les paramètres r,m,c ,Dqjmaxi, il fournit donc un paramètre qui fait la synthèse des précédents. C'est la contrainte thermique maximale que peut supporter le composant sans se détruire. Cette contrainte thermique maximale est notée " Ieff²t maxi "et évaluée pour une température de jonction initiale de 110°C.
On peut observer qu'un fusible se détruit dans les mêmes conditions. Pour choisir le fusible capable de protéger les composants du redresseur, il suffit de prendre des fusibles dotés d'une contrainte thermique supérieure à celle des composants à protéger et d'un courant nominal compatible. Seuls les fusibles à fusion ultra rapide conviennent.

 7- Protection des redresseurs commandés contre les dv/dt 

Les condensateurs permettent de réduire le dv/dt sur les thyristors et les résistances limitent le courant de décharge de ces condensateurs dans les thyristors à l'amorçage.

 8- Association de redresseurs pour une réversibilité 4 quadrants 

    Deux redresseurs tout thyristor tête bêche apportent une réversibilité 4 quadrants. Mais il existe deux solutions pour commander les ponts :

 Logique d'inversion 

    Quand un pont est actif l'autre n'est pas commandé. Pour changer le pont actif, la commande impose l'annulation du courant dans la charge puis lorsque le capteur de courant de charge décèle une valeur très faible, la commande des deux ponts est stoppée pendant environ 30ms pour garantir le blocage complet des thyristors amorcés. Après cette temporisation l'autre pont reçoit ses impulsions.

 Circulation de courant 

    Les deux ponts sont pilotés en permanence de telle sorte que la tension qu'ils délivrent soient les mêmes en valeur moyenne mais de signe contraire.
Le pont 1 est commandé avec 1 et le pont 2 avec 2 = - 1
Cependant les tensions instantanées fournies par les deux ponts sont différentes, les inductances l limitent le courant de circulation entre les ponts. 

    La structure à circulation de courant est plus onéreuse mais elle permet une inversion du courant dans la charge plus rapide et sans discontinuité.

 

 9- Redresseur commandé en pont de Graëtz mixte 

 Hypothèses 

• Thyristors parfaits (vak = 0 en conduction, ih = 0)
• Les diodes sont idéales.
• L'inductance L est forte, l'ondulation du courant i est négligeable. i = I0
• La conduction est continue et le régime est établi.

 

 Équations du circuit 

Is = i1 - id1 = id2 - i2
u = v1 - vd1 = vd2 - v2
v = -v1 - v2 = -vd1 - vd2
i = i1 + id1 = i2 + id2
v = E + Ldi/dt

 Justification des tracés 

Soit à wt=0 D1 et D2 conductrices. Alors v = 0, id1 = id2 = I0, vd1 = vd2 = 0, v1 = v2 = u
A wt = , v1 >0 avec une impulsion sur sa gâchette T1 s'amorce. Alors T1 et D1 conduisent simultanément et court-circuitent la source u. Mais le courant de court-circuit tend à bloquer D1.
De à , T1 et D2 sont conducteurs et T2 D1 sont bloqués. Donc v = u, i1 = id2 = I0, i2 = id1 = 0, v1 = vd2 = 0 , v2 = vd1 = -u
A , la tension u change de signe et les diodes D1 et D2 conduisent. Alors T1 et D1 conduisent simultanément et court-circuitent la source u. Mais le courant de court-circuit tend à bloquer T1.
De à + , il y a roue libre par D1 et D2. Donc Vd1= vd2= v = 0, id1= id2 =I0, i1= i2= is =0.
A wt = ( +), v2 > 0 avec une impulsion sur sa gâchette T2 s'amorce. Alors T2 et D2 conduisent simultanément et court-circuitent la source u. Mais le courant de court-circuit tend à bloquer D2. Etc....

 Observations 

• Tension moyenne en sortie <v> = (2Um/)(1+cos)
• Réversibilité du convertisseur : Quelque soit , <v> >0 et la puissance sur la charge est positive. La puissance transite de la source u vers la source E de la charge. La structure fonctionne toujours en redresseur. Le montage est non réversible.
• Il n'y a pas de risque de perte de contrôle si tend vers
• Le courant efficace dans la source u est d'autant plus faible que la tension redressée est faible. C'est un avantage sur le pont tout thyristor dans l'exploitation de la source et de la ligne.
  

Exercices