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IGBT dans les ASI

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IGBT dans les ASI Powered By Docstoc
					                                Utilisation des IGBT
                                dans les ASI




LE SAVOIR -FAIRE MERLIN GERIN
Utilisation des IGBT dans les ASI



                    Auteur : Jean-Noël FIORINA


                    Sommaire

                    1. abstract ............................................................................................................................3

                    2. pour chaque gamme, des schémas adaptés.................................................4
                    n introduction.........................................................................................................................4
                    n les fonctions essentielles utilisées dans les ASI ..........................................................4
                    n les principaux schémas ....................................................................................................5



                    3. les semi-conducteurs utilisés dans les différentes fonctions ..............6
                    n le thyristor...........................................................................................................................6
                    n le GTO (Gate Turn Off Thyristor)....................................................................................6
                    n le transistor MOS (Metal Oxyde Semiconductor).........................................................6
                    n le transistor bipolaire.........................................................................................................6
                    n l'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)....................................................................6



                    4. bipolaires / IGBT .........................................................................................................8
                    n la commande......................................................................................................................8
                    n les caractéristiques en commutation..............................................................................8
                    n la fiabilité.............................................................................................................................9



                    5. quelques détails sur les fonctions essentielles des ASI .......................10
                    n le redresseur....................................................................................................................10
                    n élément spécifique d'une ASI performante : le mutateur PWM...............................10
                    n la régulation......................................................................................................................11
                    n le convertisseur élévateur..............................................................................................11



                    6. impact de la fréquence de découpage des mutateurs sur les
                    performances des ASI .................................................................................................12
                    n les pertes ..........................................................................................................................12
                    n importance du rendement..............................................................................................13
                    n comportement des ASI sur les charges non-linéaires...............................................12
                    n le bruit acoustique...........................................................................................................14
                    n exemple de schéma moyenne puissance (Comet) ...................................................15
                    n exemple de schéma forte puissance (Galaxy) ...........................................................15



                    7. le développement et la veille technologique chez
                    MGE UPS SYSTEMS .....................................................................................................16



                    8. conclusions......................................................................................................................17




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1. abstract



                  Le marché des ASI est soumis à une forte pression concurrentielle, conduisant à
                  des exigences croissantes en matière de performance et de fiabilité. Ce niveau
                  d’exigence de plus en plus élevé impose l’utilisation de composants eux même
                  toujours plus fiables et performants.

                  De ce point de vue, l’IGBT constitue aujourd’hui un dispositif de premier choix dans
                  les ASI de moyenne et de forte puissance.
                  Le présent article propose une analyse comparative des differents semi
                  conducteurs, et de leur domaine d’utilisation. Grace à la simplicité de sa commande,
                  à ses caractéristiques en commutation et à sa fiabilité, l’IGBT est le meilleur choix
                  pour les ASI de moyenne et forte puissance.
                  Il apporte une amélioration significative des performances des ASI, et plus
                  particilèrement : une augmentation du rendement, une diminution du niveau de bruit,
                  une réduction d’encombrement et de poids.




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2. pour chaque gamme, des schémas adaptés



introduction                 La gamme d’ASI de MGE UPS SYSTEMS s'étend de 150 VA à 800 kVA et couvre
                             un champ d'applications principalement orienté vers l'alimentation de sites
                             informatique mais aussi
                             les télécommunications, les process industriels, le domaine médical et militaire.
                             Les exigences croissantes de performances et de fiabilité imposent l'utilisation
                             de composants eux-mêmes toujours plus fiables et performants. De ce point
                             de vue, l'IGBT constitue aujourd'hui un dispositif de premier choix dans les ASI
                             de moyenne et forte puissance triphasées (220 à 460 V). Les améliorations
                             apportées par les IGBT dans les ASI sont l'objet de cet exposé.




                             Nous donnons ci-après une description sommaire des différentes fonctions utilisées
                             dans les ASI ; certaines seront décrites plus en détail dans les paragraphes
                             qui suivent :
                             n le redresseur : A partir du réseau, il fournit une tension continue qui sera utilisée
                             pour alimenter la batterie et le mutateur ;
                             n le chargeur : Il maintient la batterie en charge ;
                             n le mutateur : Il fournit, à partir de la tension continue du redresseur-chargeur
                             une tension alternative régulée en tension et en fréquence. Il découpe la tension
                             continue en impulsions modulées en largeur de façon à fournir après filtrage,
                             la tension sinusoïdale exigée en sortie ;
                             n le transformateur : Le mutateur ne peut fournir qu'une tension crête à crête 20 %
                             inférieure à sa tension d'alimentation. Le transformateur permet de retrouver
                             en sortie la tension souhaitable ;
                             n le convertisseur élévateur : Il permet de générer une tension continue plus
les fonctions essentielles   élevée que celle fournie par le redresseur ou la batterie. Il est ainsi possible
                             de produire une tension de sortie égale ou supérieure à celle de l'entrée sans utiliser
utilisées dans les ASI       de transformateur. Cette option est intéressante si le poids
                             et l'encombrement sont des objectifs prioritaires ;
                             n le filtre : Il est destiné à éliminer les harmoniques de rang supérieur, ce que
                             la régulation du mutateur ne saurait faire sans utiliser des fréquences
                             de découpage élevées et sacrifier ainsi le rendement de l'ASI ;
                             n le contacteur statique : Si les exigences de l'utilisation dépassent
                             les possibilités de l'ASI, le contacteur statique bascule automatiquement, sans
                             coupure, l'utilisation sur le réseau d'entrée. Ceci n'est pas valable si l'ASI fonctionne
                             en convertisseur de fréquence.




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2. pour chaque gamme, des schémas adaptés                                       (suite)




les principaux schémas   n solution classique, jusqu'aux plus fortes puissances




                         n schémas permettant une réduction du poids et de l'encombrement
                         sans transformateur




                         On utilise un convertisseur élévateur de tension (décrit plus loin) qui compense
                         les pertes dans les semi-conducteurs et permet d'obtenir des tensions de sortie
                         de 240 V avec une tension d'entrée de 220 V.


                         avec transformateur H.F.




                         Ce schéma utilise un transformateur de puissance en haute fréquence (H.F.)
                         afin de diminuer le poids du transformateur.




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3. les semi-conducteurs utilisés dans les différentes
fonctions


                           Quelques composants utilisés en commutation de puissance.


le thyristor               Réalisé pour des tensions jusqu'à 6000 V, des courants de plusieurs milliers
                           d'ampères et une chute de tension directe d'environ 1,5 V, son amorçage
                           ne nécessite qu'une faible impulsion de courant mais le blocage exige par contre
                           d'annuler, par dérivation dans un circuit auxiliaire, la totalité du courant anodique ;
                           un tel dispositif est encombrant et coûteux. Le thyristor est toutefois un composant
                           fiable et économique à l'achat.



le GTO (Gate Turn Off      On peut l'assimiler à un thyristor équipé d'une commande de blocage dont le gain
Thyristor)                 est cependant très faible. La gamme de puissance est équivalente à celle
                           du thyristor mais c'est un composant relativement cher qui trouve la majorité
                           de ses applications dans la commande des moteurs de traction.


le transistor MOS (Metal   Séduisant par sa commande en tension et par ses temps de commutation inférieurs
Oxyde Semiconductor)       à 100 ns, ce transistor présente cependant l'inconvénient d'une chute de tension
                           directe relativement importante par rapport à ses concurrents. Sa limite se situe vers
                           50 A et 500 V.



le transistor bipolaire    Ce dispositif, sans doute le plus ancien, n'a vu sa montée en puissance que vers
                           1985 avec des modules Darlington triples (3 transistors en cascade) de 300 A
                           1000 V et un gain d'environ 100. Malgré ce gain, la commande en courant
                           aux fortes puissances reste pénalisante. Aux fortes puissances, les temps
                           de commutation se situent environ à 1,5 µs et la chute de tension directe à 1,5 V.


l'IGBT (Insulated Gate     Du point de vue de l'utilisateur, on peut décrire sommairement l'IGBT comme
Bipolar Transistor)        un transistor bipolaire contrôlé par un transistor MOS qui apporte l'avantage
                           d'une commande en tension et des temps de commutation très courts (300 ns) pour
                           des niveaux de puissance similaires à ceux du bipolaire. Son principal inconvénient
                           est sa chute de tension directe de l'ordre de 3 V pour des dispositifs de 1200 V.

                           Le graphe de la figure 01 situe chacun des composants évoqués dans un contexte
                           puissance/fréquence de travail.

                           1990                                          2000




                           Fig. 01 : domaine d’utilisation des composants




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3. les semi-conducteurs utilisés dans les différentes
fonctions


                     La figure 02 montre les caractéristiques majeures en commutation
                     des semi-conducteurs utilisés dans les ASI : la tension de saturation à l'état passant
                     VCEsat et les temps de commutation Ton et Toff. Le dispositif idéal possède
                     bien sûr, des VCEsat, Ton, Toff nuls.




                     Fig. 02 : caracteristiques en commutation



                     La figure 03 montre, pour les deux paramètres principaux, la position relative
                     des divers dispositifs utilisés actuellement en commutation de puissance.

                     Malgré leur faible tension de saturation, les thyristors sont progressivement
                     abandonnés à cause de la difficulté de les faire passer de l'état ON à l'état OFF.

                     Nous consacrerons donc la suite de cet exposé à l'étude comparative
                     des transistors bipolaires et des IGBT.




                     Fig. 03 : position relative des composants de puissance




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4. bipolaires / IGBT



                       Nous comparons ci-après deux transistors de 300 A, 1000 V pour le bipolaire
                       et 1200 V pour l'IGBT sur les points suivants:
                       n la commande ;
                       n les caractéristiques en commutation ;
                       n la fiabilité.



la commande            Rappelons que l'IGBT possède une commande en tension ; Il s'en suit que
                       la puissance nécessaire pour le commander s'en trouve considérablement réduite,
                       comme le montre la figure 04.




                       Fig. 04 : puissance de commande en fonction de la fréquence

                       La puissance de commande d'un bipolaire est sensiblement constante, quelle que
                       soit la fréquence, alors que celle d'un IGBT croît avec celle-ci, puisque l'impédance
                       d'entrée est essentiellement capacitive (environ 20 nF) avec un courant de fuite
                       négligeable (500 nA max.).

les caractéristiques
en commutation         Un examen rapide des courbes ci-dessous montre que la supériorité de l'IGBT
                       en vitesse de commutation est altérée par ses performances plus modestes si l'on
                       examine le VCEsat.

                       Les caractéristiques globales de l'IGBT restent sensiblement constantes en fonction
                       du courant collecteur alors que celles du transistor bipolaire se dégradent de 75
                       à 100 % de son courant collecteur nominal. De plus, son temps de stockage élevé
                       (jusqu'à 15 µs) conduit à une limitation sensible de sa fréquence de travail. (Fig. 05).




                       Fig. 05



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4. bipolaires / IGBT   (suite)




la fiabilité             n l'aire de sécurité : Un autre avantage en faveur de l'IGBT se manifeste
                         dans l'aire de sécurité. L'IGBT admet un courant double de sa valeur nominale sans
                         variation significative de sa tenue en tension.




                                                                          I/Ic : rapport du courant de test au courant
                                                                          collecteur nominal du transistor



                         Fig. 09



                         n le circuit de commande : Si l'on considère la figure 04 montrant le rapport
                         des puissances de commande entre l'IGBT et le transistor bipolaire, on conçoit
                         la simplification qu'apporte l'utilisation de transistors IGBT.

                         Sur un plan très concret, le tableau ci-dessous compare les paramètres d'une carte
                         de commande pour IGBT et d'une autre pour transistors bipolaires en prenant
                         comme référence la commande IGBT.

                                                                     IGBT                      bipolaire
                          nombre de composants élect roniques        1                         3,6
                          nombre de pièces mécaniques                1                         3,7
                          connexions, points de serrage              1                         2,6
                          filerie                                    non                       oui
                          puissance dissipée sur la carte            1                         30




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5. quelques détails sur les fonctions essentielles des ASI



le redresseur             La mise sous tension progressive du chargeur évite les forts appels de courant
                          provoqués par les charges capacitives en aval de ce dernier ; par la suite,
                          les thyristors fonctionnent en diode, dans le cas de Comet ou bien régulent
                          la tension continue dans le cas de Galaxy.




                          Fig. 06


élément spécifique
d'une ASI performante :       A

le mutateur PWM




                          Fig. 07

                          Ce dis positif convertit une tension continue en une tension alternative dont
                          la fréquence et le taux de distorsion sont maintenus dans des limites très strictes,
                          compatibles avec l'alimentation des sources modernes dont le courant comporte
                          de nombreuses composantes harmoniques. Le schéma Figure 07 montre un
                          mutateur dit "en H". Dans les "bras" AB et CD, chaque transistor est sollicité
                          alternativement en "continu" pendant 1/2 période 50 ou 60 Hz puis en H.F. afin de
                          répartir également les pertes par commutation entre les deux transistors.

                          Avec une tension batterie Vb, il est théoriquement possible de produire une tension
                          de sortie de 2 Vb crête à crête (moins la chute de tension directe des transistors).
                          Afin de conserver une marge de fonctionnement pour la régulation, cette valeur sera
                          limitée à 1,6 Vb.




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5. quelques détails sur les fonctions essentielles des ASI
(suite)




la régulation                n régulation à fréquence libre : La Figure 08 donne un aperçu simplifié du principe
                             de la régulation. Une « courbe enveloppe » « tension de référence », calibrée
                             en fréquence et amplitude, est appliquée à un amplificateur différentiel. L'autre
                             entrée reçoit la tension de sortie de l'ASI. Comme le montrent les « courbes
                             enveloppes » du schéma ci-dessous, lorsque la tension de sortie est égale
                             à la tension mini. de référence, le transistor de puissance est rendu conducteur,
                             ce qui a pour effet de faire remonter la tension de sortie vers la tension maxi.
                             de référence.

                             A l'inverse, si la tension de sortie est égale à la tension maxi. de référence,
                             le transistor de puissance se bloque.

                             On constate que la fréquence de découpage, comme le rapport cyclique, ne sont
                             pas réellement constants mais libres. Ils s'adaptent à la différence (tension batterie -
                             tension de sortie). Vers les forts courants, la fréquence diminue tandis que
                             le rapport cyclique augmente.




                             Fig. 08



                             n régulation à fréquence fixe : Elle sera utilisée si l'on désire travailler au dessus
                             de 16 kHz et ne jamais descendre dans le spectre audible. L'amplificateur module
                             simplement le temps de conduction des transistors.


le convertisseur élévateur
                              +




                             Vs




                             Fig. 09

                             Pendant la phase de conduction du transistor, la self (non saturable) emmagasine
                             l'énergie 1/2 L Is 2 restituée ensuite au mutateur par l'intermédiaire de la diode.

                             Ce dispositif, intéressant par le fait qu'il permet de supprimer éventuellement
                             le transformateur, se traduit cependant par des pertes non négligeables (self,
                             transistor, diode). L'utilisation de l'IGBT dans ce schéma (figure 09) apporte une
                             réduction substantielle du poids sans altérer le rendement.




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6. impact de la fréquence de découpage des mutateurs sur
les performances des ASI


les pertes         Pertes dans un mutateur monophasé (pont en H, à 4 transistors), pour une ASI
                   de 100 kVA sur charge inductive. Les valeurs des tableaux ci-dessous sont
                   approximatives et n'ont d'autre but que de fixer les idées.

                   n pertes dynamiques

                    Ton Toff
                    ——————                          0,10       0,30        0,50          0,75         1,00      1,50    2,00      2,50          3,00
                    fréquence
                    0,5                             19         58          97            146          194       291     388       485           582

                    1                               39         116         194           291          388       582     777       971           1165

                    2                               78         233         388           582          777       1165    1553      1941          2330

                    4                               155        466         777           1165         1553      2330    3106      3883          4660

                    8                               311        932         1553          2330         3106      4660    6213      7766          9319

                    16                              621        1864        3106          4660         6213      9319    12426     15532         18638




                   n pertes statiques (VCE sat)

                    VCEsat        1          1,25        1,5   1,75        2       2,25         2,5      2,75   3      3,25     3,5      3,75     4

                    P (W)         100        125         150   175         200     225          250      275    300    325      350      375      400
                                  0          0           0     0           0       0            0        0      0      0        0        0        0


                   Exemple : le tableau suivant montre 2 mutateurs fonctionnant avec des dispositifs
                   différents. A 2 kHz, le transistor bipolaire permet un meilleur rendement ; l'IGBT
                   ne s'impose qu'à partir de 4 kHz.

                    fréquence de découpage —————>                                               2 kHz                  4 kHz                    16 kHz


                    transistors          VCEsa Ton/off pertes                     pertes        total        pertes    total     pertes         total
                                         t
                                         (V)   ( s)    statiques                  dyn.                       dyn.                dyn.

                    IGBT                 3               0,3        3000          233           3233         466       3466      1864           4864

                    bipolaire            1,5             1,5        1500          1165          2665         2330      3830      9319           10819

                    gain de rendement IGBT / bipolaire                                          -0,6 %                 +0,4 %                   +6 %




                   n en résumé

                   Les pertes en commutation augmentent avec la fréquence de découpage
                   du mutateur.

                   Celles d'un IGBT sont 5 fois moindres que celles du transistor bipolaire tandis que
                   ses pertes statiques sont 2 fois plus élevées.

                   Si l'on ne considère que l'aspect du rendement, on pourra choisir des bipolaires
                   au dessous de 2-3 kHz et des IGBT au dessus. Toutefois, d'autres considérations,
                   en particulier les composants et la puissance de commande pourront infirmer
                   ce choix.




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6. impact de la fréquence de découpage des mutateurs sur
les performances des ASI (suite)


importance du rendement   Le tableau ci-dessous donne le coût annuel sur 5 ans en US $, induit par une perte
                          de 1 % de rendement selon différents tarifs énergétiques. Si l'on rapproche
                          ce tableau du précédent on conçoit que le choix de tel ou tel dispositif
                          de commutation pour les ASI de forte puissance ne devra pas se limiter
                          à des considérations techniques.

                           coût du kWH en cents —>
                           —————————————                       2         4         6         8          10
                           puissance ASI en kVA
                           1                                             10        20        30         40
                           10                                  70        140       210       280        350
                           100                                 700       1400      2100      2800       3500
                           500                                 3500      7000      10500     14000      17500


                          Pour les installations de forte puissance, il faudra majorer ces coûts d'environ 30 %
                          afin de tenir compte de l'évacuation des pertes calorifiques.


comportement des ASI      L'amélioration du rapport puissance/poids dans les équipements à base
sur les charges           d'électronique conduit à l'utilisation massive d'alimentations à découpage.
                          Leur étage d'entrée constitué d'un redresseur et d'une charge RC, constitue
non-linéaires             une charge non-linéaire génératrice de courants harmoniques. (Fig. 10).
                          Les redresseurs triphasés que nous n'avons pas représenté ici, suppriment
                          l'harmonique 3 mais génèrent un taux important d'harmoniques 5 et 7.




                          Fig. 10




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6. impact de la fréquence de découpage des mutateurs sur
les performances des ASI (suite)


                      n le compromis rendement / distorsion harmonique

                      Le dilemme qui se pose à tout constructeur d'ASI est souvent le choix
                      des composants et de la fréquence de découpage du mutateur afin d'assurer
                      la compatibilité avec ces charges non-linéaires et d'obtenir un THDU (Voltage Total
                      Harmonic Distortion) minimum en sortie de l'ASI.

                      Une augmentation de la fréquence de découpage permet d'augmenter le gain
                      de la régulation et diminuer ainsi l'impédance de sortie dans les fréquences hautes.
                      On peut alors minimiser la taille et le poids des composants passifs.

                      Mais, comme il a été vu plus haut, cette élévation de fréquence augmente
                      les pertes par commutation et diminue le rendement de l'ASI.

                      En règle générale, le rendement est un paramètre important pour les ASI
                      de moyenne et de forte puissance(voir tableau coût sur 5 ans de 1 %
                      de rendement au § 6.2). Aussi, le mutateur travaillera entre 2 et 3 kHz
                      avec des bipolaires et au delà de 3 kHz avec des transistors IGBT.



le bruit acoustique   Il est généré par les forces électromagnétiques créées dans les circuits magnétiques
                      (transformateurs, selfs) ou par les forces électrodynamiques entre
                      les conducteurs. Un mutateur fonctionnant à 16 kHz ne produira pas de bruit audible
                      à cette fréquence ; seule subsistera la composante 50 ou 60 Hz
                      dans les circuits magnétiques. La suppression du transformateur contribuera donc
                      à la limitation du bruit. Cette caractéristique permettra de faire cohabiter
                      le personnel et l'ASI et de ne plus installer cette dernière dans un local technique
                      (gamme Comet).

                      Toutefois, un mutateur fonctionnant dans une bande en dessous de 16 kHz
                      à fréquence libre ou pseudo-aléatoire donne un spectre de bruit exempt
                      de raies (et par conséquent de résonances) et se révèle beaucoup moins
                      bruyant que le même dispositif à fréquence fixe dans cette bande (Galaxy).




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6. impact de la fréquence de découpage des mutateurs sur
les performances des ASI (suite)

exemple de schéma
moyenne puissance (Comet)




                            Fig. 11 : ASI triphaséé à circuit élévateur

                            Le principal inconvénient des IGBT étant leur VCEsat relativement élevé,
                            il est opportun de limiter leur nombre dans le trajet de la puissance. Dans la Fig. 11,
                            le mutateur travaille à 16 kHz, utilise 2 IGBT et une source double tension dont
                            le point milieu ramené au neutre, permet de retrouver la même valeur crête à crête
                            que dans le pont en H.

                            En monophasé, l'élévateur reçoit une consigne de courant sinusoïdale, en phase
                            avec la tension d'entrée, permettant d'obtenir une distorsion du courant d'entrée
                            de 3 % et un facteur de puissance de 0,99.

                            Ce montage optimise le poids, l'encombrement, la fiabilité et le bruit acoustique.




exemple de schéma forte
puissance (Galaxy)




                            Fig. 12 : ASI triphasée à transformateur

                            Dans ce montage, la fonction élévateur est confiée à un transformateur qui, pour
                            les fortes puissances possède un rendement voisin de 98 %.

                            Ce montage optimise la fiabilité, le rendement, le comportement sur charges
                            non-linéaires et le bruit acoustique (régulation à fréquence libre).




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7. le développement et la veille technologique chez
Schneider Electric


                    Le prix des ASI est soumis à une baisse permanente. Un projet d'ASI doit intégrer
                    des nouvelles technologies qui apportent de meilleures performances
                    et une diminution des prix de revient.

                    La veille technologique passe, en particulier, par un rapport étroit avec
                    les fournisseurs de composants ; cette stratégie est déterminante pour développer
                    des produits performants et économiques. Le diagramme ci dessous montre
                    les phases d'intégration d'un nouveau composant dans les normes MGE UPS
                    SYSTEMS dont la conception et la fabrication d'un produit sont soumises
                    à la norme ISO 9001.




                    Fig. 13




MGE UPS SYSTEMS                MGE0123UKI - 06/98                                                   16
8. conclusions



conclusion        L'IGBT apparaît actuellement le composant le plus intéressant par sa vitesse
                  de commutation, la simplicité de sa commande et sa tenue aux surcharges.

                  Dans les ASI de forte puissance dont le mutateur travaille entre 2 et 4 kHz, l'IGBT
                  apporte surtout une simplification de la commande des transistors (gain
                  en fiabilité) ; le rendement est équivalent à celui que procure les transistors
                  bipolaires.

                  Dans les ASI de moyenne puissance, installées souvent en salle informatique,
                  le critère de bruit acoustique impose la suppression du transformateur 50 ou 60 Hz,
                  et un mutateur fonctionnant à une fréquence de 16 kHz qui rend l'IGBT
                  incontournable, tant par la diminution du nombre de composants nécessaires
                  à sa commande que par le gain de poids et d'encombrement.

                  L’IGBT s’avère donc comme le m eilleur choix pour les ASI de moyenne et forte
                  puissances. Dans les années à venir, il est ammené à évoluer encore, avec en
                  particulier l’integration de plusieurs IGBT dans un seul boitier (sixpack).




MGE UPS SYSTEMS               MGE0123UKI - 06/98                                                    17
MGE UPS SYSTEMS                 En raison de l'évolution des normes et du matériel, les
                                caractéristiques indiquées par les textes et les images de ce
140, avenue Jean Kuntzmann      document ne nous engagent qu'après confirmation par nos
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                                Publication : MGE UPS SYSTEMS - 06/98
MGE0123FRI                      Conception-rédaction : AMEG

				
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