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IGBT et Thyristor
samedi 28 septembre 2013, par gerla
Structures et constitution des IGBT et thyristors. Modes de fonctionnement.
Cet article vient en complément de "transistors de découpage"

Avec des tensions de claquage allant de 350 V à 1300 V (gamme de ST Microelectronics, par exemple) l’IGBT s’impose comme un compromis optimal entre les performances en commutation (voir l’article «  Transistors de découpage  » sur ce site) et le comportement à l’état saturé, offrant un haut rendement énergétique dans des applications telles que :
-   le contrôle moteur,
-   le photovoltaïque,
-   l’UPS (uninterruptible power supply ou uninterruptible power source),
-   l’automobile,
-   l’éclairage, le chauffage par induction, etc.

Les thyristors (ou SCR, Silicon Controlled Rectifier) sont utilisés pour des applications de commutation d’usage général, y compris la régulation de tension de batterie, la protection dans les alimentations et le contrôle moteur.

1- Composant IGBT

Le dispositif IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est principalement développé pour fonctionner en commutation de puissance. Sa structure hybride (MOS/bipolaire) permet d’associer les avantages dus à une électrode de commande isolée (liée à la structure MOSFET) à ceux du transistor NPN principalement caractérisé par à une tension VCEsat (tension de déchet quand le transistor est saturé) relativement faible.

Un IGBT canal N (figure 1) est obtenu à partir d’un substrat semi-conducteur de type P sur lequel est développé un MOSFET de puissance canal N. L’IGBT entre en conduction quand la tension de grille VGE va au-delà de 7V environ.

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Figure 1 : Structure, symbole (a) et exemple de caractéristiques (b) d’un IGBT.

Globalement, la structure se présente sous la forme de quatre couches N-P-N-P . Cette structure rappelle celle d’un thyristor (figure 2) constitué du transistor PNP de sortie et d’un transistor parasite (la base de ce transistor est la couche notée corps) correspondant à la structure du semi-conducteur. Différentes technologies sont développées afin de réduire l’effet thyristor indésirable (IGBT Trench) et d’accélérer le passage de l’état passant à l’état bloqué (PT-IGBT, Punch-Through technology ; NPT-IGBT, Non-Punch-Through technology).

(JPG)

Figure 2 : Exemple de boîtiers, modèle simplifié (a) et modèle montrant le transistor parasite (b).

2- Thyristor

Le thyristor (ou SCR, Silicon Controlled Rectifier) se comporte en commutateur unidirectionnel commandé uniquement à la fermeture . La structure du semi-conducteur constituant la partie active du thyristor est organisée en quatre couches P-N-P-N (figure 3a). La structure du thyristor peut également être représentée par deux transistors PNP et NPN (figure 3b). L’apparition d’un courant ib ( commande de gâchette ) sur la base du transistor NPN se traduit par un courant (béta ib) correspondant au courant de base du transistor PNP.

(JPG)

Figure 3 : Structure, symbole (a) et caractéristiques (b) d’un thyristor

Comme pour une diode, le thyristor est en direct (figure 4) quand la tension VAK est positive (tension notée VF ). Le thyristor est en inverse quand la tension VAK est négative (tension notée VR). En inverse, tant que la tension VR n’atteint pas la tension d’avalanche , le thyristor est bloqué. En direct, tant que la tension VF n’est pas suffisante, le thyristor est bloqué . Une impulsion d’amplitude suffisante appliquée sur la gâchette permet de provoquer la mise en conduction du thyristor ( amorçage ou allumage quand l’impulsion est à l’origine d’un courant au moins égal au courant d’accrochage IL , latching current ). Cette conduction est maintenue (en absence de commande de gâchette) tant que le courant direct ID reste supérieur au courant de maintien IH (holding current). L’extinction du thyristor a lieu lorsque la valeur du courant principal ID tombe en dessous du seuil correspondant au courant de maintien IH . .

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Figure 4 : Boîtier, circuit de charge (a) et caractéristiques (b) du thyristor

Quand le circuit de charge est inductif (constitué essentiellement par une bobine ou par le primaire d’un transformateur, le courant s’établit plus lentement . Dans ce cas, l’impulsion de commande de gâchette doit être maintenue pendant une durée suffisante pour atteindre le régime établi et un courant supérieur au courant d’accrochage IL.

Un thyristor est en grande partie déterminé par la tension maximale qui peut être supportée (VDRM ou VRRM, Direct ou Reverse Repetitive peak off-state voltage) et le courant moyen en conduction ((ITAV, Average on-state current). Au-delà des valeurs limites et du type de boîtier utilisé, le datasheet précise les valeurs de fonctionnement statiques, dynamiques et les résistances thermiques liées au boîtier. Le tableau suivant résume les principales caractéristiques de quelques thyristors (selon datasheet consultables sur les sites des fabricants ou des distributeurs).

(JPG)

Quand la charge est résistive , le temps de montée (rate of rise) après déclenchement (triggering) peut être allongé en câblant dans le circuit de charge une petite inductance.

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