Transistor

École Mohammadia d’Ingénieurs
Département Génie Électrique-EEPAnnée Universitaire : 2019\2020
Rapport de TP:
Transistor Bipolaire de puissance
en régime de commutation.
Réalisé par :
Jalouaja Aicha
Lamkharbach Youssef
Nati Youssef
Encadré par :
Mr.x
Sommaire :
Objectif de TP
2. Partie théorique :
2.1. Transistor Bipolaire :
2.1.1.
Principe de fonctionnement :
2.1.2.
Transistor Bipolaire en mode de commutation :
2.1.2.1. Le phénomène de commutation :
2.1.2.2. Caractéristiques de la commutation :
3. Manipulation :
3.1. Charge résistive
3.2. Charge inductive
Conclusion
1
1. Objectif de la manipulation :
Analyser les principaux phénomènes et contraintes qui apparaissent lors du
fonctionnement en commutation d’un transistor bipolaire de puissance et de
proposer des solutions permettant de réduire ces contraintes afin que ce transistor
puisse fonctionner à des fréquences élevés.
2. Partie théorique : Transistor Bipolaire en régime de commutation :
2.1.
Transistor Bipolaire :
2.1.1. Principe de fonctionnement :
Cas du transistor NPN
 L’émetteur (E) est fortement dopé. Son rôle est d’injecter des électrons dans la
base.
 La base (B) est faiblement dopée et très mince. Elle transmet au collecteur la
plupart des électrons venant de l’émetteur.
 Le collecteur (C) recueille les électrons qui lui viennent de la base d’où son
nom.
Figure 1: Principe physique du transistor NPN
2
Figure 2: les jonctions pour le transistor
 Jonction émetteur polarisée en directe pour créer un champ externe
champ interne

opposé au
.
Si
, les électrons majoritaires au niveau de l’émetteur
peuvent passer dans la base. La base est faiblement dopée et très mince
donc très peu d’électrons se recombinent avec des trous. Le courant de
base est très faible.
 Jonction collecteur polarisée en inverse - Le champ externe
que le champ interne
est dans le même sens
.
 Les électrons qui n’ont pas été recombinés avec les trous au niveau de la
base peuvent passer dans le collecteur
3
Figure 3: Caractéristiques idéalisées d'un transistor bipolaire

zone de saturation : pour des tensions Vce < 1 V ; dans cette zone, Ic dépend à la fois
de Vce et de Ib (La tension Vcesat se situe en général autour des 0,2 V jusqu'à Uj (Uj =
0,7 V)) ;
 zone linéaire : le courant collecteur est quasi indépendant de Vce, il ne dépend que de
Ib.
Figure 4: Caractéristique Ic/Vbe d'un transistor bipolaire
4
2.2.
Transistor Bipolaire en mode de commutation :
2.2.1. Le phénomène de commutation :
* Pour réaliser la commutation, on utilise le montage ci-contre.
Le transistor est commandé par une impulsion de courant de base. Le transistor passe de l'état
bloqué à l'état saturé en lui appliquant une impulsion positive de courant.
*Le circuit de sortie comprend une résistance de charge RL telle que la valeur du rapport
VCC/RL soit inférieure à la valeur du courant de collecteur maximum supportable par le
transistor.
Figure 5: Montage en commutation
Au départ le transistor est bloqué (état OFF).


Le courant qui traverse le transistor est faible, la tension entre collecteur et émetteur vaut
VCC. On est bien régime de haute impédance.
La densité des porteurs minoritaires dans la base est au plus égale à nB0.
On applique l'impulsion de courant sur la base.




Le transistor va quitter l'état bloqué (état OFF) pour atteindre l'état saturé.
La tension collecteur-émetteur est pratiquement nulle (égale à VCEsat = 0.2 à 0.3 V pour un
transistor au silicium)
Le courant collecteur atteint alors la valeur :
ICM = (VCC -VCEsat)/RL VCC/RL
Le courant qui traverse le transistor est important, la tension collecteur-émetteur est
faible, on est régime de faible impédance.
5


L'amplitude minimale de courant de base pour obtenir la saturation est donc :
IBM > ICM/
VCC/ RL
La charge stockée dans la base se compose de QB : charge stockée en régime normal plus
QBX la charge excédentaire en régime de saturation.
Les temps de commutation (switching time) sont les temps nécessaires au transistor
pour passer d'un état à l'autre. Ils correspondent en première approximation aux temps
d'établissement et de disparition de la charge stockée dans la base.
2.2.2. Caractéristiques de la commutation :
Figure 6: Courant de base et les temps de commutation
6

td : temps de retard (delay time) : est le temps nécessaire pour que le courant
atteigne 10 % de sa valeur finale. Il est déterminé par les constantes de temps
de charge des capacités des jonctions.
 td est d'autant plus petit que la tension de blocage est la plus faible possible.
 tr : temps de montée (rise time) : temps nécessaire pour que le courant
collecteur passe de 10 % à 90 % de sa valeur finale.
 tr est d'autant plus faible que le temps de transit des porteurs dans la base (B)
est petit.
 ts : temps de désaturation (storage time) :
 temps entre l'instant où le courant de base devient négatif et où le courant
collecteur = 0.9 ICM.
 C'est l'intervalle de temps le plus important, il est la limite principale de la
vitesse de commutation du transistor.
 il correspond à la disparition de l'excès de charge stockée (QBX) nécessaire
au fonctionnement en mode saturé.
 on montre que :
: temps relié à la durée de vie des porteurs dans la base (caractéristique
donnée par le constructeur).
s
 tf : temps de descente (fall time) : temps nécessaire pour que le courant collecteur
passe de 90 % à 10 % de sa valeur finale.
Étant l'inverse du temps de montée, il est limité par les mêmes phénomènes.
 On définit aussi le temps de fermeture ton td + tr et le temps d'ouverture : toff =
ts + tf dont l'ordre de grandeur varie entre 0.1 et 10 µs selon le type de transistor.
L'excès de charge QBX a un effet catastrophique sur toff et constitue la principale limitation
du transitor en commutation. En général, on réalise IB1 = 3 IB2 pour obtenir des fronts
raides et des temps de désaturation raisonnables.
 Bloqué, le transistor ne dissipe pas de puissance (Ic = 0).
Saturé, le transistor ne dissipe pas de puissance (Vce 0).
Pendant la commutation, Ic, Vce existent simultanément, en supposant que le
courant Ic suit une loi linéaire (Ic(t) = ICM t/ton) pendant l'ouverture et
7
Ic(t) = ICM (1 -t/toff) pendant la fermeture, on montre que la puissance dissipée par le
transistor à chaque impulsion de courant est :
(W.s)
 L'échauffement du transistor en régime de commutation est
proportionnel à la fréquence de répétition des basculements,
plus elle augmente, plus le transistor s'échauffe.
3. Manipulation :
3.1. Remarques générales :
Figure 7: Circuit du transistor en commutation

Pour générer le signal de commande, on utilise un générateur délivrant un signal carré de
faible puissance ayant un rapport cyclique de ½ et une fréquence variable.
8

Pour obtenir un courant de base permattant une saturation convenable du transistor de
puissance ( de l’ordre de 1,5A). le générateur précédent attaquera un étage de moyenne
puissance formé de deux transistors T1 et T2 montés en Push-Pull. Le transistor de
puissance utilisé est un BUX 48.
Figure 8: Transistor BUX48 utilisé pour la manipulation

Un capteur de courant, type TEKTRONIX, allant du continu jusqu'à 50 MHz nous
permettra, en association avec un oscilloscope, de visualiser les formes des courants de
base et du collecteur.
Figure 9: Capteur de courant TEKTRONIX


Le courant de base Tb sera fixé à 1A durant toute la manipulation et ce par action Vcc et
E.
Pour faire varier Ic (de 0 à 5A), on doit agir sur la valeur de la tension d’alimentation E.
9
Figure 10: Circuit de la manipulation
3.2.
Fonctionnement sur charge résistive :
3.2.1. Commande sans diode anti-saturation :
Pour cette manipulation, on ouvre l’interrupteur K1, et on fixe la fréquence de
commutation à 5 KHz. Puis, pour chaque valeur du courant Ic, on varier la tension
𝑉𝑐𝑐− .
−
(Pour les diagrammes Vcc c’est 𝑽𝒄𝒄
)
Ic=2 A
𝑽−
𝒄𝒄 (V)
-0,5
-2
-3
-5
ts(us)
26
8,3
7,3
7,1
tf(us)
4,4
1,7
1
0,9
10
Ts
ts=f(𝑉𝑐𝑐)
Ic=2A
30
25
20
15
10
5
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 11: temps de stockage en fonction de Vcc pour Ic=2A
tf=f(Vcc)
Ic=2A
5
tf
4
3
2
1
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc
Figure 12: temps de descente de courant collecteur pour Ic=2A
 Dans les figures 11 et 10, on constate que le temps de stockage ts et le temps de
de descente tf diminuent si la tension |𝑉𝑐𝑐− | augmente ; pour un Ic=cte.
Ic=3,5A
𝑽−
𝒄𝒄 (V)
Ts(us)
Tf(us)
-0,5
-2
-3
-5
11
6,4
6,2
6
3,3
1,6
1,2
0,9
11
ts=f(Vcc)
Ic=3,5A
12
ts(us)
10
8
6
4
2
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(v)
Tf(us)
Figure 13: temps de stockage en fonction de Vcc pour Ic=3,5A
tf=f(Vcc)
Ic=3,5A
-2
-3
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-5
Vcc(v)
Figure 14: temps de descente de courant collecteur pour Ic=3,5A
Ic=5A
Vcc(V)
-0,5
-2
-3
-5
Ts(us)
10,8
4,8
4,8
4,6
Tf(us)
6,6
2,2
2
2
12
ts=f(Vcc)
Ic=5A
12
ts(us)
10
8
6
4
2
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 15: temps de stockage en fonction de Vcc pour Ic=5A
tf(us)
tf=f(Vcc)
Ic=5A
7
6
5
4
3
2
1
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 16: temps de descente de courant collecteur en fonction de Vcc, pour Ic=5A
ts=f(vcc, Ic)
30
25
Ts(us)
20
15
Ic=2A
10
Ic=5A
Ic=3,5A
5
0
1
2
3
4
Vcc(V)
Figure 17: temps de stockage en fonction de Vcc pour différentes valeurs de Ic
13

On constate que si le courant de collecteur Ic augment le temps de stockage ts diminue.
Donc pour augmenter les performances de transistors au niveau de temps de stockage pour la même
fréquence de commutation on doit augmenter la tension Vcc entre la base et le émetteur qui va
accélérer la « décharge de transistor » ; c'est-à-dire pour séparer les deux zones N et P.
Cependant, malgré qu’on augmente la tension Vcc le temps de commutation (temps de stockage +
temps de descente) reste grand  ce qui limite, par conséquent, la fréquence de commutation à valeurs
très basses (par exemple : 𝒇𝒄 = 𝟓 𝑯𝒛 ).
Tf=f(Vcc, Ic)
7
6
tf(us)
5
4
Ic=2A
3
Ic=3,5A
2
Ic=5A
1
0
1
2
3
4
Vcc(V)
Figure 18: temps de descente en fonction de Vcc pour différentes valeurs de Ic
Remarque :
Lorsqu’un transistor est saturé, sa jonction base-émetteur se comporte comme une diode
passante. Dans cette jonction, la répartition des charges est analogue à celle d’un condensateur. Si
on souhaite bloque le transistor, le temps que les charges se réorganisent (après saturation) au
niveau de la jonction base-émetteur, cela va provoquer un courant inverse, dit courant inverse de
blocage. La valeur de ce courant dépend de la polarité avec laquelle le condensateur de la
jonction base-émetteur va se bloquer.
Donc, si on veut une commutation efficace, de donner une forte impulsion de courant de base
aussi bien à la saturation qu’au blocage, et à maintenir un courant de base à la limite du blocage.
14
3.2.2. Commande avec diode anti-saturation :
Dans ce cas on ferme l’interrupteur K1, f=5Hz :
Vcc(V)
Ic=3,5 A
ts(us)
tf(us)
-0,5
-2
-3
-5
3
2,02
1,82
0,8
1,8
0,26
0,22
0,22
ts=f(Vcc)
Ic=3,5A
3,5
3
ts(us)
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 19: temps de stockage en fonction de Vcc pour Ic=3,5A
tf=f(Vcc)
Ic=3,5A
2
tf(us)
1,5
1
0,5
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 20:temps de descente en fonction de Vcc pour Ic=3,5 A
15
Vcc(V)
Ic=5 A
ts(us)
tf(us)
-0,5
-2
-3
-5
6,4
1,7
1,82
0,8
3,8
1
0,4
0,2
ts=f(Vcc) Ic=5A
7
6
tf(us)
5
4
3
2
1
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 21: temps de stockage en fonction de Vcc pour Ic=5A
tf=f(Vcc)
Ic=5A
4
3,5
tf(us)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 22: temps de descente en fonction de Vcc pour Ic=5 A
16
L’importance de la diode anti-saturation :
ts=f(Vcc) pour Ic=3,5A
12
10
ts(us)
8
6
sans diode
4
avec diode
2
0
1
2
3
4
Vcc(V)
Figure 23: temps de stockage avec/sans diode anti-saturation pour Ic=3,5A
ts=f(Vcc) pour Ic=5A
12
10
Ts(us)
8
6
Sans Diode
4
avec Diode
2
0
-0,5
-2
-3
-5
Vcc(V)
Figure 24: temps de stockage avec/sans diode anti-saturation pour Ic=5A

D’après ce 2 diagramme, on constate que le temps de stockage et le temps de descente ont diminué
par rapport à ceux sans diode de anti-saturation.

Donc, cette a pour but de minimiser et de réduire le temps de commutation afin de gagner en
terme de fréquence (transistor plus performant et plus rapide)
17
3.3. Charge Inductive :


Pour améliorer la fermeture, il faut permettre à Vce de diminuer avant que Ic n'ait eu le temps de
monter; pour cela il faut introduire en série un composant qui supportera la tension d'alimentation E
alors que le transistor et la diode conduiront. Nous plaçons en série avec le transistor une inductance
L; lors de l'ouverture la décroissance rapide du courant crée une tension négative aux bornes de L
qui se retrouve en surtension aux bornes du transistor; pour limiter la surtension, nous plaçons une
résistance R en série avec une diode D' aux bornes de l'inductance.
Pour améliorer l'ouverture, il faut permettre à ic de s'annuler avant que vce ne remonte; pour cela il
faut transférer la conduction du transistor à un élément en parallèle qui retarde la montée de la
tension; nous plaçons donc un condensateur C en parallèle sur le transistor. Lorsque le transistor est
bloqué, le condensateur est chargé sous la tension E, à la fermeture il se décharge dans le transistor;
pour limiter le courant de décharge, nous plaçons une résistance R en série avec le condensateur;
pour éviter que cette résistance ne perturbe l'ouverture, nous plaçons en parallèle une diode D';
nous obtenons le montage suivant :
18

Nous combinons les circuits d'aide à l'ouverture et à la fermeture pour obtenir le circuit d'aide à
la commutation ( CALC en abrégé) .
Conclusion :
Pour conclure, on a manipulé un transistor en régime de commutation
pour voir l’impact de la tension de commande et la charge (Ic) sur le temps
de commutation (temps de stockage, temps de descente du courant de
collecteur). Pour limiter ce temps, on a utilisé une diode anti-saturation dans
le but d’augmenter la rapidité du transistor.
19