La commutation des composants électroniques

Les composants électroniques
de commutation
Chapitre VI
Autres types d'interrupteurs
Sommaire
1 INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 57
2 LES INTERRUPTEURS NATURELS.................................................................................................... 57
3 LES INTERRUPTEURS COMMANDES............................................................................................... 57
3.1 LE THYRISTOR (SCR) .............................................................................................................................. 57
3.2 LE TRIAC ................................................................................................................................................. 58
3.3 LE GTO GATE TURN-OFF THYRISTOR .................................................................................................... 59
3.4 LE MCT MOS CONTROLLED THYRISTOR ............................................................................................... 59
3.5 L'IGBT INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR ................................................................................... 60
4 L'IGTH (INSULATED GATE THYRISTOR)....................................................................................... 61
4.1 STRUCTURE ............................................................................................................................................. 61
4.2 II-1-3- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ................................................................................................... 62
4.3 LA TECHNOLOGIE SMART POWER............................................................................................................ 63
4.4 LA TECHNOLOGIE ASD APPLICATION SPECIFIQUE DISCRETE ................................................................. 64
5 CAPACITES DES COMPOSANTS DE PUISSANCE .......................................................................... 65
5.1 LIMITES ET APPLICATIONS DES INTERRUPTEURS ...................................................................................... 65
5.1.1 Diagramme I=f(V) par type d'interrupteur ................................................................................... 65
5.1.2 Diagramme I=f(V) par type d'application .................................................................................... 66
5.1.3 Diagramme courant/tension/fréquence par type d'interrupteur.................................................... 66
6 BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................................... 67

Chapitre VI : Autres types d'interrupteurs
Les composants électroniques
de commutation
Chapitre VI
Autres types d'interrupteurs
1 Introduction
Nous avons traité un interrupteur naturel, la diode et deux interrupteurs commandés, le
transistor bipolaire et le transistor MOSFET. Il en existe beaucoup d'autres et nous allons
décrire les principaux.
2 Les interrupteurs naturels
Un interrupteur naturel par opposition à un interrupteur commandé et un composant qui
commute (ON/OFF et OFF/ON) sans aucune commande extérieure.
On trouve par conséquent :
• toute la famille des diodes, notamment :
• les diodes de puissance,
• les ZENER,
• les TRANSIL (écrêteuses),
• les TRISILS (court-circuit),
…
• les diacs.
Ces composants possèdent un sens de polarisation, voire deux, pour lesquels si on applique
une tension rien ne se passe jusqu'à une tension de seuil. Au delà de cette tension soit le
composant limite à ces bornes sa tension d'écrêtage, soit il se comporte comme un court-
circuit.
3 Les interrupteurs commandés
3.1 LE THYRISTOR (SCR)
Les anglo-saxons le nomme Silicon Controlled Rectifier (SCR). Ce composant a un
fonctionnement qui ressemble à celui une diode, mais la conduction dépend d'une électrode de
commande, la gâchette. C'est un composant 4 couches (PNPN). Son symbole est deux
représentions sont donnés ci-dessous.
Didier Magnon
A
K
A
G
Qp
G1
T
Qn G2
K
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Figure 1 : Symbole et représentations du thyristor
Sa caractéristique statique est :
Figure 2 : Caractéristique statique du thyristor
Avec :
IL = courant d'accrochage (latch up)
IH = courant de maintien (Hold)
Le segment OA représente le mode inverse, le thyristor est bloqué.
La verticale au point A représente l'avalanche du composant.
Le segment OB représente le mode direct (gâchette en l'air), le composant est bloqué.
Le segment CD représente le mode direct, atteint suite à un courant iG ou à une tension aux
bornes du composant supérieure à VB0, le composant est passant.
Le thyristor est donc unidirectionnel en tension et en courant. Il peut être amorcé de façon
normale par un courant de gâchette ou par effet photoélectrique (si le silicium est éclairé
photothyristor), mais aussi par une tension VAK supérieure à VB0, par un effet capacitif révélé
lors d'un dVAK/dt important, par élévation de température du silicium.
Son blocage s'effectue soit par inversion de la tension aux bornes du composant (VAK) soit par
annulation du courant IAK.
C'est un des composants les plus utilisés en commutation car il est très économique et il
possède un bon pouvoir de coupure. Il peut couper plus de 10MW. Sa plage d'utilisation
courante est de 5 à 8kV.
3.2 LE TRIAC
Ce composant est analogue à deux SCR montés tête bêche. Son symbole est :
3
21
A1
A2G
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Figure 3 : Symbole d'un triac
Sa caractéristique statique et ses quadrants d'amorçage sont portés ci-dessous.
Figure 4 : Caractéristique statique et quadrants d'amorçage d'un triac
C'est un composant symétrique, contrairement au thyristor, les courants de gâchettes peuvent
être positifs ou négatifs, donc il peut conduire sur les deux alternances du secteur. Il est utilisé
pour des petites puissances dans les domaines de l'électroménager, grand public, petit
outillage. Les principales applications sont les interrupteurs statiques et les gradateurs.
3.3 LE GTO GATE TURN-OFF THYRISTOR
C'est un thyristor dont la fermeture est commandée par la gâchette mais dont l'ouverture peut
également être commandé par la gâchette. Donc le GTO s'ouvre de façon naturelle ou par
impulsion sur sa gâchette, ce qui est nouveau.
Ses trois symboles sont :
Figure 5 : Symboles du GTO
Ses applications sont, la forte puissance (traction) soit le pilotage des moteurs asynchrones de
TGV. Toutefois, il est concurrencé par l'IGBT.
3.4 LE MCT MOS CONTROLLED THYRISTOR
C'est un thyristor commandé par un MOS. Cette structure permet d'associer les avantages du
transistor MOS (faible puissance de commande) et ceux du thyristor (tenue en tension, en
courant et son faible coût). Sur le papier c'est un concurrent de l'IGBT et du GTO. En
pratique, il ne connaît pas l'essor auquel on s'attendait.
Ses symboles et son schéma équivalent sont :
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3
2
1
3
2
1
A
K
G
MOS
d'extinction
MOS
d'amorçage
Figure 6 : Symboles et schéma équivalent du MCT
3.5 L'IGBT INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR
C'est un transistor bipolaire à grille isolée, c'est donc le mixage des avantages du MOS et du
bipolaire. On sait que les MOS possèdent une grande simplicité de commande mais présente
des tensions de déchet importantes. On sait également que le bipolaire nécessite une
commande en courant pas toujours simple, mais une tension de saturation très faible. Les
constructeurs on depuis longtemps cherchés à coupler ces deux types de technologie (cf
MCT). L'IGBT est donc un MOS en entrée qui pilote un bipolaire en sortie.
Son symbole et ses modèles d'étude sont :
Collecteur
ou drain
ou anode
Emetteur
Ou source
Ou cathode
Grille
1 2
3
2
1
3
2
1
A
K
G
Symbole Schéma équivalent
3
2
1
A
K
G
12
A
K
G
Figure 7 : Symbole et modèles utilisés pour étudier les caractéristiques de l'IGBT
A l'état passant, la diode et le MOS vont engendrer une tension de seuil VCEth que l'on
retrouve sur la caractéristique statique représentée ci-dessous.
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