les interrupteurs semi-conducteurs

Chapitre II – Les interrupteurs semi-conducteurs
LES INTERRUPTEURS SEMI-CONDUCTEURS
L’étude des composants de puissance à semi-conducteur est une discipline à part entière. La
physique des semi-conducteurs n’est pas le but de ce paragraphe, nous allons décrire simplement les
principales caractéristiques externes des composants. Ils peuvent être classés en trois groupes :
– les diodes, composants non commandables, où les état ON et OFF dépendent des grandeurs
électriques du circuit,
– les thyristors, composants commandables uniquement à l’amorçage (passage de l’état OFF à
l’état ON).
– les interrupteurs entièrement commandables : les transistors bipolaires (BJT), les transistors à
effet de champ à grille isolée (MOSFET), les transistors hybrides des deux premiers (IGBT), le
thyristor commandé à l’ouverture (GTO).
I- Les diodes :
Les diodes utilisées en électronique de puissance sont les diodes PIN et Shottky. Leurs
commutations ne sont pas commandées, elles sont appelées spontanées.
A- Les diodes PIN :
A
P+
v D(t)
i D(t)
i D(t)
N-
v D0
N+
3
K
1
v Dim
i D(t)
v D(t)
v D(t)
Figure 1 : Structure, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale d’une diode à jonction PN.
1- Structure :
La zone N- assure l’essentiel de la tenue en tension (équivalente à la zone
intrinsèque).
2- Caractéristique réelle :
Si vD(t) tend à devenir positif, la diode devient passante, alors VD est sensiblement
égal à VD0.
Si iD(t) tend à devenir négatif, la diode se bloque, alors ID est sensiblement égal à zéro.
Dans le quadrant 1, les grandeurs caractéristiques sont :
– VD0 : tension de seuil,
– RD0 : résistance dynamique.
Les deux termes précédents sont donnés par les constructeurs, soit directement, soit devant être
calculés à partir de courbes.
Le circuit dans lequel est insérée la diode, détermine les valeurs de courant efficace et moyen,
respectivement IDeff et IDmoy.
Ainsi, à partir de toutes les grandeurs précédentes, nous pouvons calculer les pertes par conduction
(état fermé de la diode).
Pour simplifier les calculs, la caractéristique réelle dans le quadrant 1, est assimilée à 2 segments de
1
droite. Le premier est horizontal de 0 à VD0, le second part de VD0 est à une pente de −
.
R D0
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VD(t)= VD0 + RD0.iD(t)
T
P=
1
∫ V t . i.D t . dt =V D0 . I Dmoy R D0 . I 2Deff
T 0 D
Informations constructeurs -exemple pris pour le composant de la Figure 3- :
– Informations électriques
– VRRM : tension répétitive de points, 1200V,
– IFAV : courant direct moyen, 50A,
– i2t : donnée servant à dimensionner le fusible de protection, 5000A2s,
– VF : chute de tension directe, 1,5V,
– IR : courant inverse de fuite, 10mA.
– Informations thermiques pour le calcul du dissipateur
– Informations mécaniques
– hauteur : 250mm
– diamètre : 20mm
3- Caractéristique idéale :
Elle nous permet de comprendre le fonctionnement du convertisseur. Elle représente
la diode comme étant un interrupteur parfait.
En électronique de puissance, un des critères permettant de choisir une diode est sa rapidité pour
passer de l’état passant à l’état ouvert. Durant cette commutation apparaît le phénomène de
recouvrement qui impose la présence simultanée d’un courant et d’une tension (Figure 7), ce qui est
synonyme de pertes (pertes par commutation).
i D(t)
0
t
v D(t)
0
t
1
2
3
4
5
Figure 2 : Formes d’ondes idéalisées pendant le
recouvrement.
Reverse Recovery Time :
trr = t3 + t4
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Description des phases lors du blocage d’une diode :
– Phase 1 : La diode est passante / accumulation de charges dans la jonction.
– Phase 2 : Décroissance du courant / le diD/dt est imposée par les inductances du
circuit. Une partie de la charge stockée est éliminée par recombinaison.
– Phase 3 : Le début de cette phase correspond au moment où le courant dans la diode
est nul. La charge restante est évacuée par un courant inverse. C’est la phase de
recombinaison : la diode est toujours passante.
– Phase 4 : La diode s’ouvre, il faut qu’elle retrouve son pouvoir de blocage : le
courant dans la diode augmente jusqu’à 0 A. A l’opposé, le courant dans le circuit
diminue entraînant une surtension aux bornes de la diode (inductance parasite).
– Phase 5 : Le courant est nul, la commutation est terminée.
Figure 3 :
Diode.
4- Grandeurs caractéristiques :
Nous pouvons considérer deux types de diode utilisée dans des applications
complètement différentes.
– Diodes "50 Hz" : trr = 25 µs ; VD0 = 1V ; IDmoy = 5 kA ; VDim = 5 kV, utilisées dans les redresseurs.
– Diodes rapides : trr < 1 µs ; 0,5 V < VD0 < 3V ; IDmoy = qq 100 A ; VDim = qq 100 V , utilisées dans
les alimentations à découpage.
La Figure 3 représente une diode de puissance de la société Semikron, ayant pour calibre 320 A et
1600 V.
B - Les diodes Schottky :
Les diodes Shottky ne font pas intervenir de mécanisme
bipolaire. Le phénomène de recouvrement est absent.
Pour parvenir à ce résultat, des jonctions métal / semiconducteur sont utilisées. Ces composants interviennent
dans des applications basse tension.
Grandeurs caractéristiques :
– Tension de seuil < 3 V,
– Idmoy = qq 100 A,
– Vdim < 100 V,
– Fréquence de travail élevée.
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A
Métal
v D(t)
i D(t)
NN+
K
Figure 4: Structure d’une diode
Shottky.
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II- Les thyristors :
A- Fonctionnement :
A
v TH(t)
P
i TH
N
(t)
P
G
N
K
G
i G(t)
i(t)
i TH(t)
amorçage
v Dim
v TH(t)
v(t)
Figure 5 : Structure, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale d’un thyristor.
Ce composant est le premier interrupteur semi-conducteur commandable utilisé en électronique de
puissance. Il comporte en plus des deux électrodes de puissance (A : anode ; K : cathode) une
troisième électrode appelée gâchette permettant le contrôle de l’amorçage. Le courant de gâchette
permettant le passage de l’état bloqué à l’état passant, ne doit être envoyé que lorsque VTH est
supérieur à 0 V. C’est un phénomène d’avalanche qui permet cette commutation. Cet amorçage est
donc retardé par rapport à l’amorçage naturel d’une diode. Généralement, cet angle de retard à
l’amorçage est appelé α et il peut varier de 0 à π. Le thyristor se comporte ensuite comme une diode.
Quand iTH devient inférieur au courant de maintien, le thyristor se bloque.
Le circuit de commande sera étudié en travaux pratiques. Néanmoins, ce circuit peut être
décomposé en trois parties :
– Les ordres de commandes doivent être synchronisés par rapport aux tensions du réseau de
distribution (mesure des tensions),
– L’information doit être traitée de manière analogique ou numérique pour tenir compte de α
(électronique bas niveau),
– L’information est ensuite amplifiée et isolée avant d’être envoyée à la gâchette.
En plus du phénomène de recouvrement (comme la diode), il existe un autre phénomène propre à ce
composant. En effet, lors du blocage (annulation du courant iTH), il faut appliquer une tension
négative aux bornes du thyristor, sans quoi, il se réamorcerait de manière incontrôlée dès la
présence d’une tension positive. Ce temps minimum d’application de tension négative, est appelé tq.
A cause de ce phénomène, la plage de réglage de l’angle α est diminuée et elle est fixée
généralement entre 0 et (π -π /6).
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
B- Informations constructeur :
IT : le courant efficace à l'état passant, 550A,
ITAV : courant moyen à l'état passant, 300A,
ITSM : courant de surcharge accidentel (état passant), 10 000A,
i2t : donnée servant à dimensionner le fusible de protection, 500 000A2s,
di/dt : vitesse critique de croissance de la tension, 100A/µs,
VRRM : tension inverse de pointe, 800V,
VDRM : tension critique de pointe, 800V,
dv/dt : vitesse critique de croissance de la tension, 200V/ µs,
VGT : tension de gâchette, 3V,
IGT : courant de gâchette, 200mA.
Grandeurs caractéristiques :
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1,5 V < VTH0 < 3 V ; ITHmoy = 4 kA ; VTHim = 7 kV.
utilisées dans les onduleurs (pour machines électriques), redresseurs commandés, hacheurs.
Figure 6 : Thyristor de la société
Semikron, 3 kA, 1,8 kV.
Remarque : Le Triac est composé de deux thyristors montés tête-bèche, permettant une
réversibilité en courant et en tension. Ce composant est aussi commandable à l’amorçage. Il
intervient dans les convertisseurs appelés gradateur et fonctionnent généralement sur le réseau de
distribution à 50 Hz. L’une de ses applications est l’éclairage.
i(t)
v T (t)
amorçage
i T (t)
v(t)
G
i G(t)
amorçage
Figure 7 : Symbole du Triac et caractéristique idéale.
III- Interrupteurs entièrement commandés :
A- Les transistors bipolaires (Bipolar Junction Transistor : BJT) :
1- Fonctionnement :
i C(t)
saturé
v CE(t)
C
B
bloqué
E
i C(t)
amorçage
blocage
v CE(t)
Figure 8 : Structure, Symbole (NPN), Caractéristiques réelle et idéale d’un transistor.
Les transistors de puissance sont des transistors spécialement adaptés et conçus pour un
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fonctionnement tout ou rien (interrupteur).
Contrairement au thyristor, la base du transistor contrôle la conduction pendant toute sa durée,
permettant ainsi d’assurer le blocage.
Vcc
iC(t)
R
c
b
Vbe
e
Vce
vCE(t)
Figure 9
D’après la caractéristique réelle du transistor, il semble évident que le point de fonctionnement doit
se trouver sur l’un des segments en trait gras, pour éviter d’avoir simultanément du courant et de la
tension. Lors de la commutation, passage de l’état ouvert (fermé) à l’état fermé (ouvert), il va y
avoir forcément des pertes, appelées pertes par commutation. Il existe des circuits auxiliaires
appelés CALC (snubber) pour diminuer les pertes dans le composant (CALC = circuit d’aide à la
commutation).
2- Grandeurs caractéristiques :
– Temps de commutation : quelques centaines de ns à quelques µs.
– Transistor de puissance : VCE = 1000 V ; IC = 1000 A ; f = 5 kHz.
– Gain en courant, β < 10, configuration Darlington pour diminuer le courant de base.
– Complexité et coût de la commande.
– Faibles pertes en conduction.
Ce composant est de moins en moins utilisé dans les nouveaux produits.
B- Les transistors MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) :
i D(t)
T saturé
D
G
T bloqué
S
i D(t)
v DS(t)
amorçage
blocage
v DS(t)
Figure 10 : Structure d’un transistor MOSFET à canal N et à enrichissement, Symbole, Caractéristiques
réelle et idéale.
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Issus de la microélectronique, il est apparu dans des applications de l’électronique de puissance,
dans les années 1975-1980. Ses principaux atouts sont des performances dynamiques élevées (très
grande fréquence de travail), ainsi qu’une commande très facile à mettre en œuvre. Son principal
inconvénient reste ses pertes en conduction causée par une résistance Drain-Source (RDSON)
importante.
1- Fonctionnement :
Ce composant est commandé en tension par VGS (à l’opposé du BJT commandé par
son courant de base). Lorsque VGS est nul alors le courant de drain est nul, le composant est ouvert.
Lorsque VGS est supérieur à 10 V (en général les MOSFET de puissance sont commandés en +15
V), VDS est nulle, le composant est fermé. Vu des bornes Grille et Source, le transistor équivaut à
une capacité de quelques centaines de picofarads (10-12 F). Le temps d’ouverture et de fermeture,
correspondent à la décharge et à la charge de cette capacité. Les temps de commutation sont donc
brefs.
2- Grandeurs caractéristiques :
VDS (V)
100
500
1 000
ID (A)
40
20
qq A
RDSON (Ω)
0,04
0,3
qq Ω
Le tableau précédent montre les différents calibres des MOSFET de puissance. Lorsque ce
composant doit supporter une tension importante à ses bornes, sa résistance à l’état passant
augmente, entraînant des pertes par conduction importantes. C’est pour cette raison que le courant
de charge décroît.
–
–
–
–
C- Les transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) :
Les concepteurs ont voulu regrouper les avantages des BJT et des MOSFET :
Tension élevée à l’état ouvert (caractéristique BJT),
Tension faible à l’état fermé (faibles pertes) (caractéristique BJT),
Facile à commander (caractéristique MOSFET),
Bonnes performances dynamiques(caractéristique MOSFET).
Les IGBT sont très répandus dans les systèmes de conversion conçus depuis les années 1990. Il
remplace les BJT et GTO dans le domaine des moyennes et fortes puissances.
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i D(t)
T saturé
v DS(t)
D = C
T bloqué
G
S = E
i C(t)
amorçage
blocage
v CE(t)
Figure 11 : Structure d’un transistor IGBT, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale.
1- Fonctionnement :
Ce composant est commandé en tension. L’amorçage est identique à celui du
MOSFET. Lors de l’ouverture, "l’effet transistor" va ralentir le blocage. Les charges stockées
s’éliminent par recombinaison, ce qui a pour conséquence l’établissement d’un courant diminuant
très lentement. Il est appelé courant de "queue" et est responsable de l’essentiel des pertes par
commutation de l’IGBT.
2- Grandeurs caractéristiques :
Les pertes par commutation (à l’ouverture essentiellement) d’un IGBT et la chute de
tension directe, sont liées et résultent d’un compromis. Le compromis idéal diffère selon
l’application. Il consiste à obtenir les pertes totales (par conduction et par commutation) les plus
faibles possibles pour une surface de silicium donnée (coût). Ainsi, les fabricants d’IGBT proposent
plusieurs gammes :
– Des IGBT avec une faible chute de tension (1,8 à 2,5 V) mais des pertes par commutation assez
importantes (utilisation à fréquence peu élevée),
– Des IGBT avec des pertes par commutation réduites mais une chute de tension élevée (4 V) pour
une fréquence de travail (de découpage) élevée.
Quelques ordres de grandeur des IGBT de puissance :
VCE = 4,5 kV ; IC = 1,2 kA ; fdec = 20 kHz – 50 kHz (REE n°5 mai 2002).
La figure suivante montre sous quelles formes sont disponibles les IGBT.
Un module est constitué de deux interrupteurs formés par l’association d’un IGBT en parallèle
(inverse) avec une diode (= voir paragraphes Hacheur 4 quadrants et onduleur monophasé).
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Figure 12 : Composant
discret.
Figure 13 : Module IGBT.
IC = 60 A; VGE = 15 V
VCE = 600 V; VCE(ON) = 1,67 V
IGBT avec Ultrafast Soft Recovery Diode
IRG4PSC71UD
Société : International Rectifier.
IC = 300 A; VGE = 15 V
VCE = 300 V; VCE(ON) = 2,5 V;
Association de deux IGBT et de deux diodes
(cellule de commutation)
SKM 300 GB 063 D
Société : Semikron.
Ces composants sont de plus en plus utilisés dans les systèmes modernes de traitement de l’énergie
électrique, comme les onduleurs, les redresseurs MLI, les convertisseurs multi-niveaux, …
D- Les thyristors GTO (Gate Turn Off) :
A
i D(t)
v D(t)
v D(t)
A
i D(t)
v TH(t)
G
i G(t)
amorçage
blocage
v Dim
G
i G(t) K
i(t)
i TH(t)
v(t)
K
Figure 14 : Symboles, Caractéristiques réelle et idéale d’un Thyristor GTO.
1- Fonctionnement :
Par rapport au thyristor classique, le thyristor GTO est en plus commandable
à l’ouverture par un courant, iG, négatif.
Ce composant entièrement commandable est à 3 segments à la différence des transistors précédents.
Du point de vu de sa commande, il se rapproche plus du BJT, puisque la gâchette est parcourue en
permanence lors de la phase de conduction, par le courant iG. Sa commande est donc plus difficile à
mettre en œuvre que pour les composants à grille isolée.
Un autre inconvénient est la présence de pertes importantes lors de l’ouverture (le courant met un
certain temps à s’annuler), ce qui limite les possibilités de montée en fréquence.
2- Grandeurs caractéristiques :
Composants utilisés en fortes puissances (traction ferroviaire) : VTH= 5 kV ;
ITH = 5 kA.
Lors du blocage, le courant iG, qui est négatif, peut atteindre jusqu’à 1/3 du courant iTH(t).
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E- Comparaison entre les différents interrupteurs entièrement commandables :
Ce tableau représente les caractéristiques des différents interrupteurs. Il est bien évident
qu’un tel tableau ne peut pas faire apparaître les subtilités entre les différents semi-conducteurs. Il
permet d’avoir une vue d’ensemble de leurs performances.
Puissance d’utilisation
Rapidité de commutation
BJT
Moyen
Moyen
MOSFET
Faible
Rapide
IGBT
Moyen
Moyen
GTO
Fort
Lent
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