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 :
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
droite. Le premier est horizontal de 0 à VD0, le second part de VD0 est à une pente de
−1
RD0
.
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Figure 1 : Structure, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale d’une diode à jonction PN.
vD(t)
iD(t)
P+
N-
N+
A
K
vD(t) iD(t)
vD(t)
iD(t)
vD0
vDim
1
3

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VD(t)= VD0 + RD0.iD(t)
P=1
T∫
0
T
VDt.i.Dt.dt=VD0 .IDmoyRD0 .IDeff
2
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).
Figure 2 : Formes d’ondes idéalisées pendant le
recouvrement.
Reverse Recovery Time :
trr = t3 + t4
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vD(t)
iD(t)
1
3
t
t
0
0
2
4
5

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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 / semi-
conducteur 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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Figure 4: Structure d’une diode
Shottky.
Métal
N-
N+
A
K
vD(t)
iD(t)

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II- Les thyristors :
A- Fonctionnement :
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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vTH(t)
iTH
(t)
iG(t)
G
A
K
P
N
P
N
G
vTH(t)
iTH(t)
vDim
v(t)
i(t) amorçage

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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.
Figure 7 : Symbole du Triac et caractéristique idéale.
III- Interrupteurs entièrement commandés :
A- Les transistors bipolaires (Bipolar Junction Transistor : BJT) :
1- Fonctionnement :
Les transistors de puissance sont des transistors spécialement adaptés et conçus pour un
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vT(t) iT(t)
iG(t)
Gv(t)
i(t) amorçage
amorçage
Figure 8 : Structure, Symbole (NPN), Caractéristiques réelle et idéale d’un transistor.
vCE(t)
iC(t)
amorçage
blocage
vCE(t)
iC(t)
saturé
bloqué
B
C
E