Chapitre II : La diode en commutation

Chapitre II
La diode en commutation
Sommaire
1 INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 11
1.1 SCHEMA EQUIVALENT......................................................................................................................... 11
1.1.1 Etude de VF < Vt0 .......................................................................................................................... 11
1.1.2 Etude de VF ≥ Vt0 ........................................................................................................................... 12
2 LA DIODE EST ALIMENTEE PAR UNE SOURCE DE TENSION .................................................. 12
2.1 COMMUTATION A LA FERMETURE ....................................................................................................... 12
2.1.1 Calcul du temps t1......................................................................................................................... 13
2.1.2 Calcul du temps t2......................................................................................................................... 14
2.1.3 Synthèse......................................................................................................................................... 15
2.2 COMMUTATION A L'OUVERTURE ......................................................................................................... 17
2.2.1 Calcul du temps de stockage ts des charges libres ........................................................................ 17
2.2.2 Calcul du temps de stockage tT des charges stockées.................................................................... 19
3 LA DIODE EST ALIMENTEE PAR UNE SOURCE DE COURANT. ............................................... 20
3.1 COMMUTATION A LA FERMETURE ....................................................................................................... 20
3.2 COMMUTATION A L'OUVERTURE......................................................................................................... 21
4 PERTES PAR COMMUTATION ........................................................................................................... 22
5 CONCLUSION.......................................................................................................................................... 24

Chapitre II : La diode en commutation
Chapitre II : La diode en commutation
1 Introduction
Il existe de nombreux types de diodes :
Signal,
Régulation,
Redresseur,
Commutation (schockley, schottky)
Hyperfréquence et/ou atténuateur (PIN, snap off, …)
Emission ou oscillation (à effet gunn),
A résistance négative (tunnel),
A capacité variable,
…
Toutefois nous nous contenterons, ici, d'étudier une simple diode à jonction PN.
1.1 SCHEMA EQUIVALENT
La caractéristique statique directe d'une jonction PN est la suivante :
Figure 1 : Schéma 1 : Caractéristique statique directe d'une diode
Avec :
IF, courant direct (Forward), VF, tension directe,
Rd, résistance différentielle, Vt0, tension de seuil.
On remarque deux zones de fonctionnement bien distinctes : VF < Vt0, VF ≥ Vt0
1.1.1 Etude de VF < Vt0
La diode est encore bloquée, seule la tension aux bornes varie, il n'y a pratiquement aucun
courant. La jonction PN est soumise à un champ électrique, donc des charges de même signe
sont accumulées aux extrémités de la jonction. Par conséquent la diode est équivalente à un
condensateur.
V
F
V
F
C
T
I
d
V
d
R
d
V
t0
Sens direct
I
F
V
F
-1
I
F
V
F
Figure 2 : Quand VF < Vt0 la diode est équivalente à un condensateur.
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Ce condensateur est dit de TRANSITION, on le note CT
1.1.2 Etude de VF ≥ Vt0
La diode est maintenant passante, la tension et le courant peuvent varier. La jonction PN est
toujours soumise à un champ électrique, donc des charges de même signe sont présentes aux
extrémités de la jonction. La diode est encore équivalente à un condensateur mais cette fois ci
en parallèle avec une résistance, image de la difficulté que les électrons ont à traverser la
jonction PN. D'où le schéma équivalent à la jonction.
C
d
R
d
P
N
Figure 3 : Quand VF ≥ V
t0 la jonction PN présente les caractéristiques d'une résistance et
d'un condensateur en parallèle.
Mais ce schéma n'est pas complet car il ne prend pas en compte la tension de seuil Vt0. Le
schéma équivalent complet est donc le suivant :
Figure 4 : Schéma équivalent à la diode quand elle est passante.
Avec :
Rd, la résistance différentielle ou dynamique,
Cd, le condensateur de diffusion.
Remarque : Pour VF = V0, le condensateur Cd ne possède aucune charge.
2 La diode est alimentée par une source de tension
2.1 COMMUTATION A LA FERMETURE
Soit le montage suivant :
E
1
E
2
e(t)
R
D1 V
d
(t)
i
d
(t)
V
F
V
F
C
d
I
F
V
t0
R
d
Figure 5 : Montage étudié
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e(t) est un créneau suffisamment long devant le temps de commutation du composant de telle
sorte qu'il soit vu pour cet instant précis comme un échelon. Alors nous le définissons comme
suit :
e(t)
E
1
E
2
t
Figure 6 : Echelon appliqué au circuit RD
Nous venons de voir que la mise en conduction se déroule en deux temps. Dans une première
phase on peut calculer le temps t1 que la capacité de transition CT met à se charger. Dans une
deuxième phase, on calcul le temps t2 que la capacité Cd met à se charger.
2.1.1 Calcul du temps t1
Dans cette phase, la tension VF est inférieure au seuil de conduction Vt0. La diode est bloquée.
Le schéma équivalent du montage est :
E
1
E
2
e(t)
R
Ct V
d
(t)
i
d
(t)
Figure 7 : Schéma équivalent quand Vd(t)<Vto.
L’étude précédente à montrer la tension aux bornes de la diode est :
112 )()( EeEEtV
t
d+−= −τ avec τ=RCt (cf. équation 3)
et Vd atteint Vt0 au bout d'un temps t1 tel que :
−
−
=
10
12
1ln EV
EE
t
t
τ (après t1 cette équation n'est plus valable).
E
1
E
2
t
VF(t )
V
t0
t
1
e(t)
Figure 8 : Temps t1 pour lequel Vd(t)=Vt0.
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2.1.2 Calcul du temps t2
Dans cette phase, la tension Vd est au moins égale à la tension de seuil Vt0. La diode conduit.
Son schéma équivalent est le suivant :
R
V
d
(t)
i
d
(t)
C
d
V
t0
R
d
E
1
V
cd
(t)
Figure 9 : Schéma équivalent quand Vd(t)≥Vto.
A l’instant t1 où ce schéma devient vrai, la capacité de diffusion Cd ne possède aucune charge.
Par conséquent, elle va se charger jusqu’à un point de fonctionnement stable E1-RIF-VF (si IF
et VF sont les valeurs finales du courant et de la tension). La commutation de la diode est alors
terminée. Le calcul du temps t2 revient donc à celui du temps de charge de la Cd.
Nous devons donc trouver l’expression de la tension Vcd aux bornes de Cd. Pour cela nous
utilisons le schéma équivalent obtenu par application du théorème de Thévenin au circuit
alimentant Cd. Soit le schéma suivant :
R
V
d
(t)
i
d
(t)
V
t0
R
d
E
1
V
cd
(t)
A
B
Figure 10 : Etude du schéma équivalent de Thévenin aux bornes AB (quand Vd(t)≥Vto).
Vu des bornes AB le circuit est alimenté par une tension E1-Vt0 à travers une résistance
équivalente à R//Rd.
Le schéma devient :
R//R
d
A
E
0
V
cd
(t)
B
C
d
Figure 11 : Schéma équivalent de Thévenin aux bornes AB (quand Vd(t)≥Vto).
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