Composants IGCT de haute puissance au silicium pour

12 Revue ABB 3/1997
BB fabrique des thyristors GTO et
des transistors IGBT de haute puissance
pour les applications où la fiabilité joue un
rôle prédominant. Leurs domaines d’appli-
cation résident en particulier dans les mo-
teurs d’entraînements industriels, les grou-
pes de propulsion pour chemins de fer et
navires, ainsi que dans les systèmes de
transport et de distribution d’énergie électri-
que , . Ils s’utilisent alors souvent aux
niveaux de tension de 2,3 kV, 3,3 kV,
4,16 kV et 6,9 kV.
Développement des composants de
puissance au silicium
ABB a investi en permanence dans le déve-
loppement et la production de thyristors
GTO et au profit de la technologie des IGBT.
21
Un accroissement permanent de la puis-
sance de commutation des deux compo-
sants en a résulté . Au cours des derniè-
res années, un certain nombre d’innovations
ont créé une plate-forme pour la conception
et la fabrication d’un commutateur de puis-
sance au silicium qui dépasse le cadre des
performances des GTO et IGBT. Sous sa
désignation IGCT (Integrated Gate Commu-
tated Thyristor), cet appareil peut commuter
plus rapidement, avec des pertes plus bas-
ses que celles des thyristors GTO et des
3
transistors IGBT. Par surcroît, il possède des
propriétés qui permettent aux constructeurs
d’installations de réduire les dimensions et
les coûts des systèmes moyenne tension,
tout en augmentant simultanément leur effi-
cacité et leur fiabilité.
Un commutateur de puissance
meilleur
Au cours des 30 années depuis leur intro-
duction, les composants de puissance au
silicium sont devenus constamment plus
complexes et plus efficaces. Les premiers
thyristors ne pouvaient déclencher qu’à la
fin d’une période. Sous ce rapport, un grand
progrès fut fourni par le thyristor GTO qui
peut commuter en chaque instant d’une pé-
riode. Les transistors IGBT ont permis des
fréquences de commutation plus élevées,
mais leurs pertes actuelles de commutation
ne sont admissibles qu’à de basses ten-
sions. Pour tous ces semi-conducteurs de
puissance, les chercheurs concentrèrent es-
sentiellement leurs efforts sur le processus
de commutation lui-même, de sorte qu’ils
ne se soucièrent que peu des dépenses
techniques impliquées par les applications
pratiques.
Les thyristors GTO sont formés de mil-
liers d’éléments de commutation individuels
logés sur une pastille de silicium. Des pertes
se produisent aux quatre états de service
(en, hors, enclenchement, déclenchement).
Aux moyennes tensions, les pertes de
conduction des thyristors GTO sont très
basses, tandis que leurs pertes stationnaires
sont encore raisonnables. Pourtant, parce
que le processus de commutation n’est pas
homogène, des circuits externes de protec-
tion contre les surtensions (snubbers) sont
nécessaires pour l’opération de commuta-
tion. Ces circuits de protection requièrent
plus de la moitié du volume de l’élément fini.
Ils accaparent beaucoup de travail de
conception et provoquent une grande partie
des frais et des pertes.
En revanche, les transistors IGBT ont des
pertes à l’état passant comparativement
plus élevées, mais ils commutent de ma-
nière homogène, c’est-à-dire qu’ils n’ont
pas besoin de circuits de protection contre
les surtensions. Ils ne sont toutefois pas
encore disponibles pour tous les niveaux
moyenne tension. Pour remédier à cet in-
convénient, les constructeurs doivent bran-
cher en série plusieurs transistors IGBT de
tension de blocage plus basse, ce qui aug-
mente énormément la complexité et les
Composants IGCT
de haute puissance
au silicium pour
applications dans le
secteur moyenne
tension
La conception d’éléments semi-conducteurs pour la commutation des puis-
sances de la gamme des mégawatts au niveau moyenne tension est une mis-
sion ardue. Lors des projets, les propriétés naturelles des deux semi-conduc-
teurs disponibles en technique au silicium, à savoir les thyristors GTO (Gate-
Turn-Off) et les transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors),
impliquent des compromis qui augmentent les coûts et la complexité des sys-
tèmes de commande. Pour une exploitation fiable, les thyristors GTO n’ont
pas seulement besoin de circuits périphériques complexes, mais présentent
aussi une fréquence de commutation basse. Par ailleurs, les projeteurs de
systèmes conçus en technique IGBT doivent d’une part venir à bout de pro-
blèmes de pertes élevées, et d’autre part compenser le besoin élevé de com-
posants et l’exigence d’une disponibilité élevée. La nouvelle technique des
thyristors IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) d’ABB surmonte les
inconvénients, tant des thyristors GTO que des transistors IGBT. Ces thyris-
tors comprennent tous les circuits requis pour assurer la fiabilité des appa-
reils et peuvent s’utiliser sans difficulté pour les missions de commutation
dans la gamme des moyennes tensions.
A
Harold M. Stillman
ABB Corporate Technology
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE

Revue ABB 3/1997 13
pertes, avec la diminution de fiabilité corres-
pondante. C’est ainsi qu’un redresseur
construit pour travailler à 4,16 kV nécessite
pour chaque phase quatre transistors IGBT
de 1,8 kV branchés en série.
Les thyristors GTO peuvent être fabri-
qués économiquement pour la plupart des
niveaux moyenne tension. On peut prévoir
que dans un avenir rapproché, des IGBT
seront disponibles pour 3,3 et 4,5 kV. Ils
simplifieront à vrai dire la conception des cir-
cuits moyenne tension, mais on sait déjà au-
jourd’hui qu’ils présenteront des pertes éle-
vées. Pour surmonter ces pertes et pour
agir contre la formation de chaleur qui en
découle, les transistors IGBT devront pré-
senter une plus grande surface de silicium,
ce qui augmentera leurs coûts.
Le composant de puissance idéal devrait
commuter comme un IGBT et conduire le
courant comme un GTO. Il devrait réduire
les frais de fabrication et fournir le rende-
ment élevé des thyristors GTO. Ce sont là
exactement les propriétés présentées par le
thyristor IGCT (tableau 1).
Le secret de la technique IGCT
Dans la technique IGCT, plusieurs innova-
tions ont été nécessaires pour que les nom-
breux milliers de structures de commutation
individuelles d’un thyristor GTO modifié
puissent commuter rapidement et simulta-
nément. En outre, les faibles pertes à l’état
passant et au blocage propres aux thyristors
sont maintenues.
L’une des principales innovations réside
dans une nouvelle couche tampon, par la-
quelle les pertes à l’état passant et à la
commutation ont pu être réduites d’un fac-
teur 2 à 2,5. Par cette couche, le profil de
dopage optimal d’un thyristor GTO et celui
d’une diode deviennent pratiquement identi-
Tableau 1:
La technique IGCT allie les avantages des thyristors GTO et IGBT
Avantages des GTO Avantages des IGBT Avantages des IGCT
Technique de commutation
•
livrable pour la plupart
•
fréquence de commutation
•
fréquence de commutation élevée
des tensions moyennes élevée
•
faibles pertes de commutation
•
faibles pertes à l’état passant
•
faibles pertes de commutation et à l’état passant
•
pas de circuits de protection
•
pas de circuits de protection
contre les surtensions contre les surtensions
•
commande de gâchette
•
livrable pour la plupart des
intégrée moyennes tensions
Commutation de puissance
•
sûreté contre les
•
nombre plus petit
•
sûreté contre les défaillances
défaillances graves de composant graves
à tension plus basse
•
fiabilité éprouvée
•
approprié au branchement
•
diode et gâchette intégrées pour
en série et parallèle en cas diminuer le nombre de composants
de tension basse
•
approprié au branchement
en série et parallèle
Equipements
•
fiabilité éprouvée
•
configuration modulaire
•
permet la construction d’appareils
•
compacitémodulaires compacts
•
faibles dépenses en câblages
et en branchements
•
modules prêts à l’utilisation
A l’aide de la technique IGCT, on peut construire des installations électroniques
de puissance plus compactes et de prix plus avantageux, par exemple
des stations de convertisseurs pour installations CCHT ou des compensateurs
statiques de puissance réactive.
1
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE

14 Revue ABB 3/1997
ques. Jusqu’ici, l’association d’une diode et
d’un thyristor GTO avait provoqué une forte
diminution des performances de la diode en
question. Bien que l’idée d’une couche tam-
pon soit presque aussi vieille que le thyristor
GTO lui-même, elle n’a jamais été réalisée
pour les raisons suivantes. Pour réduire les
pertes de commutation, la charge présente
à l’état passant de l’appareil doit être élimi-
née aussi rapidement que possible au dé-
clenchement. Dans un thyristor GTO de
conception conventionnelle, cette mission
est remplie par des points chauds qui four-
nissent un cheminement d’écoulement aux
électrons. La combinaison de courts-circuits
d’anode et d’une couche tampon aboutit
pourtant à des courants d’allumage et de
maintien extrêmement élevés. Ce problème
a été résolu par la suppression des courts-
circuits d’anode. En revanche, l’anode a été
rendue «transparente», c’est-à-dire qu’elle
est perméable aux électrons. Il en résulte
une réduction des courants d’allumage de
presque un ordre de grandeur par rapport
aux thyristors GTO sans tampon.
Une autre innovation importante se situe
au niveau de la commande de la gâchette.
Les GTO et les autres thyristors sont des
dispositifs à quatre couches (npnp). Ce fai-
sant, leur caractéristique ne présente que
deux points stables, à savoir «En» et «Hors».
Chaque état intermédiaire est instable et
provoque des courants de fuite. Cette insta-
bilité propre est encore aggravée par des
défauts de fabrication. Cela a conduit au
mythe que les GTO ne peuvent pas être uti-
lisés sans circuit de protection contre les
surtensions (snubber).
En fait, le GTO ne doit être réduit à un
élément pnp stable, c’est-à-dire comme un
transistor, que pour quelques microsecon-
des critiques pendant le processus d’arrêt
de conduction. Pour neutraliser la cathode
pendant ce processus, la polarisation de la
jonction np de la cathode doit être inversée,
avant que la tension s’établisse à la jonction
principale. Cela exige la commutation du
courant de pleine charge de la cathode (n)
vers la gâchette (p) en l’espace d’environ
une microseconde. Grâce au développe-
ment d’un boîtier de faible inductance, on
peut atteindre une valeur de 4000 A/µs avec
une unité de gâchette de 20 V. Ce faisant,
les courants de fuite sont complètement éli-
minés. Le comportement de déclenchement
et la gamme de fonctionnement fiable res-
semblent alors à ceux d’un transistor (par
ex. d’un IGBT). En outre, les GTO peuvent à
présent commuter immédiatement, sans
provoquer les pleurs qui avaient requis au-
trefois toute l’ingéniosité des concepteurs
pour la réalisation de circuits en série.
Association des semi-conducteurs
de puissance et des expériences
acquises par la conception de
circuits
La technique IGCT est le résultat d’une col-
laboration intensive entre le département de
développement de composants électroni-
ques d’ABB Semiconductors AG et des
groupes de développement d’onduleurs à
courant fort d’ABB Industrie AG. En fait, ce
fut le développement simultané du silicium
de puissance, du boîtier et des circuits com-
plémentaires requis pour les applications in-
108
107
VA
106
1985 1990 1995
GTO
IGBT
P
Amélioration de la puissance de commutation P des thyristors GTO et IGBT
3
De nombreuses applications des IGCT se trouvent dans la technique
d’entraînement, par exemple pour cette pompe d’alimentation.
2
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE

Revue ABB 3/1997 15
dustrielles, qui permit de réaliser la combi-
naison unique en son genre des propriétés
des IGCT.
La technique IGCT englobe l’appareil de
commutation de puissance (GTC) et le cir-
cuit de commande (diode de roue libre et la
commande de la gâchette) dans un compo-
sant intégré . Parce que l’association et
l’intégration des composants s’effectuent
sur quatre niveaux , , les perfection-
nements sont possibles simultanément
dans quatre domaines interdépendants:
faibles pertes de commutation et à l’état
passant dans la gamme des moyennes ten-
sions, circuits plus simples pour la com-
mande des semi-conducteurs de puis-
sance, coûts plus bas du système de puis-
sance, sécurité d’exploitation et fiabilité
accrues. Par l’offre de modules de commu-
tation préconçus et préfabriqués, la techni-
que IGCT fournit aux projeteurs d’équipe-
ments moyenne tension la possibilité de dé-
velopper leurs produits plus rapidement.
Avantages de la technique IGCT
moyenne tension
Pertes de commutation basses
L’avantage de la commutation à pertes plus
faibles réside dans le fait que les construc-
teurs peuvent choisir la fréquence de com-
mutation qui convient le mieux à l’applica-
tion spécifique. Dans le cas des semi-
conducteurs de puissance de construction
ancienne, la fréquence de commutation à
l’intensité nominale était limitée à 250 Hz. La
technique IGCT permet de travailler à une
fréquence jusqu’à quatre fois plus élevée.
Par exemple, un constructeur de systèmes
d’entraînement à moteurs peut choisir une
fréquence de commutation plus élevée,
pour atteindre un meilleur rendement de son
système. D’autre part, il est possible d’amé-
liorer le rendement d’installations d’ondu-
leurs et de diminuer leurs pertes en choisis-
sant une fréquence de commutation plus
basse pour un IGCT.
Réduction
des circuits auxiliaires
Les caractéristiques uniques en leur genre
du GCT au niveau des appareils permettent
une exploitation sans circuits de protection
contre les surtensions, ce qui fournit des
avantages importants. Les installations
d’onduleurs équipées de circuits de protec-
tion contre les surtensions sont grandes et
coûteuses, tandis que les mêmes installa-
6b5
4
tions sans circuits de protection ne présen-
tent pas seulement des pertes plus faibles,
mais sont aussi plus compactes et possè-
dent moins de composants. La fiabilité est
donc accrue.
La conception d’installations réalisées en
technique IGCT est aussi simplifiée par l’in-
tégration des diodes à roue libre dans la
structure GCT. Cela est rendu possible par
l’épaisseur plus faible de la pastille de sili-
cium GCT (qui provoque aussi la commuta-
tion à pertes plus basses) qui permet la fa-
brication d’une diode efficace sur la même
pastille.
p+p+ p+
p
p
n
n+
n–+
a
⇒
n+n+
p
p+
p
n–
n+
nn+n+
b
p
p
pp
n+
n
nn–
+
n
Comparaison du IGBT et du GCT, dans lequel le commutateur de puissance
et la diode de roue libre sont installés sur la même pastille de silicium.
Le GCT est considérablement plus simple que l’IGBT.
aVue en coupe d’un thyristor GTO (à gauche), d’une diode (au centre) et d’un GCT
(à droite). On constate que la couche émetteur et tampon transparente du
GCT permet une couche de base n plus mince. Ce faisant, il est possible d’intégrer
la diode de roue libre dans la même structure. En relation avec un boîtier et un
circuit de commande de gâchette de faible inductance, il est possible de renoncer
à un circuit de protection contre les surtensions.
bVue en coupe d’une cellule individuelle d’un IGBT (à gauche) et d’une diode (à droite).
Un circuit intégré IGBT complet est formé d’un grand nombre de telles cellules
monolithiques. La technique MOS limite la grandeur des circuits intégrés IGBT à env.
1–2 cm
2
, de sorte que plusieurs circuits doivent être branchés en parallèle.
Etant donné que les semi-conducteurs IGBT n’atteignent pas encore les valeurs
de tension de blocage des GCT, ils doivent être branchés en série pour obtenir la
tension de blocage requise par les différentes applications.
4
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE

16 Revue ABB 3/1997
Composants et systèmes à prix plus
avantageux
Par la mise en œuvre de la technique IGCT,
les frais des convertisseurs servant à la
commande et à la régulation de courant fort
peuvent être réduits de 30% et davantage.
Différents facteurs y contribuent.
Les GCT peuvent être fabriqués en fai-
sant appel à des procédés de production de
GTO existants. Etant donné que ces procé-
dés sont parfaitement maîtrisés et que les
équipements disponibles peuvent être utili-
sés, les frais de fabrication des GCT corres-
pondent à ceux des thyristors GTO. En
comparaison des IGBT, les thyristors GCT
sont moins sensibles aux fluctuations du
procédé, c’est-à-dire que celles-ci n’exer-
cent aucune influence sur le comportement
de déclenchement. Le rendement de la fa-
brication est donc amélioré et les frais sont
réduits. En outre, la simulation des GCT est
plus simple, ce qui se traduit par des frais
plus bas et des temps de développement
de systèmes plus courts.
Par la technique GCT, le nombre de com-
posants des circuits de puissance est réduit
de jusqu’à 50%. Cela provient du fait que
les diodes sont intégrées dans le thyristor
GCT et de manière générale, par la réduc-
tion des câblages due à la forte intégration
des éléments. D’autres réductions de frais
sont possibles par la fréquence d’exploita-
tion plus élevée qui permet de choisir cer-
tains composants plus petits. En complé-
ment, la puissance requise par le circuit de
commande de la gâchette est beaucoup
plus basse, ce qui permet l’utilisation de
composants meilleur marché.
Les équipements conçus en technique
IGCT atteignent des rendements plus élevés
que ceux accessibles par d’autres techni-
ques. Les pertes dans les circuits de puis-
sance et dans les circuits auxiliaires corres-
pondants sont plus basses. Les dispositifs
de refroidissement en deviennent plus com-
pacts, ce qui se manifeste une fois de plus
par une réduction des coûts.
Fiabilité et disponibilité
Dans le contexte général, les frais d’installa-
tions de commande et de régulation de puis-
sance sont bas par rapport aux frais causés
par la défaillance de procédés industriels. La
disponibilité de ces composants et systèmes
est donc d’importance prédominante. La
technique IGCT a été développée spéciale-
ment pour les applications dans le domaine
moyenne tension. Elle fournit une fiabilité
maximale par ses caractéristiques suivantes:
•
Commutation homogène
•
Technique d’empilage robuste, analogue
à celle des thyristors (pas de câblages)
•
Circuits de commande de gâchette sim-
plifiés
•
Nombre plus petit de composants
Ce dernier point diminue aussi les frais des
stocks de pièces de rechange. En complé-
ment, dans un cas de défaillance très impro-
bable, la configuration modulaire de la tech-
nique IGCT simplifie et accélère le remplace-
ment d’un composant de puissance, de
sorte que les différents procédés industriels
ne sont pas interrompus, ou seulement briè-
vement.
Applications de la technique IGCT
Lors de l’utilisation d’un thyristor IGCT, le
principal avantage réside dans son aptitude
a
b
c
Pour la construction en couches des composants et
l’intégration des éléments, la technique IGCT offre quatre
niveaux (voir a, b et c, ainsi que la figure 6b).
Les constructeurs d’appareils peuvent utiliser chaque
niveau comme point de départ. Si on choisit une pile IGCT
prête à l’emploi, une grande partie du temps requis
par le projet des circuits de puissance et des systèmes
mécaniques peut être économisée.
aGate commutated thyristor (GCT)
•
Le thyristor GCT et la diode sont intégrés sur la même
pastille.
•
Par suite de la conception de l’anode, la charge électrique
peut pénétrer et sortir rapidement du GCT.
•
La faible épaisseur de la pastille de silicium limite la charge
accumulée et permet de placer la diode et le commutateur
de puissance sur le même disque.
•
Une pastille de silicium plus mince procure des pertes plus
basses à l’état passant.
•
Tous les éléments commutent en même temps. On peut
renoncer à un circuit de protection contre les surtensions.
bGCT logé dans un boîtier
•
Un boîtier à faible inductance assure une pénétration et une
sortie rapide des courants de charge et de commande de
gâchette dans le GCT.
•
Le boîtier «Presspack» assure la liberté de mouvement et
prévient les défaillances par fatigue, également par suite de
sollicitations thermiques alternantes de plusieurs décades.
•
Le boîtier «Presspack» résiste aux sollicitations thermiques
et accroît la fiabilité.
cCommande de gâchette intégrée
•
Le circuit de commande de gâchette de faible inductance
prend soin à ce que les courants de commande pénètrent et
quittent rapidement le GCT.
•
Le circuit de commande de gâchette localisé et hautement
intégré réduit l’inductance de fuite.
•
La construction compacte simplifie la conception des
installations.
5
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