LES INTERRUPTEURS SEMI-CONDUCTEURS

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1 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 (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 (IBT), le thyristor commandé à l ouverture (TO). 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+ N- N+ K 1 im 3 0 Figure 1 : Structure, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale d une diode à jonction PN. intrinsèque). 1- Structure : La zone N- assure l essentiel de la tenue en tension (équivalente à la zone 2- Caractéristique réelle : Si tend à devenir positif, la diode devient passante, alors V D est sensiblement égal à V D0. Si tend à devenir négatif, la diode se bloque, alors I D est sensiblement égal à zéro. Dans le quadrant 1, les grandeurs caractéristiques sont : V D0 : tension de seuil, R D0 : 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 I Deff et I Dmoy. 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 V D0, le second part de V D0 est à une pente de 1. R D0 Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 1/10

2 V D = V D0 + R D0. P= 1 T T 0 2 V D t.i.d t.dt=v D0. I Dmoy R D0. I Deff Informations constructeurs -exemple pris pour le composant de la Figure 3- : Informations électriques V RRM : tension répétitive de points, 1200V, I FAV : courant direct moyen, 50A, i 2 t : donnée servant à dimensionner le fusible de protection, 5000A 2 s, V F : chute de tension directe, 1,5V, I R : 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). 0 0 t t Figure 2 : Formes d ondes idéalisées pendant le recouvrement. Reverse Recovery Time : t rr = t 3 + t 4 Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 2/10

3 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 d /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- randeurs caractéristiques : Nous pouvons considérer deux types de diode utilisée dans des applications complètement différentes. Diodes "50 Hz" : t rr = 25 µs ; V D0 = 1V ; I Dmoy = 5 ka ; V Dim = 5 kv, utilisées dans les redresseurs. Diodes rapides : t rr < 1 µs ; 0,5 V < V D0 < 3V ; I Dmoy = qq 100 A ; V Dim = 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. randeurs caractéristiques : Tension de seuil < 3 V, Idmoy = qq 100 A, Vdim < 100 V, Fréquence de travail élevée. A Métal K N- N+ Figure 4: Structure d une diode Shottky. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 3/10

4 II- Les thyristors : A- Fonctionnement : A K P N P N v TH i i TH im i TH i Figure 5 : Structure, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale d un thyristor. v TH v 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. Le courant de gâchette permettant le passage de l état bloqué à l état passant, ne doit être envoyé que lorsque V TH est supérieur à 0 V. C est un phénomène d avalanche qui permet cette commutation. Cet est donc retardé par rapport à l naturel d une diode. énéralement, cet angle de retard à l est appelé α et il peut varier de 0 à π. Le thyristor se comporte ensuite comme une diode. Quand i TH 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 i TH ), 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 t q. 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 : I T : le courant efficace à l'état passant, 550A, I TAV : courant moyen à l'état passant, 300A, I TSM : courant de surcharge accidentel (état passant), A, i 2 t : donnée servant à dimensionner le fusible de protection, A 2 s, di/dt : vitesse critique de croissance de la tension, 100A/µs, V RRM : tension inverse de pointe, 800V, VDRM : tension critique de pointe, 800V, dv/dt : vitesse critique de croissance de la tension, 200V/ µs, VT : tension de gâchette, 3V, IT : courant de gâchette, 200mA. randeurs caractéristiques : Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 4/10

5 1,5 V < V TH0 < 3 V ; I THmoy = 4 ka ; V THim = 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. 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. v T i T i v i Figure 7 : Symbole du Triac et caractéristique idéale. III- Interrupteurs entièrement commandés : A- Les transistors bipolaires (Bipolar Junction Transistor : BJT) : 1- Fonctionnement : saturé i C C v CE B bloqué E i C blocage v CE 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 Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 5/10

6 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. V cc R i C b c e V ce V be v CE 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- randeurs caractéristiques : Temps de commutation : quelques centaines de ns à quelques µs. Transistor de puissance : V CE = 1000 V ; I C = 1000 A ; f = 5 khz. ain 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) : T saturé D T bloqué S S blocage S Figure 10 : Structure d un transistor MOSFET à canal N et à enrichissement, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 6/10

7 Issus de la microélectronique, il est apparu dans des applications de l électronique de puissance, dans les années 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 (R DSON ) importante. 1- Fonctionnement : Ce composant est commandé en tension par V S (à l opposé du BJT commandé par son courant de base). Lorsque V S est nul alors le courant de drain est nul, le composant est ouvert. Lorsque V S est supérieur à 10 V (en général les MOSFET de puissance sont commandés en +15 V), V DS est nulle, le composant est fermé. Vu des bornes rille 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- randeurs caractéristiques : V DS (V) I D (A) R DSON (Ω) , , qq A 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 IBT (Insulated ate 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 IBT sont très répandus dans les systèmes de conversion conçus depuis les années Il remplace les BJT et TO dans le domaine des moyennes et fortes puissances. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 7/10

8 T saturé D = C S T bloqué S = E i C blocage Figure 11 : Structure d un transistor IBT, Symbole, Caractéristiques réelle et idéale. 1- Fonctionnement : Ce composant est commandé en tension. L 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 IBT. 2- randeurs caractéristiques : Les pertes par commutation (à l ouverture essentiellement) d un IBT 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 IBT proposent plusieurs gammes : Des IBT 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 IBT 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 IBT de puissance : V CE = 4,5 kv ; I C = 1,2 ka ; f dec = 20 khz 50 khz (REE n 5 mai 2002). v CE La figure suivante montre sous quelles formes sont disponibles les IBT. Un module est constitué de deux interrupteurs formés par l association d un IBT en parallèle (inverse) avec une diode (= voir paragraphes Hacheur 4 quadrants et onduleur monophasé). Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 8/10

9 Figure 12 : Composant discret. I C = 60 A; V E = 15 V V CE = 600 V; V CE(ON) = 1,67 V IBT avec Ultrafast Soft Recovery Diode IR4PSC71UD Société : International Rectifier. Figure 13 : Module IBT. I C = 300 A; V E = 15 V V CE = 300 V; V CE(ON) = 2,5 V; Association de deux IBT et de deux diodes (cellule de commutation) SKM 300 B 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 TO (ate Turn Off) : A A i TH i i K i K im v TH blocage v Figure 14 : Symboles, Caractéristiques réelle et idéale d un Thyristor TO. 1- Fonctionnement : Par rapport au thyristor classique, le thyristor TO est en plus commandable à l ouverture par un courant, i, 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 i. 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- randeurs caractéristiques : Composants utilisés en fortes puissances (traction ferroviaire) : V TH = 5 kv ; I TH = 5 ka. Lors du blocage, le courant i, qui est négatif, peut atteindre jusqu à 1/3 du courant i TH. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 9/10

10 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 IBT Moyen Moyen TO Fort Lent Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 10/10