L’électronique de puissance est la base du traitement de l’énergie électrique. Elle permet
de transformer l’énergie électrique disponible sous une forme donnée (continue, alternative,
basse ou haute tension ...) en une autre. Par exemple, lorsqu’on désire alimenter les moteurs
synchrones triphasés de traction d’un métro à partir du rail alimenté en continu, on doit
convertir la tension continue du rail en un système triphasé de tensions alternatives d’amplitude
et de fréquence variables [1]. Le transfert de cette énergie électrique de la source à la charge
peut être contrôlé par des convertisseurs statiques (tels qu'un rhéostat ou un commutateur).
1.2.1 Interrupteurs de puissance
On distingue deux types d’éléments constituant les convertisseurs statiques : les
composants passifs (condensateur et inductance) ; les composants actifs à semi-conducteur
(interrupteurs : diodes, thyristors, transistors bipolaires, IGBTs, MOSFETs).
Dans un circuit électrique, un interrupteur autorise/stoppe le passage du courant. Il
bascule entre deux états stables dits états statiques :
- état " passant " (ON), où le courant peut circuler ;
- état " bloqué " (OFF), où le courant est stoppé.
1.2.1.1 L’interrupteur idéal
L’interrupteur de puissance est l’élément clé du convertisseur de puissance. C’est la
raison pour laquelle il est toujours souhaitable que les interrupteurs de puissance fonctionnent
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aussi près que possible du cas idéal. Pour qu’un dispositif fonctionne comme un commutateur
idéal, il doit présenter les caractéristiques suivantes :
- aucune limite par rapport à la quantité de courant qu’il peut transporter lorsqu'il est à
l'état passant ;
- aucune limite sur le niveau de tension lorsqu’il est à l'état bloqué ;
- zéro chute de tension à l'état passant ;
- résistance infinie à l'état bloqué ;
- temps de montée et de descente nuls pendant les périodes de commutation ;
- zéro dissipation d’énergie en conduction, ce qui donne un rendement de 100% ;
- il n’utilise pas d'énergie pour changer d’état (commutation passant/bloqué et vice
versa) ;
- il est très fiable ;
- il est petit en taille et en masse [2].
1.2.1.2 L’interrupteur réel
Lors de la commutation et de la conduction d’un commutateur réel, on observe les
aspects suivants :
- le courant de conduction est limité lorsque le commutateur est à l’état ON ;
- la tension de blocage est limitée lorsque le commutateur est à l’état OFF ;
- la vitesse de commutation est réduite suite à plusieurs heures d’utilisation
(vieillissement) ;
- la chute de tension directe à l’état passant est différente de zéro ;
- un certain niveau de courant de fuite existe lorsque le composant est bloqué ;
- le commutateur subit des pertes de puissance dans les états ON et OFF (pertes de
conduction) et durant les transitions (pertes de commutation) [3].
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1.2.1.3 Le silicium pour les applications de puissance
Le silicium est actuellement le matériau semi-conducteur le plus utilisé pour la
fabrication de composants électroniques. Les composants de puissance sont classés sous
plusieurs catégories :
- interrupteurs unidirectionnels en courant et en tension (ils conduisent le courant dans
un seul sens, comme la diode) ;
- interrupteurs bidirectionnels en courant et en tension (ils conduisent le courant dans
les deux sens et supportent des tensions négatives et positives, comme le triac) ;
- interrupteurs bidirectionnels en tension et unidirectionnels en courant (ils conduisent
le courant dans un sens et supportent des tensions positives et négatives, comme l’IGBT) ;
- interrupteurs unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant (ils conduisent
le courant dans les deux sens et supportent des tensions positives ou négatives comme le
thyristor dual) [4].
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La représente le compromis en trois dimensions : tension de blocage, fréquence de
commutation et capacité en courant à l’état passant pour les différents interrupteurs en silicium.
Jusqu’à présent, aucun de ces interrupteurs de puissance à base de silicium ne satisfait toutes
les exigences d’un commutateur idéal. Bien que ces dispositifs aient constamment évolué pour
repousser leurs limites, ils ont atteint un maximum de performances en raison des contraintes
matérielles du silicium.
Les exigences de rendement et de coût de l'industrie de l'électronique de puissance, qui
ne cessent d’augmenter, ont poussé l’industrie à rechercher d’autres matériaux qui pourraient
permettre d’atteindre les performances souhaitées. La recherche d'une solution aux limitations
du silicium a conduit les chercheurs à s’intéresser aux matériaux à large bande interdite tels
que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN).
1.2.2 Avantages des matériaux à large bande interdite
La solution la plus efficace pour dépasser les limites du silicium consiste à utiliser
d’autres matériaux : les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite (grand gap) sont
prometteurs pour les composants de puissance destinés à fonctionner à haute tension et haute
température. Ces matériaux répondent favorablement au cahier des charges des composants de
puissance et offrent beaucoup de potentialités [6].
Le Tableau 1.1 présente les différentes caractéristiques électriques du nitrure de gallium
(GaN) et ses propriétés en comparaison avec les semi-conducteurs conventionnels et les autres
matériaux grand gap [7].
D’après le Tableau 1.1, on constate que le GaN a un champ électrique critique (ou
champ de claquage) E
Cimportant par rapport aux autres semi-conducteurs. Ce champ de
claquage important aide à obtenir une tenue en tension plus élevée. La grande mobilité des
électrons dans le canal 2DEG (Two dimensional electron gaz), obtenue avec l’hétérostructure
AlGaN/GaN, et leur haute vitesse de saturation favorisent les applications haute fréquence.
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Tableau 1.1 Comparaison des propriétés électriques des semi-conducteurs conventionnels et grand gap à 300 K [7].
Figure 1.2 Limites théoriques du silicium, de l’arséniure de gallium et des matériaux semi-conducteurs grand gap en terme de compromis " résistance passante spécifique/tenue en tension" [8].