Les composants électroniques de commutation
Chapitre VI
Autres types d'interrupteurs Sommaire
1 INTRODUCTION ... 57
2 LES INTERRUPTEURS NATURELS... 57
3 LES INTERRUPTEURS COMMANDES... 57
3.1 LE THYRISTOR (SCR) ... 57
3.2 LE TRIAC... 58
3.3 LE GTO GATE TURN-OFF THYRISTOR... 59
3.4 LE MCT MOS CONTROLLED THYRISTOR... 59
3.5 L'IGBT INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR... 60
4 L'IGTH (INSULATED GATE THYRISTOR)... 61
4.1 STRUCTURE... 61
4.2 II-1-3- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT... 62
4.3 LA TECHNOLOGIE SMART POWER... 63
4.4 LA TECHNOLOGIE ASD APPLICATION SPECIFIQUE DISCRETE... 64
5 CAPACITES DES COMPOSANTS DE PUISSANCE ... 65
5.1 LIMITES ET APPLICATIONS DES INTERRUPTEURS... 65
5.1.1 Diagramme I=f(V) par type d'interrupteur ... 65
5.1.2 Diagramme I=f(V) par type d'application ... 66
5.1.3 Diagramme courant/tension/fréquence par type d'interrupteur... 66
6 BIBLIOGRAPHIE ... 67
Les composants électroniques de commutation
Chapitre VI
Autres types d'interrupteurs 1 Introduction
Nous avons traité un interrupteur naturel, la diode et deux interrupteurs commandés, le transistor bipolaire et le transistor MOSFET. Il en existe beaucoup d'autres et nous allons décrire les principaux.
2 Les interrupteurs naturels
Un interrupteur naturel par opposition à un interrupteur commandé et un composant qui commute (ON/OFF et OFF/ON) sans aucune commande extérieure.
On trouve par conséquent :
• toute la famille des diodes, notamment :
• les diodes de puissance,
• les ZENER,
• les TRANSIL (écrêteuses),
• les TRISILS (court-circuit),
…
• les diacs.
Ces composants possèdent un sens de polarisation, voire deux, pour lesquels si on applique une tension rien ne se passe jusqu'à une tension de seuil. Au delà de cette tension soit le composant limite à ces bornes sa tension d'écrêtage, soit il se comporte comme un court- circuit.
3 Les interrupteurs commandés
3.1 LE THYRISTOR (SCR)
Les anglo-saxons le nomme Silicon Controlled Rectifier (SCR). Ce composant a un fonctionnement qui ressemble à celui une diode, mais la conduction dépend d'une électrode de commande, la gâchette. C'est un composant 4 couches (PNPN). Son symbole est deux représentions sont donnés ci-dessous.
A
K A
G
Qp
G1
T Qn
G2
Figure 1 : Symbole et représentations du thyristor Sa caractéristique statique est :
Figure 2 : Caractéristique statique du thyristor Avec :
IL = courant d'accrochage (latch up) IH = courant de maintien (Hold)
Le segment OA représente le mode inverse, le thyristor est bloqué.
La verticale au point A représente l'avalanche du composant.
Le segment OB représente le mode direct (gâchette en l'air), le composant est bloqué.
Le segment CD représente le mode direct, atteint suite à un courant iG ou à une tension aux bornes du composant supérieure à VB0, le composant est passant.
Le thyristor est donc unidirectionnel en tension et en courant. Il peut être amorcé de façon normale par un courant de gâchette ou par effet photoélectrique (si le silicium est éclairé photothyristor), mais aussi par une tension VAK supérieure à VB0, par un effet capacitif révélé lors d'un dVAK/dt important, par élévation de température du silicium.
Son blocage s'effectue soit par inversion de la tension aux bornes du composant (VAK) soit par annulation du courant IAK.
C'est un des composants les plus utilisés en commutation car il est très économique et il possède un bon pouvoir de coupure. Il peut couper plus de 10MW. Sa plage d'utilisation courante est de 5 à 8kV.
3.2 LE TRIAC
Ce composant est analogue à deux SCR montés tête bêche. Son symbole est :
3
21
A1
A2 G
Figure 3 : Symbole d'un triac
Sa caractéristique statique et ses quadrants d'amorçage sont portés ci-dessous.
Figure 4 : Caractéristique statique et quadrants d'amorçage d'un triac
C'est un composant symétrique, contrairement au thyristor, les courants de gâchettes peuvent être positifs ou négatifs, donc il peut conduire sur les deux alternances du secteur. Il est utilisé pour des petites puissances dans les domaines de l'électroménager, grand public, petit outillage. Les principales applications sont les interrupteurs statiques et les gradateurs.
3.3 LE GTO GATE TURN-OFF THYRISTOR
C'est un thyristor dont la fermeture est commandée par la gâchette mais dont l'ouverture peut également être commandé par la gâchette. Donc le GTO s'ouvre de façon naturelle ou par impulsion sur sa gâchette, ce qui est nouveau.
Ses trois symboles sont :
Figure 5 : Symboles du GTO
Ses applications sont, la forte puissance (traction) soit le pilotage des moteurs asynchrones de TGV. Toutefois, il est concurrencé par l'IGBT.
3.4 LE MCT MOS CONTROLLED THYRISTOR
C'est un thyristor commandé par un MOS. Cette structure permet d'associer les avantages du transistor MOS (faible puissance de commande) et ceux du thyristor (tenue en tension, en courant et son faible coût). Sur le papier c'est un concurrent de l'IGBT et du GTO. En pratique, il ne connaît pas l'essor auquel on s'attendait.
Ses symboles et son schéma équivalent sont :
3 2
1
3 2 1
A
K G
MOSd'extinction
MOS d'amorçage
Figure 6 : Symboles et schéma équivalent du MCT 3.5 L'IGBT INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR
C'est un transistor bipolaire à grille isolée, c'est donc le mixage des avantages du MOS et du bipolaire. On sait que les MOS possèdent une grande simplicité de commande mais présente des tensions de déchet importantes. On sait également que le bipolaire nécessite une commande en courant pas toujours simple, mais une tension de saturation très faible. Les constructeurs on depuis longtemps cherchés à coupler ces deux types de technologie (cf MCT). L'IGBT est donc un MOS en entrée qui pilote un bipolaire en sortie.
Son symbole et ses modèles d'étude sont :
Collecteur ou drain ou anode Emetteur Ou source Ou cathode Grille
1 2
3 2
1 3
2 1
A
K G
Symbole Schéma équivalent
3
2 1
A
K G
12
A
K G
Figure 7 : Symbole et modèles utilisés pour étudier les caractéristiques de l'IGBT A l'état passant, la diode et le MOS vont engendrer une tension de seuil VCEth que l'on retrouve sur la caractéristique statique représentée ci-dessous.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vce (V)
Ic (A)
Vge = 6V Vge = 7V
Vge = 6,5V Vge = 7,5V Vge = 8V Vce = Vge - Vgeth + Vceth
Vceth = 1.4V 10
Zone saturée Zone linéaire
Figure 8 : Caractéristique statique et zones de fonctionnement d'un IGBT (Harris HGTP3N60)
Malheureusement l'IGBT possède un courant de queue non négligeable qui génère de fortes pertes qui limite la fréquence de commutation et souvent son utilisation.
Ce composant existe dans des calibres qui vont de quelques ampères à basse tension et des calibres de 1200V/450A voire des modules de 6500V/600A.
C'est le composant de puissance qui connaît le taux de croissance le plus élevé de ces dernières années.
4 L'IGTH (Insulated Gate THyristor)
4.1 STRUCTURE
Dans la recherche de nouveaux composants ou nouvelles fonctions de puissance, le thyristor retient malgré tout l’attention, compte tenu de ses propriétés intrinsèques : robustesse, tenue aux surcharges, faible coût, facilité de commande.
MOS Qn
Qp
Th G1
Qn
Qp
Th
G2 G
Figure 9 : Schémas équivalents : a) du thyristor b) du MOS-Thyristor
Si pour les composants discrets, la commande à l’amorçage est appliquée sur la base P (G2 ; Figure 9.a), il est tout à fait envisageable, dans une structure intégrée, de faire cette
commande par la base N (G1). Cette commande peut être appliquée par un MOS à canal N (Figure 9.b).
On constate alors que l’association du MOS d’amorçage avec la section PNP du thyristor peut constituer un IGBT si la section NPN est momentanément court-circuitée. Ce court-circuit commandable peut être obtenu au moyen d’un autre MOS. L’ensemble du dispositif est alors dénommé IGTH.
1 3 M IGBT
G1
Qn
Qp
Th
G2
Figure 10 : Schéma équivalent de l’IGTH proposé par le L.A.A.S./C.N.R.S
Nous avons donc une fonction qui dans un premier temps commute comme un IGBT, puis quand la commutation est terminée, c'est le thyristor qui prend le relais. L'IGTH qui est destiné à être réalisé sur une même puce peut également être réalisé en discret selon le schéma suivant :
Th 1 2 I
MOSHT
MOSBloc
DZm
Rm
Vg IGBT
Vg MOSBloc
Figure 11 : Structure de l'IGHT discret
4.2 II-1-3- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Une séquence de fonctionnement (Figure 12) se décompose en plusieurs temps. Pour obtenir une commutation, il faut en premier lieu inhiber le fonctionnement du thyristor. On sature
donc MOSBloc , ce qui permet de déclencher la commutation grâce à l’IGBT à l’instant t1 sans craindre l’amorçage du thyristor. Le courant croît dans l’IGBT, en fonction de Vg IGBT. Lorsque la tension Vg IGBT atteint un niveau suffisant (fonction de la valeur de DZm), MOSHT
se met à conduire. Au moment où l’impulsion de commande retombe (instant t2), MOSBloc
n’est plus conducteur, MOSHT alimente donc la gâchette du thyristor. Dès lors, le thyristor et l’IGBT conduisent : il n’est donc plus nécessaire de maintenir l’IGBT en conduction. A l’instant t3, l’impulsion de commande Vg IGBT est retombée. Seul le thyristor conduit alors. Il ne s’arrêtera que lorsque IAK deviendra inférieur au courant de maintient Ih du thyristor.
mande retombe (instant t2), MOSBloc
n’est plus conducteur, MOSHT alimente donc la gâchette du thyristor. Dès lors, le thyristor et l’IGBT conduisent : il n’est donc plus nécessaire de maintenir l’IGBT en conduction. A l’instant t3, l’impulsion de commande Vg IGBT est retombée. Seul le thyristor conduit alors. Il ne s’arrêtera que lorsque IAK deviendra inférieur au courant de maintient Ih du thyristor.
Figure 12 : Séquence d'une commutation à la fermeture de l'IGTH.
Figure 12 : Séquence d'une commutation à la fermeture de l'IGTH.
Une application possible pour ce composant est donnée ci-après.
Une application possible pour ce composant est donnée ci-après.
t1 t2
t3
Vg IGBT
IAK
Rm
DZm
MOSBloc
MOSHT
IGBT
Th DINV
Ph
N A
RG
RC 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7 7.2
t (ms) I
A K (A
0 2 4 6 8 10 12
Vg (V)
I AK Vg IGBT
K
Charge
Vg IGTH
K
Figure 13 : Schéma du gradateur mono alternance à base d'IGTH Figure 13 : Schéma du gradateur mono alternance à base d'IGTH
Les largeurs d'impulsion sont choisies de telle sorte que l'IGBT soit bien saturé avant de céder sa place au thyristor. Elles varient de 50 à 230µs.
Les largeurs d'impulsion sont choisies de telle sorte que l'IGBT soit bien saturé avant de céder sa place au thyristor. Elles varient de 50 à 230µs.
4.3 LA TECHNOLOGIE SMART POWER 4.3 LA TECHNOLOGIE SMART POWER
C'est une technologie MOS qui permet de réaliser un interrupteur de puissance intelligent. On part d'une partie MOS de logique ou de microcontroleur, on fait sur la même puce une isolation puis on réalise un composant de puissance. De ce fait on a de façon monolithique la commande et la puissance dans le même boîtier.
C'est une technologie MOS qui permet de réaliser un interrupteur de puissance intelligent. On part d'une partie MOS de logique ou de microcontroleur, on fait sur la même puce une isolation puis on réalise un composant de puissance. De ce fait on a de façon monolithique la commande et la puissance dans le même boîtier.
4.4 LA TECHNOLOGIE ASD APPLICATION SPECIFIQUE DISCRETE
C'est une technologie bipolaire basée sur les composants 4 couches. Ici, on n'intègre pas la partie commande mais on cherche à réaliser sur la même puce, une fonction de puissance. Des broches du circuit ainsi réalisé sont disponibles pour la commande.
On réalise dans cette technologie une bibliothèque de composants élémentaires, diode, résistance (non-linéaire), transistor, … Ensuite on réalise en simulation ou avec des composants de la bibliothèque ASD™. Quand les résultats sont satisfaisants on intègre tous les composants sur la même puce. Chaque composant est isolé de l'autre par des caissons obtenus par un passage de la plaquette de 300 heures à 1280°C.
A titre d'exemples, les figures suivantes nous donnent deux applications construites autour d'une fonction de puissance intégrée sur une puce de silicium.
C 1 68nF 70V
R 1 39Ω
7 V 1000µF
0 . 5W
1 . 3W
2.88W
5 6 mW R 2 D 1
C 2
D 2 V s
Secteur
Cellule CEM Charge
Figure 14 : Alimentation 240VAC/7VDC CEM, la partie hachurée est intégrable
10nF 60W 5.6k
47nF
47nF 470k
470k
20k
20k
5.6k D1
D2 D3
D4
Figure 15 : variateur de lumière compatible CEM sans filtre secteur, dont la partie hachurée peut être intégrée.
5 Capacités des composants de puissance
5.1 LIMITES ET APPLICATIONS DES INTERRUPTEURS
Nous allons présenter différents diagrammes qui permettent de bien cibler les interrupteurs en fonctions des applications.
5.1.1 Diagramme V=f(I) par type d'interrupteur
Figure 16 : Diagramme du courant en fonction de la tension par type d'interrupteur
5.1.2 Diagramme I=f(V) par type d'application
Figure 17 : Diagramme du courant en fonction de la tension par type d'application 5.1.3 Diagramme P=f(F) par type d'interrupteur
Figure 18 : diagramme puissance en fonction de la fréquence par type d'interrupteur
6 Bibliographie
Besson R. "Technologie des composants électroniques" tome 2, édition radio.
Ferrieux J.P., Forest F. "Alimentations à découpage - convertisseurs à résonance", édition Masson, 1999.
Dalmasso J.L. "L'électronique de puissance - commutation", édition DIA technique supérieur, 1987.
Baliga B.J. "Power semi-conducteur devices", 1996.
Divers travaux réalisés au cours des recherches au laboratoire.
