Transistors IGBT
(1 295)Les transistors IGBT, c’est-à-dire les transistors bipolaires à grille isolée, font partie de la famille des dispositifs semi-conducteurs. Ils sont utilisés pour contrôler les courants de forte puissance, c’est-à-dire la haute tension et/ou le courant. En raison de leurs propriétés et de leurs avantages incontestables, les transistors IGBT sont utilisés par exemple dans les onduleurs, c’est-à-dire les appareils qui sont alimentés en courant continu, tandis qu’ils génèrent à leur sortie un courant alternatif de fréquence réglable. Les IGBT sont également utilisés dans d’autres dispositifs de puissance (tels que des convertisseurs, des redresseurs, des machines à souder), mais ils sont également utilisés dans des amplificateurs audio ou des voitures électriques. Les exemples listés ne sont que quelques-unes des applications possibles de ces composants électroniques extrêmement utiles.
Construction et propriétés des transistors IGBT
Les transistors IGBT sont des composants électroniques à trois conducteurs, qui, comme les transistors bipolaires ordinaires, ont un collecteur et un émetteur, tandis qu’au lieu d’une base, les IGBT sont équipés d’une grille, c’est-à-dire d’une borne identique à celle de transistors unipolaires, par exemple MOSFET. Afin de comprendre facilement leur fonctionnement, nous devons regarder le schéma équivalent d’un tel élément, que nous pouvons appeler son schéma interne. Il montre les transistors correctement connectés : type PNP bipolaire et MOSFET unipolaire, avec canal de type N. Le drain du MOSFET est connecté à la base du transistor bipolaire, tandis qu’à l’extérieur, il y a : la grille du transistor unipolaire et le collecteur et émetteur du transistor bipolaire.
La construction du transistor IGBT lui permet de combiner les avantages des transistors unipolaires et bipolaires. Le premier est la facilité de contrôle en appliquant la tension appropriée à la grille par rapport à l’émetteur (environ de 4 à 8 V). Le deuxième avantage est la capacité à conduire des courants élevés. Les transistors IGBT se caractérisent principalement par une valeur extrêmement haute de la tension nominale entre le collecteur et l’émetteur jusqu’à 6 kV. Ils permettent également de contrôler le courant électrique de forte intensité, de l’ordre de plusieurs centaines d’ampères.
Malgré les avantages incontestables, ces éléments nécessitent une efficacité de courant assez élevée de la part de l’appareil qui les contrôle. Cela est dû à la nécessité de recharger rapidement la capacité de grille du transistor IGBT en cas de commutation à haute fréquence. Ce courant dans l’impulsion peut atteindre même plusieurs ampères. Cependant il s’agit toujours d’une valeur inférieure à celle qui serait nécessaire pour contrôler des transistors bipolaires avec des paramètres similaires. La fréquence de commutation du courant à travers les transistors IGBT (avec l’utilisation d’un contrôle approprié) peut atteindre une valeur allant jusqu’à environ 30 kHz.
L’avantage des transistors IGBT par rapport aux transistors MOSFET couramment utilisés est une chute de tension de conduction beaucoup plus faible. Dans ce dernier cas, il est de toute façon petit de sorte que les transistors MOSFET sont souvent utilisés pour contrôler divers récepteurs de puissance, par exemple des bandes de LED. Cependant, lors de la conduite de courants élevés, leur résistance interne peut provoquer des chutes de tension importantes et la dissipation d’une puissance tout aussi élevée sous forme de chaleur. Les chutes de tension sur les IGBT sont beaucoup plus faibles, car le courant qui les traverse est bipolaire.
Les transistors IGBT permettent une commutation relativement rapide des circuits de courant, cependant, par rapport aux MOSFET, la coupure du courant traversant l’élément prend plus de temps. Le fait d’abaisser la tension à la grille d’un transistor IGBT ne l’éteint pas immédiatement, ce qui est parfois appelé « le courant de queue ». Ce phénomène affecte également la limitation de la fréquence de fonctionnement d’un tel élément dans un système électronique spécifique.
Comme presque tous les autres composants électroniques, les transistors IGBT peuvent être trouvés dans deux variétés de base, à savoir pour le montage en surface (SMD) et pour le montage traversant (THT). Ils peuvent également se présenter sous forme de modules, c’est-à-dire des systèmes de plusieurs transistors IGBT connectés en parallèle avec des composants électroniques supplémentaires, tels que des résistances, des diodes, etc.
Comment choisir un transistor IGBT pour une application donnée
Les transistors IGBT se caractérisent par des paramètres pratiquement identiques à ceux des autres types de transistors. Le premier paramètre à mentionner est la tension nominale collecteur-émetteur qui détermine quelle différence de potentiel peut être appliquée entre ces conducteurs avant qu’une panne et des dommages permanents à l’élément semi-conducteur ne se produisent. Ce paramètre est donné en volts [V]. Les valeurs de tension collecteur-émetteur pour les transistors IGBT commencent à environ 300 V et peuvent atteindre jusqu’à environ 5 kV.
Un autre paramètre de grande importance est le courant de collecteur qui est la valeur maximale du courant moyen traversant le transistor. Elle est bien entendu donnée en ampères [A]. Les transistors IGBT couramment disponibles dans le commerce peuvent gérer un courant de 1 A à environ 400 A. Ce paramètre est lié à un autre, appelé puissance dissipée, qui est exprimé en watts [W] et peut aller de 10 W à plus de 2 kW. Plus la valeur du courant traversant un élément donné est élevée, plus la puissance qui sera dégagée sur son boîtier sous forme de chaleur sera importante. Bien sûr, plus le boîtier d’un tel élément est grand, plus la puissance de dissipation qu’il peut atteindre est élevée, grâce à une meilleure dissipation de la chaleur vers l’environnement. Pour améliorer encore ce processus, on utilise très souvent un refroidissement passif, c’est-à-dire qu’un dissipateur thermique est fixé au transistor (généralement vissé ou collé avec de la colle thermoconductrice). Une autre amélioration peut être l’ajout d’un refroidissement actif, c’est-à-dire forcer le flux d’air à l’aide de ventilateurs.
En plus de la valeur nominale du courant de collecteur, il est également donné le courant de collecteur en impulsion, c’est-à-dire la valeur instantanée maximale du courant traversant l’élément, qu’il est capable de supporter sans brûlure immédiate ni dommage thermique permanent. Les transistors IGBT dans l’impulsion sont capables de supporter des courants dépassant même 1 kA.
En raison du choix du contrôle, il convient également de prêter attention à la tension maximale admissible entre la grille et l’émetteur (généralement de 10 V à 30 V). Pour obtenir des informations sur le seuil de commutation d’un transistor spécifique et le courant direct possible d’obtenir pour des conditions données, il est utile de lire la documentation d’un élément spécifique, dans laquelle on trouvera, entre autres, les caractéristiques de la dépendance du courant de collecteur à la différence de tension entre le collecteur et l’émetteur, ainsi qu’entre la grille et l’émetteur.
Du côté du pilote, les informations sur la charge de grille du transistor IGBT, qui est donnée en coulombs [C] peuvent également être importantes. Cette valeur varie d’environ 6 nC à même 1180 nC. Ceci est très important lors du choix d’un élément de contrôle ou d’un dispositif qui doit avoir une efficacité de courant appropriée. Oui, pour alimenter et décharger la grille de manière optimale. Ce paramètre est particulièrement important pour les fréquences de commutation élevées du transistor.
Souvent, la documentation communique également les temps d’activation et de désactivation du courant de collecteur, ce qui est une caractéristique importante lors de la conception de certains circuits électroniques.
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