Transistors et diodes de puissance : caractéristiques et différences

Différences entre BJT de puissance et MOSFET

Les transistors bipolaires de puissance (BJT) sont fréquents dans les convertisseurs de puissance fonctionnant à des fréquences inférieures à 10 kHz. Ils sont disponibles dans des spécifications allant jusqu'à environ 1200 V et 400 A. Un transistor bipolaire dispose de trois terminaux : base, émetteur et collecteur. Il fonctionne généralement comme un interrupteur en configuration émetteur commun.

Lorsque la base d'un transistor NPN reçoit un potentiel plus élevé que l'émetteur et que le courant de base est suffisant pour conduire le transistor en région de saturation, le transistor reste conducteur tant que la jonction collecteur‑émetteur est correctement polarisée.

La chute de tension directe d'un BJT (V_BE en conduction) est de l'ordre de 0,5 à 1,5 V. Si la tension d'excitation de la base est supprimée, le transistor passe en mode non conducteur.

Les MOSFET de puissance sont utilisés dans les convertisseurs à grande vitesse et se rencontrent dans des spécifications de l'ordre de 1000 V, 50 A, pour des plages de fréquence de plusieurs dizaines de kHz. Ils sont commandés en tension et présentent généralement des temps de commutation rapides et une résistance à l'état passant faible (R_DS(on)).

Caractéristiques d'un IGBT

Les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sont commandés en tension. Par nature, ils sont plus rapides que les BJT, mais généralement pas aussi rapides que les MOSFET. En revanche, ils offrent une forte capacité de conduction et de blocage pour des courants importants et conviennent aux applications jusqu'à des fréquences de l'ordre de 20 kHz. Les IGBT sont disponibles jusqu'à environ 1200 V et 400 A.

Caractéristiques d'un MCT

Un MCT (MOS Controlled Thyristor) peut être activé par une impulsion de tension négative sur sa petite grille MOS (par rapport à l'anode) et peut être désactivé par une impulsion de tension positive de faible amplitude. Le MCT présente généralement un gain d'excitation élevé et se situe entre le thyristor classique et les dispositifs MOS en terme de commandes.

Caractéristiques d'un SIT

Un SIT (Static Induction Transistor) est un composant destiné aux hautes puissances et hautes fréquences. Il est essentiellement une version à l'état solide d'une triode et est similaire à un JFET. Ses qualités incluent une faible génération de bruit, une faible distorsion et de bonnes performances en audio haute fréquence.

• Temps d'activation et de désactivation très courts : typiquement ≈ 0,25 μs.
• Faible chute de tension en conduction.
• Spécifications possibles : jusqu'à 1200 V, 300 A.
• Vitesse de commutation pouvant atteindre ≈ 100 kHz.
• Applications : hautes puissances, hautes fréquences (audio, VHF/UHF, amplificateurs micro-ondes).

Différences entre BJT et IGBT

• IGBT : commandé en tension, plus rapide que le BJT mais généralement moins rapide que le MOSFET.
• IGBT : adapté aux hautes tensions et aux courants élevés ; fréquences utilisables jusqu'à ≈ 20 kHz ; disponible jusqu'à ≈ 1200 V, 400 A.
• BJT : commandé en courant, généralement moins rapide que l'IGBT ; convient plutôt aux fréquences inférieures à ≈ 10 kHz.
• BJT : peut aussi gérer des tensions élevées et des courants importants (exemples commerciaux jusqu'à ≈ 1200 V et 400 A), mais la commande et la dynamique diffèrent de l'IGBT.

Différences entre MCT et GTO

• GTO (Gate Turn-Off thyristor) : est activé par une brève impulsion positive sur la porte et peut être désactivé par une impulsion négative sur la porte.
• La GTO peut ne pas nécessiter de circuit de commutation externe complexe pour l'extinction, ce qui la rend intéressante pour certains convertisseurs à commutation forcée.
• Spécifications typiques : GTO disponibles jusqu'à ≈ 4000 V et 300 A (selon la technologie et l'application).
• MCT : peut être excité par une impulsion de tension négative sur la petite grille MOS (par rapport à l'anode) et désactivé par une petite impulsion de tension positive. Le MCT présente un gain d'excitation élevé.
• Spécifications typiques : MCT disponibles jusqu'à ≈ 1000 V et 100 A (selon la version).

Différences entre SITH et GTO

Les désignations varient selon les technologies, mais les points suivants résument les différences principales :

• Les GTO et certaines variantes de SITH peuvent être désactivés via la porte (commande par grille), contrairement aux thyristors classiques qui s'éteignent par commutation de ligne.
• GTO et SITH sont généralement déclenchés par une brève impulsion positive sur la porte ; la désactivation s'obtient par une impulsion négative sur la porte.
• Les SITH se distinguent de la GTO par leurs caractéristiques et domaines d'application : les SITH sont disponibles typiquement jusqu'à ≈ 1200 V, 300 A, tandis que la GTO peut atteindre des tensions plus élevées (ex. jusqu'à ≈ 4000 V, 300 A selon la technologie).
• Les SITH s'appliquent souvent aux convertisseurs de puissance moyenne et peuvent supporter des fréquences de plusieurs centaines de kHz, au‑delà de la gamme typique de la GTO.

Types de diodes de puissance

Types : diodes standard pour usage général, diodes de récupération rapide, diodes Schottky.

Courant de fuite des diodes

Quand le potentiel de l'anode est positif par rapport à la cathode, la diode est en polarisation directe et conduit. Quand le potentiel de la cathode est positif par rapport à l'anode, la diode est en polarisation inverse et présente un courant de fuite (reverse leakage) typiquement dans la gamme des μA à mA ; l'amplitude augmente avec la tension inverse jusqu'à l'avalanche ou le point Zener.

Temps de récupération inverse des diodes

Le temps de récupération inverse (trr) est l'intervalle de temps entre l'instant où le courant direct tombe à zéro lors du passage de l'état conducteur à l'état bloqué en inverse, et l'instant où le courant inverse s'est réduit à 20 % de sa valeur de pointe inverse. trr dépend de la température de jonction, de la pente de décroissance du courant direct et de l'intensité du courant avant la commutation.

Reprise de courant inverse

La reprise de courant inverse d'une diode correspond au courant dû aux porteurs minoritaires lorsque la diode se trouve en polarisation inverse après avoir été en conduction directe.

Facteur de douceur des diodes

Le facteur de douceur (softness factor) est le rapport tb/ta lié au profil temporel de récupération et au stockage de charge dans la région de jonction. Il reflète la douceur avec laquelle le courant inverse décroît, influencé par le stockage de charge dans le semi‑conducteur.

Types de diodes de récupération

Les diodes de récupération rapide ont des temps de récupération bien plus courts que les diodes classiques ; elles sont utilisées dans les convertisseurs où la vitesse de récupération est critique.

Les diodes épitaxiales fournissent des vitesses de commutation élevées par rapport aux diodes de diffusion. Pour des tensions supérieures à ≈ 400 V, les diodes de récupération rapide sont souvent fabriquées par diffusion et le temps de récupération est contrôlé par des traitements comme la diffusion d'or ou de platine.

Cause du temps de récupération inverse d'une diode PN

Lorsqu'une diode est en conduction directe et que le courant est réduit à zéro, la diode continue à conduire brièvement en raison des porteurs minoritaires stockés dans la jonction PN. La nécessité d'évacuer ou de recombiner ces charges provoque le temps de recouvrement inverse.

Effet du temps de récupération inverse

Le temps de récupération inverse limite la vitesse de montée du courant direct et la rapidité de commutation du dispositif ; il est donc critique dans les convertisseurs à haute fréquence.

Pourquoi utiliser des diodes de récupération rapide ?

Les diodes de récupération rapide réduisent le temps de récupération inverse, ce qui est nécessaire pour la conversion à grande vitesse et pour minimiser les pertes et les perturbations lors des commutations rapides.

Temps de recombinaison / récupération directe

Le temps de récupération directe correspond au temps nécessaire pour que les charges excédentaires dans la jonction PN se recombinent après l'arrêt de la conduction directe.

Différence entre diode PN et Schottky

Une diode Schottky évite le problème de stockage de charge d'une jonction PN ; sa récupération inverse est donc beaucoup plus faible. En contrepartie, le courant de fuite d'une diode Schottky est généralement plus élevé que celui d'une diode PN. Le compromis courant/tension est tel que, pour une Schottky, une tension directe légèrement plus élevée peut réduire le courant de fuite relatif, et inversement.

Limitations des diodes Schottky

Les diodes Schottky sont généralement limitées en tension maximal (Vmax) — typiquement ≲ 100 V selon la technologie. Les courants disponibles varient de quelques ampères à plusieurs centaines d'ampères (ex. 1 à 300 A). Elles sont idéales pour les alimentations à faible tension et fort courant, offrant une plus grande efficacité dans ces applications.

Temps de récupération typiques

• Diodes d'usage général : temps de récupération inverse relativement élevé, typiquement ≈ 25 μs ; utilisées là où la vitesse de récupération n'est pas critique.
• Diodes de récupération rapide : temps de récupération faible, généralement < 5 μs ; utilisées dans les convertisseurs CA–CC–CA et autres circuits où la vitesse de récupération est critique.

Problèmes des diodes en série et solutions

Quand une seule diode haute tension n'est pas disponible, plusieurs diodes sont connectées en série pour augmenter la capacité de blocage inverse. Les problèmes rencontrés incluent la répartition inégale de la tension en raison des tolérances et des différences de courant de fuite.

Solutions possibles :

• Résistances d'équilibrage en parallèle pour assurer la répartition statique de la tension.
• Diviseurs RC ou réseaux d'équilibrage dynamiques pour améliorer la répartition pendant les transitoires.
• Conception soignée et sélection de diodes appariées.

Étapes dans la conception d'un équipement électronique de puissance

Le développement d'un équipement électronique de puissance peut être divisé en quatre parties :

1. Conception des circuits de puissance.
2. Protection des dispositifs de puissance.
3. Détermination de la stratégie de contrôle.
4. Conception du circuit logique et de commande.

Effets périphériques des équipements électroniques de puissance

Les convertisseurs de puissance basés sur la commutation de dispositifs semi‑conducteurs introduisent des harmoniques de courant et de tension sur l'alimentation et en sortie. Il est généralement nécessaire d'ajouter des filtres d'entrée et de sortie dans un système de conversion pour réduire le niveau des harmoniques à une valeur acceptable.

Différences entre thyristors GTO et autres portes

Les GTO se distinguent des thyristors classiques par leur capacité à être désactivés via la porte (par une impulsion négative). Contrairement aux thyristors traditionnels, qui s'éteignent généralement par commutation de ligne, la GTO permet une extinction commandée par grille, ce qui élargit son champ d'utilisation.

Différences entre thyristors et transistors de puissance

Les thyristors sont des dispositifs commandés par une impulsion de gâchette (courant de grille) et restent conducteurs tant que l'anode est à un potentiel supérieur à la cathode (sauf extinction forcée). Les transistors de puissance peuvent être contrôlés en courant (BJT) ou en tension (MOSFET, IGBT), et offrent des comportements de commande et de commutation différents, adaptés à diverses plages de fréquence et applications.

Électronique de puissance

L'électronique de puissance peut être définie comme l'application de l'électronique des semi‑conducteurs au contrôle et à la conversion de l'énergie électrique.

Types de thyristors

Exemples de thyristors et variantes :

• SCR : thyristor à commande de phase (Silicon Controlled Rectifier).
• RCS : commutation rapide (fast switching thyristor) et variantes.
• GTO : thyristor à extinction par porte (Gate Turn-Off).
• Triode à commande (bidirectional triode thyristor).
• ECR : conduction inverse contrôlée.
• SITH : thyristor à induction statique.
• LASCR : redresseur commandé au silicium activé par la lumière.
• FET‑CTH : contrôlé par FET, variantes contrôlées par MOS (MCT).

Circuit de commande

Un circuit de commande polarise la porte d'un thyristor (via DIAC, TRIAC, RCS, FET, etc.) pour assurer le passage du courant de l'anode à la cathode au moment souhaité.

Conditions de conduction d'un thyristor

Un thyristor possède trois bornes : anode, cathode et grille (gate). Lorsqu'un petit courant passe de la grille vers la cathode alors que l'anode est à un potentiel supérieur à la cathode, le thyristor se déclenche et reste conducteur tant que les conditions d'anode‑cathode sont respectées.

Comment désactiver un thyristor en conduction

Pour éteindre un thyristor en conduction, il faut rendre le potentiel de l'anode égal ou inférieur au potentiel de la cathode (commutation par la ligne). Dans les thyristors commutés forcés (ex. GTO, SITH), l'extinction peut être obtenue par des techniques d'extinction forcée via la porte ou par circuits de commutation dédiés.