Les IGBT sont les principaux composants de l'électronique de puissance moderne

Un transistor IGBT (abréviation de English Insulated-gate bipolar transistor) ou un isolated gate bipolar transistor (en abrégé IGBT) est un dispositif semi-conducteur à trois bornes qui combine un transistor bipolaire de puissance et un transistor à effet de champ le contrôlant à l'intérieur d'un boîtier.

Les transistors IGBT sont aujourd'hui les principaux composants de l'électronique de puissance (onduleurs puissants, alimentations à découpage, convertisseurs de fréquence, etc.), où ils servent de puissants interrupteurs électroniques qui commutent les courants à des fréquences mesurées en dizaines et centaines de kilohertz. Les transistors de ce type sont produits à la fois sous forme de composants séparés et sous forme de modules de puissance spécialisés (assemblages) pour la commande de circuits triphasés.

Le fait que le transistor IGBT comprend des transistors de deux types à la fois (en cascade) vous permet de combiner les avantages de deux technologies à l'intérieur d'un dispositif semi-conducteur.

Un transistor bipolaire en tant que transistor de puissance vous permet d'obtenir une tension de fonctionnement plus élevée, tandis que la résistance du canal à l'état ouvert est proportionnelle au courant au premier degré, et non au carré du courant comme transistors à effet de champ conventionnels. Et le fait que c'est le transistor à effet de champ qui est utilisé comme transistor de commande réduit la consommation d'énergie pour la commande des touches au minimum.

Les noms des électrodes caractérisent la structure du transistor IGBT: l'électrode de commande est appelée grille (comme un transistor à effet de champ), et les électrodes du canal de puissance sont appelées collecteur et émetteur (comme un transistor bipolaire).

Un peu d'histoire

Historiquement, les transistors bipolaires ont été utilisés sur un pied d'égalité. avec thyristors comme clés électroniques de puissance jusqu'aux années 90. Mais les inconvénients des transistors bipolaires étaient toujours évidents: un courant de base important, un arrêt lent et une surchauffe du cristal, une forte dépendance à la température des principaux paramètres et une tension de saturation collecteur-émetteur limitée.

Les transistors à effet de champ (structures MOS) qui sont apparus plus tard ont immédiatement changé la situation pour le mieux: le contrôle de la tension ne nécessite plus de tels courants importants, les paramètres du commutateur dépendent faiblement de la température, la tension de fonctionnement du transistor n'est pas limitée par le bas, la faible résistance du canal d'alimentation à l'état ouvert étend la gamme des courants de fonctionnement, la fréquence de commutation peut facilement atteindre des centaines de kilohertz, en outre, la capacité des transistors à effet de champ à résister à de fortes charges dynamiques à des tensions de fonctionnement élevées est remarquable.

Puisque le contrôle d'un transistor à effet de champ est beaucoup plus simple et plus puissant qu'un bipolaire, il y en a un restrictif à l'intérieur. diode, - Les transistors à effet de champ ont immédiatement gagné en popularité dans les convertisseurs de tension de commutation haute fréquence, ainsi que dans les amplificateurs acoustiques de classe D.

Vladimir Dyakonov

Le premier transistor à effet de champ de puissance a été développé par Viktor Bachurin en Union soviétique en 1973, après quoi il a été étudié sous la supervision du scientifique Vladimir Dyakonov. Les recherches du groupe Dyakonov concernant les propriétés clés d'un transistor à effet de champ de puissance ont conduit au développement en 1977 d'un commutateur à transistor composite, à l'intérieur duquel un transistor bipolaire était contrôlé par une grille isolée à effet de champ.

Les scientifiques ont montré l'efficacité de cette approche, lorsque les propriétés actuelles de l'unité de puissance sont déterminées par un transistor bipolaire et que les paramètres de contrôle sont déterminés par celui du champ. De plus, la saturation du transistor bipolaire est éliminée, ce qui signifie que le retard à l'arrêt est réduit. Il s'agit d'un avantage important de toute touche d'alimentation.

Des scientifiques soviétiques ont obtenu le certificat de copyright n ° 757051 "Pobistor" pour un nouveau type de dispositif semi-conducteur. Il s'agissait de la première structure contenant un transistor bipolaire puissant dans un boîtier, au sommet duquel se trouvait un transistor à effet de champ de commande avec une grille isolée.

Quant à la mise en œuvre industrielle, déjà en 1983, Intarnational Rectifier a breveté le premier transistor IGBT. Et deux ans plus tard, un transistor IGBT avec une structure plate et une tension de fonctionnement plus élevée a été développé. Cela a été fait simultanément dans les laboratoires de deux sociétés - General Electric et RCA.

Les premières versions de transistors bipolaires à grille isolée présentaient un inconvénient majeur: la commutation lente. Le nom IGBT a été adopté dans les années 90, lorsque les deuxième et troisième générations de transistors IGBT ont été créées. Ensuite, ces lacunes ont disparu.

Avantages distinctifs des IGBT

Comparés aux transistors à effet de champ conventionnels, les IGBT ont une impédance d'entrée plus élevée et une puissance inférieure qui est dépensée pour le contrôle de la grille.

Contrairement aux transistors bipolaires, la tension résiduelle est inférieure lorsqu'ils sont allumés. Les pertes à l'état ouvert, même à des tensions et des courants de fonctionnement élevés, sont assez faibles. Dans ce cas, la conductivité est similaire à celle d'un transistor bipolaire, et la clé est contrôlée par la tension.

La gamme de collecteur-émetteur de tension de fonctionnement pour les modèles les plus largement disponibles varie de dizaines de volts à 1200 volts ou plus, tandis que les courants peuvent atteindre jusqu'à 1000 ampères ou plus. Il existe des assemblages pour des centaines et des milliers de volts en tension et des courants de centaines d'ampères.

On pense que les transistors à effet de champ conviennent mieux à des tensions de fonctionnement jusqu'à 500 volts, et les transistors IGBT conviennent à des tensions supérieures à 500 volts et à des courants supérieurs à 10 ampères, car une résistance de canal inférieure à l'état ouvert est extrêmement importante à des tensions inférieures.

Transistors IGBT

L'application principale des transistors IGBT se trouve dans les onduleurs, les convertisseurs de tension de commutation et les convertisseurs de fréquence (par exemple, le module demi-pont SKM 300GB063D, 400A, 600V) - où il y a une haute tension et une puissance importante.

Onduleurs de soudage - un domaine d'application distinct des transistors IGBT: courant élevé, puissance supérieure à 5 kW et fréquences jusqu'à 50 kHz (IRG4PC50UD - classique du genre, 27A, 600V, jusqu'à 40 kHz).

Vous ne pouvez pas vous passer de l'IGBT sur les transports électriques urbains: avec les thyristors, les moteurs de traction affichent une efficacité inférieure à celle de l'IGBT.En outre, l'IGBT permet une conduite plus douce et une bonne combinaison avec des systèmes de freinage régénératifs même à grande vitesse.

Il n'y a rien de mieux que l'IGBT lorsque vous devez commuter à des tensions élevées (plus de 1000 V) ou contrôler un variateur de fréquence (fréquences jusqu'à 20 kHz).

Sur certains circuits, les transistors IGBT et MOSFET sont complètement interchangeables, car leur brochage est similaire et les principes de contrôle sont identiques. Les portes dans ce cas et dans l'autre cas représentent une capacité allant jusqu'à nanofarads, avec une recharge de maintien de charge sur laquelle le pilote installé sur un tel circuit peut facilement gérer et fournir un contrôle adéquat.

Voir aussi:Transistors MOSFET et IGBT de puissance, différences et caractéristiques de leur application