IGBT

IGBT

Transistor bipolaire à grille isolée

Symbole usuel de lIGBT

Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de langlais Insulated Gate Bipolar Transistor) est un dispositif semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur électronique de puissance, principalement dans les montages de lélectronique de puissance.

Ce composant, qui combine les avantages des technologies précédentescest-à-dire la grande simplicité de commande du transistor à effet de champ par rapport au transistor bipolaire, tout en conservant les faibles pertes par conduction de ce derniera permis de nombreux progrès dans les applications de lélectronique de puissance, aussi bien en ce qui concerne la fiabilité que sur laspect économique[1].

Les transistors IGBT ont permis denvisager des développements jusqualors non viables en particulier dans la vitesse variable ainsi que dans les applications des machines électriques et des convertisseurs de puissance qui nous accompagnent chaque jour et partout, sans que nous en soyons particulièrement conscients : automobiles, trains, métros, bus, avions, bateaux, ascenseurs, électroménager, télévision, domotique, etc.

Sommaire

Historique

La première tentative concernant ce composant est sa réalisation en composants discrets, avec un transistor à effet de champ de faible puissance commandant un transistor bipolaire de puissance (montage BipMos). Le but est de simplifier les circuits de commande inhérents aux applications des transistors de puissance en commutation, fort complexes dans les années 1970-1980.

La technologie IGBT a été brevetée aux États-Unis le 14 décembre 1982 par Hans W. Beck et Carl F. Wheatley, Jr., sous le nom de Power MOSFET with an Anode Region (Brevet n°4,364,073)[2]. Cest une technologie récente, qui succède aux thyristors, aux transistors Darlington et aux thyristors GTO[3].

La première génération de transistors IGBT présentait dimportants problèmes de verrouillage (ou latching), qui ont été corrigés dans la 2e génération apparue au début des années 1990. La fin du XXe siècle a connu trois nouvelles générations de transistors IGBT, qui ont augmenté les performances pour des courants et des tensions importants (IGBT à structures trench, CSTBT[4]).

Les caractéristiques de lIGBT font que dans les années 2000 il sest largement imposé dans tous les domaines de lélectronique de puissance face aux autres types de composants pour les gammes de tension 600 V à 3 300 V, et quil perce dans les tensions supérieures face au GTO, ainsi que dans les tensions inférieures face au MOSFET, bien quil soit plus lent[5].

Caractéristiques

Schéma équivalent de lIGBT

LIGBT est un transistor hybride, regroupant un transistor à effet de champ du type MOSFET en entrée et un transistor bipolaire en sortie. Il est ainsi commandé par la tension de grille (entre grille et émetteur) qui lui est appliquée, mais ses caractéristiques de conduction (entre collecteur et émetteur) sont celles dun bipolaire. Le schéma équivalent du transistor IGBT ci-contre montre un troisième transistor, qui représente en fait une propriété parasite responsable du latching.

Cette structure lui donne le faible coût énergétique de commande dun MOSFET, avec les pertes de conduction plus faibles (à surface de puce donnée) dun bipolaire. De plus, les IGBT peuvent gérer une tension bien plus élevée que celle gérée par les MOSFET.

Conductance

La conductance est définie par la résistance du transistor lorsque celui-ci est passant : on lappelle aussi Ron dans le cas dun FET ou VCEsat pour un bipolaire. Cest une caractéristique importante car elle détermine léchauffement du composant en fonction du courant Ice : plus le VCEsat est faible, plus le courant admissible peut être fort. Dans le cas de lIGBT, la conductance est minimisée par lutilisation dun transistor bipolaire en sortie, et par loptimisation de la saturation de celui-ci. Pour cela, il est possible de diminuer le Ron du MOSFET dentrée, et daugmenter le gain du transistor bipolaire. Cependant un gain trop important entrainera un risque élevé de latching[6].

Les dernières technologies SPT (Soft-Punch-Through), dites SPT+, permettent de diminuer encore la chute de tension directe VCEsat de lordre de 25 à 30 %.

Commutation

La faiblesse de lIGBT (comparé au MOSFET) résulte essentiellement dans sa vitesse de commutation, notamment lors du passage de létat passant à létat bloqué : les « trous » présents dans la « zone dépitaxie N- » (Drift zone) doivent se recombiner ou être évacués lorsque la tension de la grille passe en dessous du seuil de commutation. La technologie PT possède une zone tampon (buffer) à proximité de la zone de drift pour accélérer labsorption des trous. Les transistors IGBT-PT seront donc plus rapides, mais auront une tension VCEsat plus élevée[7].

Les fréquences de commutation maximales peuvent être notablement augmentées par lutilisation de « circuits daide à la commutation » passifs (dissipatifs), mais surtout actifs (non dissipatifs), de type « ZVS » (Zero Voltage Switch, commutation au zéro de tension), « ZCS » (Zero Current Switch, commutation au zéro de courant) ou autres. Ces circuits, en assurant des « commutations douces », permettent une diminution drastique des pertes de commutation, tout en facilitant grandement la mise en conformité des équipements concernant la compatibilité électromagnétique. Néanmoins, du fait de leur complexité et de leur coût, ils sont encore peu utilisés dans les fortes puissances.

Verrouillage (Latching)

LIGBT présente quatre couches N-P-N-P qui peuvent sous certaines conditions devenir passantes à la manière dun thyristor, du fait de la présence du transistor parasite entre émetteur et base du transistor bipolaire principal (voir le schéma équivalent ci-dessus: cest leffet latch-up (verrouillage). Dans ces conditions le transistor restera passant, avec effets destructifs, jusquà ce que lalimentation soit coupée[6]. Les constructeurs sont parvenus à diminuer ce problème majeur du transistor IGBT, et ce de différentes manières : réduction de la transconductance du transistor bipolaire de sortie, utilisation de nouvelles technologies de gravure comme lIGBT Trench. Ces évolutions, ainsi que lamélioration des processus de commande de grille, font que le phénomène de verrouillage est actuellement bien maitrisé et ne pose plus de problèmes au développement de lutilisation industrielle de lIGBT.

Aire de sécurité (Safe Operating Area)

Exemple d'aire de sécurité

Laire de sécurité ou « zone de fonctionnement sûr » ou SOA (qui est le sigle anglais pour Safe Operating Area) désigne les zones de fonctionnement autorisées du transistor dans le plan courant-tension. Dans ces zones, le transistor peut travailler sans subir de dommages dans les périodes à la fois un courant important traverse le semi-conducteur et une tension importante est présente à ses bornes, cest-à-dire en dehors du fonctionnement « saturé » (conducteur et faible chute de tension). Dans tous les cas ces zones de fonctionnement ne peuvent être que transitoires, car les puissances dissipées en valeurs instantanées sont de plusieurs ordres de grandeur au-dessus de la puissance admissible nominale du composant. On distingue trois phases critiques :

  1. le court-circuit. Il sagit de la zone dite de SCSOA (pour Short Circuit SOA) ou aire de sécurité de court-circuit. Lorsque la charge commandée par le transistor est en court-circuit, le courant demandé est en théorie infini. En pratique, le courant ICE dans le transistor est limité par la tension VGE sur la grille et la valeur de la transconductance, ainsi que par le circuit extérieur. Le risque pour lIGBT est alors le verrouillage (latching). Suivant la famille utilisée ce risque est minimisé au détriment de la transconductivité ou du VCEsat. Certains IGBT ont un circuit interne de limitation du courant de court-circuit à quelques multiples du courant nominal.
  2. la commutation ON->OFF avec une charge inductive. Il sagit de la zone dite de RBSOA (pour Reverse Bias SOA) ou aire de sécurité inverse. Lors de cette phase de transition on passe dun état un courant stable (et important) ICE est établi dans la charge et dans le transistor à un état le transistor est bloqué. La tension VCE croit alors de quelques volts à la tension dalimentation augmentée de la FCEM de la charge inductive. Cette FCEM doit être limitée, par exemple, par une diode dite de « roue libre » à ses bornes. Durant cette phase le courant est constantcar lorsque la charge est inductive, elle tend à sopposer à la variation de courantceci jusquà la fin de la recombinaison des porteurs et au blocage de la jonction par augmentation de la barrière de potentiel. Il sensuit un risque de « claquage » du composant par formation de points chauds localisés et embalement thermique ; ce phénomène est connu pour les transistors bipolaires de puissance sous le nom de « second claquage » (Second Break Down en anglais). Les IGBT sont cependant beaucoup plus robustes que les bipolaires pour la tenue en aire de sécurité inverse. Des circuits daide à la commutation au blocage, en dérivant le courant de la charge inductive (dans un condensateur auxiliaire par exemple) pendant la période de blocage autorisent une commutation à pertes quasi-nulles pour le silicium et évitent le risque de second claquage.
  3. lutilisation du transistor en mode linéaire. Létude de cette phase présente un intérêt plus limité, car ce nest pas le mode de fonctionnement usuel de lIGBT. Une attention particulière sur ce mode de fonctionnement est cependant nécessaire lors de la mise en œuvre des circuits de protection du composant contre les court-circuits.

Transconductance

La transconductance dun IGBT est le rapport entre le courant de sortie et la tension dentrée. Ce rapport dépend de nombreux paramètres, notamment la taille du transistor, la température ou le courant de sortie. Contrairement aux transistors bipolaires, les MOSFET et les IGBT nont pas un gain de transconductance qui chute avec le courant de sortie.

Performances

Le tableau suivant montre les performances typiques de quelques produits du marché des transistors.

Il dégage la tendance générale :

  • le VCEsat augmente et la fréquence dutilisation diminue quand la tenue en tension augmente ;
  • les MOSFET et les GTO deviennent concurrentiels aux extrémités de la gamme.
Caractéristiques moyennes comparées
  MOSFET 600V IGBT 600V IGBT 1700V IGBT 3300V IGBT 6500V GTO 6000V
VCEsat[8] à 125 °C 2,2 V 1,8 V 2,5 V 3,5 V 5,3 V 3 V
fréquence typique[9] 15-100 kHz 6-40 kHz 3-10 kHz 1-5 kHz 0,8-2 kHz 0,3-1 kHz

Des produits de certains fabricants peuvent sécarter significativement des valeurs mentionnées car relevant doptimisations différentes (améliorant lun des paramètres au détriment de lautre) ou utilisant des technologies très récentes.

Structure

Vue en coupe dune cellule élémentaire (planar, PT)

La structure dun IGBT est basée sur celle dun MOSFET vertical doublement diffusé[10] : lépaisseur du support est utilisée pour séparer le drain de la source. Les épaisseurs typiques des wafers sont de l'ordre de 70 à 100 µm. Une zone dite d'épitaxie, dopée N-, permet l'apparition d'un canal lorsque des électrons sont injectés par la grille (VG>0, état passant).

La technique de double diffusion est utilisée pour créer les puits dopés P/P+ à proximité de la source. La présence d'une région dopée P+ diminue le risque de latchup, tout en augmentant la tension de seuil de commutation.

La différence principale entre un MOSFET vertical et un IGBT est lexistence dune couche de substrat P+ (fortement dopée) côté drain/collecteur. Cette couche injecte des trous dans la couche N-, ce qui a pour effet de diminuer la chute de tension à létat passant et de le transformer en transistor bipolaire.

À létat bloqué, cest la couche N- qui supporte la tension. Cette tension maximale sera d'autant plus importante que la couche N d'épitaxie sera peu dopée et/ou épaisse.

À l'état passant, le courant sera limité par la largeur du canal. Les structures verticales permettent la mise en parallèle de plusieurs cellules élémentaires, de façon à augmenter le courant admissible et diminuer la résistance à l'état passant RDSon.

Les différentes structures d'IGBT

Section d’un IGBT Non Punch Through
Section d’un IGBT Punch Through
Section d’un IGBT Punch Through en tranchée
Section dun IGBT Non Punch Through Section dun IGBT Punch Through Section dun IGBT Punch Through en tranchée

LIGBT NPT (sigle anglais : Non Punch Through) à grille plane est la structure la plus simple à réaliser. Elle utilise des puces plus minces, sans couche N+ additionnelle. La transconductance sera moins élevée, il est donc plus robuste en situation de court-circuit.

LIGBT PT (sigle anglais : Punch Through) à grille plane utilise des puces épaisses comportant une couche tampon N+. Il a en principe une chute de tension plus faible à létat passant.

Cette couche tampon entre la zone d'épitaxie N et la zone d'injection P+ du collecteur permet d'obtenir une distribution du champ électrique trapézoïdal.

On trouve également des transistors dénommés DS-IGBT (pour Depletion Stop IGBT), ou FS-IGBT (pour Field Stop IGBT), qui présentent les mêmes caractéristiques que le PT-IGBT, avec une couche tampon moins dopée. Cela permet d'utiliser les technologies de fabrication plus simples d'un NPT-IGBT.

Les structures précédentes dites à grille plane (en anglais : planar) ont l'avantage d'être faciles à réaliser. Néanmoins une technologie dite de grille en tranchée (en anglais : trench) est également utilisée : la zone dépitaxie est découpée sous la grille de manière à diminuer les phénomènes de latching et permettre ainsi des densités de courant plus importantes. Cette géométrie est aussi plus compacte et généralement plus performante que la géométrie à grille plane.

Technologie

Module IGBT 3300 V 1200 A
Intérieur d'un module IGBT 600 V 400 A

Les IGBT sont fabriqués avec des techniques similaires à celle des circuits intégrés (comme les MOSFET, mais contrairement aux GTO et thyristors de puissance). Ceci a pour conséquence que la taille de la puce est limitée à environ 1 cm2, alors quon sait faire des diodes monolithiques de 150 mm de diamètre (176 cm2) [11].

Les gros IGBT sont donc des modules multi-puces, constitués de nombreuses puces en parallèle, généralement brasées sur une semelle de cuivre ou dAl-SiC à travers laquelle on assure leur refroidissement.

La plupart intègrent aussi une diode anti-parallèle (ou de « roue-libre »), elle-même multi-puces. Cette diode est en fait une partie très importante du module IGBT, car ses caractéristiques (en particulier de recouvrement) doivent être compatibles avec lIGBT lui-même, nécessité cruciale. Ceci représente dailleurs une des premières applications pour les semi-conducteurs en carbure de silicium[12].

On trouve principalement des IGBT « canal N ». La structure complémentaire « canal P » est possible, mais limitée aux petites puissances, car comme pour les transistors bipolaires et les MOSFET, les caractéristiques obtenues sont moins bonnes (pertes supérieures par exemple).

Ces composants sont disponibles pratiquement dans tous les boîtiers courants, depuis le petit boîtier plastique (TO-220) pour des courants de quelques ampères à quelques dizaines dampères et des tensions collecteur-émetteur de 600 à 1 500 volts, jusquaux modules de forte puissance de quelques centaines dampères et quelques kilovolts.

Gammes et usages

Ces composants sont disponibles dans une gamme de tension allant de 600 (et moins) à 6 500 volts, et des courants jusquà 2 400 ampères par module. Les valeurs de tension les plus courantes sont :

  • 600 V : valeur adaptée à la connexion sur un réseau 230 V alternatif ;
  • 1 200 V : valeur adaptée à la connexion sur un réseau 400 V alternatif ;
  • 1 700 V : valeur adaptée à la connexion sur un réseau 660 V alternatif ;
  • 3 300 V : valeur utilisée en traction ferroviaire 1 500 V continu ;
  • 6 500 V : valeur utilisée en traction ferroviaire 3 000 V continu.

Applications

Les applications usuelles de lIGBT sont les onduleurs, redresseurs et hacheurs pour les alimentations à découpage et la vitesse variable, mais aussi pour les FACTS.

Exemples

  • Les IGBT sont utilisés comme éléments de puissance dans les convertisseurs de traction du TGV, sur les versions les plus modernes équipées de moteurs asynchrones, ainsi que dans la plupart des convertisseurs auxiliaires (éclairage, ventilation, etc). La tendance est à la généralisation des IGBT sur ce marché[13].
  • La technologie IGBT est exploitée dans les émetteurs ondes décamétriques développés par Thales Broadcast & Multimedia (série TSW2500) à tétrode finale HF. Les modules IGBT constituent létage de modulation AM dont le but est deffectuer une superposition du signal audio sur la tension dalimentation de la tétrode finale HF de puissance. En 2006, douze émetteurs de ce type sont en service sur le site de TDF dIssoudun qui assure la radiodiffusion de RFI (puissance unitaire de 500 kW associée à une antenne ALLISS).
  • Ils sont également utilisés dans les variateurs-onduleurs de commande des moteurs électriques des pods, propulseurs des navires les plus récents comme le Queen Mary 2.
  • Lutilisation des IGBT commence à se développer dans le secteur automobile pour les véhicules électriques et en particulier pour les voitures dites hybrides comme par exemple la Toyota Prius, dont la partie électrique de la chaîne de traction comprend deux moteurs électriques sans balais commandés par un onduleur de 50 kW à IGBT.
  • Les ballasts électroniques de forte puissance (jusquà 18 kW) pour lampes à décharges halogènes comme les lampes HMI (Hydragyrum Metal Iodyne) utilisées dans les projecteurs professionnels de spectacle incorporent des IGBT dans leurs étages de puissance. Le fonctionnement de lensemble devant être inaudible, lencombrement réduit, et la compatibilité électromagnétique maximum, cette application particulière requiert un fonctionnement à des fréquences de découpages supérieures à 20 kHz et lemploi impératif de circuits daide à la commutation non dissipatifs.
  • Ces transistors sont utilisés dans le chauffage par induction.

LIGBT est utilisé presque exclusivement en commutation, cest-à-dire quand seuls les états saturés et bloqués sont souhaitables. Néanmoins, comme tout transistor, il possède une zone de fonctionnement « linéaire », ou active, qui peut être utilisée pour des applications particulières (amplificateurs, etc.).

Principaux fabricants

Notes et références

  1. (en) IGBTs Basics, Power Designers.
  2. (en) University of Maryland - C. Frank Wheatley, Jr., BSEE, et le brevet sur le site de lUSPTO.
  3. (en) Application Note 9016, Fairchild.
  4. (en) Next Generation High Power Dual IGBT Module - Mitsubishi (2003) [pdf].
  5. (en) Worldwide Market Statistics and Trends, Darnell Group (un cabinet détudes de marché en électronique de puissance).
  6. a et b (en) Application Note AN-983 de la société IRF (1996).
  7. (en) Trench IGBTs Improve Appliance Motor Drives - Power Electronics Technology (août 2006).
  8. VCEsat = tension collecteur-émetteur à létat saturé. Les valeurs données sont des moyennes des valeurs annoncées par différents fabricants.
  9. Fréquence typique de commutation dans les applications courantes.
  10. (en)The Insulated Gate Bipolar Transistor, Device Modelling Group, université de Glasgow.
  11. Les produits commerciaux se limitent le plus souvent à 100 mm de diamètre, comme le T3101N d'Infineon (pour la puce : le boîtier fait 150 mm)
  12. Cree associe IGBT et diode SiC, Électronique International.
  13. Part de marché supérieure à 50 % daprès (en) cette étude de lUIC et la Deutsche Bahn.

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