Transistors de puissance

Les principales classes de transistors de puissance

Un transistor est un dispositif semi-conducteur contenant au moins deux jonctions pn et capable de fonctionner à la fois en mode boost et en mode commutation.

En électronique de puissance, les transistors sont utilisés comme interrupteurs entièrement contrôlables. Selon le signal de commande, le transistor peut être fermé (faible conduction) ou ouvert (forte conduction).

A l'état bloqué, le transistor est capable de supporter la tension directe déterminée par des circuits externes, tandis que le courant du transistor est de faible valeur.

A l'état ouvert, le transistor conduit un courant continu déterminé par des circuits externes, tandis que la tension entre les bornes d'alimentation du transistor est faible. Les transistors sont incapables de conduire le courant inverse et ne peuvent pas supporter la tension inverse.

Selon le principe de fonctionnement, on distingue les principales classes suivantes de transistors de puissance:

• transistors bipolaires,

• les transistors à effet de champ, parmi lesquels les plus répandus sont les transistors à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS) (MOSFET — transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique),

• transistors à effet de champ à jonction p-n de commande ou transistors à induction statique (SIT) (transistor à induction statique SIT),

• transistor bipolaire à grille isolée (IGBT).

Transistors bipolaires

Un transistor bipolaire est un transistor dans lequel des courants sont générés par le mouvement des charges de deux caractères - les électrons et les trous.

Transistors bipolaires se compose de trois couches de matériaux semi-conducteurs avec des conductivités différentes. Selon l'ordre d'alternance des couches de la structure, on distingue les transistors de types pnp et npn. Parmi les transistors de puissance, les transistors de type n-p-n sont répandus (Fig. 1, a).

La couche intermédiaire de la structure s'appelle la base (B), la couche externe qui injecte (intègre) les porteurs s'appelle l'émetteur (E) et collecte les porteurs - le collecteur (C). Chacune des couches - base, émetteur et collecteur - a un fil pour se connecter aux éléments de circuit et aux circuits externes. Transistors MOSFET. Le principe de fonctionnement des transistors MOS repose sur une modification de la conductivité électrique de l'interface entre un diélectrique et un semi-conducteur sous l'influence d'un champ électrique.

De la structure du transistor, on distingue les sorties suivantes : grille (G), source (S), drain (D), ainsi qu'une sortie du substrat (B), généralement connectée à la source (Fig. 1, b).

La principale différence entre les transistors MOS et les transistors bipolaires est qu'ils sont pilotés par la tension (le champ créé par cette tension) plutôt que par le courant. Les principaux processus dans les transistors MOS sont dus à un type de porteurs, ce qui augmente leur vitesse.

Les valeurs admissibles des courants commutés des transistors MOS dépendent de manière significative de la tension.À des courants allant jusqu'à 50 A, la tension admissible ne dépasse généralement pas 500 V à une fréquence de commutation allant jusqu'à 100 kHz.

Transistors SIT

Il s'agit d'un type de transistors à effet de champ avec une jonction p-n de contrôle (Fig. 6.6., C). La fréquence de fonctionnement des transistors SIT ne dépasse généralement pas 100 kHz avec une tension de circuit commuté jusqu'à 1200 V et des courants jusqu'à 200 - 400 A.

Transistors IGBT

Le désir de combiner dans un seul transistor les propriétés positives des transistors bipolaires et à effet de champ a conduit à la création du transistor IGBT - (Fig. 1., d).

IGBT — Transistor Il a une faible perte de puissance à l'allumage comme un transistor bipolaire et une impédance d'entrée de circuit de commande élevée typique d'un transistor à effet de champ.

Riz. 1. Désignations graphiques classiques des transistors : a)-transistor bipolaire de type p-p-p ; b)-transistor MOSFET avec un canal de type n ; c)-transistor SIT avec jonction pn de contrôle ; d) — Transistor IGBT.

Les tensions commutées des transistors IGBT de puissance, ainsi que celles bipolaires, ne dépassent pas 1200 V, et les valeurs limites de courant atteignent plusieurs centaines d'ampères à une fréquence de 20 kHz.

Les caractéristiques ci-dessus définissent les domaines d'application des différents types de transistors de puissance dans les dispositifs électroniques de puissance modernes. Traditionnellement, on utilisait des transistors bipolaires dont le principal inconvénient était la consommation d'un courant de base important, ce qui nécessitait un étage de contrôle final puissant et entraînait une diminution du rendement de l'ensemble du dispositif.

Ensuite, des transistors à effet de champ ont été développés, qui sont plus rapides et consomment moins d'énergie que le système de contrôle.Le principal inconvénient des transistors MOS est la grande perte de puissance due au flux du courant de puissance, qui est déterminée par la particularité de la caractéristique statique I - V.

Récemment, la position de leader dans le domaine d'application a été occupée par les IGBT - des transistors qui combinent les avantages des transistors bipolaires et à effet de champ. La puissance limite des transistors SIT est relativement faible, c'est pourquoi il est largement utilisé dans électronique de puissance ils ne l'ont pas trouvé.

Assurer un fonctionnement sûr des transistors de puissance

La condition principale pour le fonctionnement fiable des transistors de puissance est de garantir le respect du fonctionnement en toute sécurité des caractéristiques volt-ampère statiques et dynamiques déterminées par les conditions de fonctionnement spécifiques.

Les limitations qui déterminent la sécurité des transistors de puissance sont :

• le courant maximal admissible du collecteur (drainage);

• valeur admissible de la puissance dissipée par le transistor ;

• la valeur maximale admissible de la tension collecteur — émetteur (drain — source);

Dans les modes de fonctionnement impulsionnels des transistors de puissance, les limites de sécurité de fonctionnement sont considérablement étendues. Cela est dû à l'inertie des processus thermiques qui provoquent une surchauffe de la structure semi-conductrice des transistors.

La caractéristique dynamique I — V d'un transistor est largement déterminée par les paramètres de la charge commutée. Par exemple, la coupure d'une charge active - inductive provoque une surtension sur l'élément clé. Ces surtensions sont déterminées par la FEM auto-inductive Um = -Ldi / dt, qui se produit dans la composante inductive de la charge lorsque le courant tombe à zéro.

Pour éliminer ou limiter les surtensions lors de la commutation d'une charge active - inductive, différents circuits de formation de chemin de commutation (CFT) sont utilisés, qui permettent de former le chemin de commutation souhaité. Dans le cas le plus simple, il peut s'agir d'une diode shuntant activement une charge inductive, ou d'un circuit RC connecté en parallèle au drain et à la source du transistor MOS.