L'IGBT

IGBT ?

Le sigle IGBT signifie Insulated Gate Bipolar Transistor.

Ce nouveau composant, de dimensions légèrement supérieure à celles d'un transistor courant, a été conçu par TOSHIBA et HITACHI qui se sont fixés pour objectif la réalisation d'un composant répondant aux caractéristique suivantes:

• Supporter une tension élevée de Collecteur (il existe des IGBT pouvant supporter des tensions de l'ordre de 1000 V).
• Accepter un courant élevé (il existe des IGBT supportant jusqu'à 400 A).
• Assurer des commutations rapides (certains IGBT sont capables de commuter 12 A en moins de 15 ns).
• Ne nécessiter pour sa commande qu'un courant faible résultat d'une attaque en haute impédance.
• Dissiper à performances égales moins de chaleur que les autres semi-conducteurs.

Les IGBT font figure de transistors géants comparés aux transistors traditionnels. En réalité leur dimensions sont plus que raisonnables en égard à leur performances.

En figure 1, il vous est montré les dimensions réelles d'un IGBT que vous pouvez comparer au MOSFET, et de transistors de moyenne et basse puissance.

fig.1

Les trois pattes de l'IGBT sont dénommées G (Gate), E (Emetteur), C (Collecteur).
En théorie on peut considérer un IGBT comme un composant hybride, car il est formé de plusieurs semi-conducteurs associés (voir fig. 2).

fig.2

• Sur le schéma, on découvre un MOSFET placé de façon à commander à partir d'un signal de très basse puissance, un transistor final de puissance qui contrôle lui-même la base d'un second transistor.

• Sur les schémas électroniques, l'IGBT est représenté comme en fig. 3. On remarque que la base est double. Le sens de la flèche de l'émetteur indique qu'il s'agit d'un canal N ou d'un canal P.

fig.3

Tous les IGBT de moyenne puissance conviennent pour réaliser des amplificateurs de puissance, des alimentations, etc... Ceux-ci sont en boîtier plastique de 20 x 25 mm.

• Il existe certains IGBT de basse puissance de dimensions plus réduite ainsi que des IGBT de plus haute puissance de dimensions bien plus imposantes, semblables à de gros relais de puissance et dont les broches (GEC) sont de gros borniers à vis.

Les IGBT trouvent de très vastes domaines d'application dans les branches les plus diverses de l'électronique et de l'industrie.

1°) Commutation de puissance dans les secteurs civils et militaires.

2°) Alimentation pour courant élevé.

3°) Appareillage médical.

4°) Contrôle des moteurs en robotique.

5°) Amplifiocateur de puissance HI-FI.

6°) Four à induction magnétique.

7°) Charge dynamique de puissance.

8°) Alimentation à découpage.

9°) Soudure électrique à l'arc.

La liste n'est pas exhaustive, mais ces domaines d'application concernent peu les amateurs qui font de l'électronique leur hobby. En effet, nous nous verrions assez mal vous proposer des applications pour l'aéronautique ou l'armement.
Actuellement, il n'existe pas d'IGBT utilisable en haute fréquence (la fréquence maximale d'utilisation étant généralement comprise entre 1 à 2 MHz ; temps de commutation moyen de 0,5 µs). Pour l'instant, leur domaine d'application privilégié concerne la basse fréquence et la commutation.

Autres renseignements utiles

• l'IGBT est un semi-conducteur qui est piloté en tension comme l'est le MOSFET ou le FET et non en courant, contrairement aux transistors bipolaires (PNP-NPN)

  Une particularité très importante de l'IGBT est la tension de polarisation de la Gate, puisque la moindre variation de tension peut faire monter brusquement le courant collecteur.

• Se référant à la figure 4, on peut observer que pour une tension d'environ 2 V sur la Gate (cette tension est d'ailleurs une caractéristique des IGBT), l'IGBT entre en conduction, ce seuil dépassé, et l'on obtient brusquement une variation importante du courant collecteur.

  fig.4

  Si nous appliquons sur l'entrée un signal sinusoïdal d'une amplitude de 0,5 V, il est possible d'obtenir sur le collecteur un courant d'environ 4 à 10 A.
  Par comparaison, un transistor de puissance (voir graph. 5) doit nécessairement être piloté en courant, et pour obtenir sur le collecteur une variation de courant de 3 à 5 A, il faut appliquer sur la base un courant de 40 à 80 mA.

  fig.5

• Pour un MOSFET de puissance (voir graph. 6), noter que la courbe résultante est quasi analogue à celle d'in IGBT, avec la seule différence que la tension de seuil sur la Gate se situe aux environs de 4 V.

  fig.6

  La courbe du FET (fig. 7) se distingue forcément de celle du transistor, des MOS de puissance et des IGBT puisqu'il n'existe pas actuellement de FET de puissance.
  En fait une variation minime de tension sur la Gate du FET entraîne une petite variation du courant sur son Drain.

  fig.7

• Une autre caractéristique des IGBT est leur très basse résistance interne Emetteur/Collecteur en condition de saturation.
  Comparons la valeur de la résistance interne des IGBT par rapport aux MOSPOWER et aux transistors de puissance :

  Amenons à saturation ces trois semi-conducteurs sur une charge qui puisse absorber 4 A, nous pourrons ainsi comparer la dissipation de chaleur pour chacun d'eux :

  

  16 x 8.10^-3 = 120 mW pour l'IGBT

  16 x 1,1 = 17,6 W pour le MOSPOWER

  16 x 3 = 48 W pour le transistor

  Comme vous pouvez le constater, alors que le transistor de puissance est déjà en surchauffe, le MOSPOWER est tiède, tandis que l'IGBT restera pratiquement froid.

  La basse résistance de saturation nous fait donc obtenir un bon facteur d'amortissement sur les charges inductives, relais, moteurs, haut-parleur, etc...
  Pour expliquer ce qu'est le facteur d'amortissement, notion souvent évoquée lorsque l'on parle d'un final de puissance audio, servons-nous d'un exemple :

  fig.8

• Si nous injectons une impulsion électrique dans un haut-parleur, sa membrane sera instantanément projetée en avant pour retourner à sa position initiale le plus rapidement possible.
• Si la résistance émetteur/collecteur est élevée, la membrane ne stoppera pas sur la position de départ, mais continuera à osciller pendant un temps très bref modifiant le son qu'il doit reproduire.
• Utilisant les IGBT, nous avons une basse résistance émetteur /collecteur, ainsi l'oscillation de la membrane sera immédiatement amortie, n'apportant plus de modification au son à reproduire.
  Nous pouvons encore ajouter au palmarès de l'IGBT l'immunité à l'effet d'avalanche contrairement aux transistors.

  L'effet d'avalanche est le défaut commun à tous les transistors. Ce problème surgit lors de l'augmentation de la température du boîtier.

  Plus cette température croît, plus le courant de collecteur augmentera, et il faudra ajouter aux étages en cause un circuit de compensation en température et un radiateur de refroidissement adéquat afin d'éviter la destruction de leur jonction. Cet inconvénient n'existe pas avec les IGBT puisque leur boîtier peut supporter de très hautes températures.

  fig.9

  Le graphique figure 9 permet de comparer l'augmentation de température du courant de collecteur entre un transistor et un IGBT par rapport à la croissance en température de leurs boîtiers respectifs.

  Ajoutons encore qu'il est possible d'associer en parallèle deux IGBT pour doubler le courant de sortie. L'unique conseil que l'on peut donner est d'insérer en série sur la Gate (voir fig. 8) une résistance d'une valeur comprise entre 47 et 220 W pour éviter l'auto-oscillation.

Conclusion :

• Comme nous l'avons décrit auparavant, le boîtier de l'IGBT peut supporter une température élevée puisque ce composant n'est pas sujet à l'effet d'avalanche. Par contre, il faudra tout de même lui assurer un refroidissement correct à l'aide d'un radiateur, cela va sans dire. Comme pour les autres semi-conducteurs, la température de jonction interne ne devra pas dépasser 150°. Pour pouvoir dissiper rapidement la chaleur dégagée, il faudra tout d'abord s'assurer de la parfaite planéité de la surface du radiateur employé. Ainsi, lors du perçage du trou dans le radiateur, veillez à ce que le boîtier du transistor plaque bien contre le support. A cette fin, il est conseillé de fraiser légèrement les bords du trou de façon à éviter ce problème (voir fig. 10 et 11). Dans le cas contraire, il y a danger de destruction rapide du composant.
• Entre le boîtier de l'IGBT et la surface du radiateur il faut appliquer un mica isolant. On prendra soin d'apposer un peu de pâte thermo-conductrice au silicone au recto et au verso de ce mica de façon à favoriser les échanges thermiques. Pour le serrage ne pas utiliser de vis en plastique, car celles-ci présentent un défaut majeur : leur dilatation à la chaleur. Il vaut mieux effectuer la fixation à l'aide d'une vis métallique de 3 mm. Lors des manipulations, bien se souvenir que la Gate de l'IGBT présente une haute impédance et que ce composant est très sensible aux variations électrostatiques et aux champs électriques divers.

  Nous vous invitons donc à ne pas souder ce composant avec un fer à souder directement relié au réseau 220 V sous peine de le mettre hors d'usage.

  Pour ne pas connaître ce désagrément, il est préférable d'utiliser un fer à souder utilisant une alimentation basse tension. Sans vous obliger à remplacer votre fer à souder 220 V, il est tout de même possible de brancher celui-ci sur le secondaire d'un transformateur 220 V/220 V, ce qui revient électriquement à l'isoler galvaniquement du réseau EDF. Le boîtier contenant ce transformateur devra impérativement être connecté à une prise de terre.

• Dans le même ordre d'idée, ne jamais effectuer de mesure sur la Gate de l'IGBT quand celui-ci est en fonctionnement si vous n'avez pas relié votre oscilloscope à la terre. Cette remarque est également valable pour tous les instruments de mesure et il ne faudra jamais perdre de vue que la Gate de l'IGBT ne supporte pas les charges électrostatiques.