L. HINOVEANU, "Le point sur les IGBT", revue Technologie, N° 108, mai-juin 2000, pp. 65-66.
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Titre : L. HINOVEANU, Le point sur les IGBT, revue Technologie, N° 108, mai-juin 2000, pp. 65-66.

Cité dans :[REVUE152] Revue Technologie, N° 108, mai-juin 2000.
Cité dans : [DATA001] T. LEQUEU, Evolution des composants de puissance et des IGBT, mars 2004.
Cité dans : [DATA208] T. LEQUEU, Cours de Composants en Commutation - 2000/2001, IUT GEII 2ème année, option EEP, notes de cours, janvier 2001.
Auteur : Liviu Hinoveanu - Professeur certifié de génie électrique au lycée Jean-Perrin de Saint-Ouen l'Aumone

Source : revue "Technologie", N° 108
Date : mai-juin 2000
Pages : 65 - 66
Stockage : Thierry LEQUEU

Vers : LA STRUCTURE
Vers : LE FONCTIONNEMENT
Vers : LES PERFORMANCES
Vers : Bibliographie

Résumé :
Les convertisseurs de puissance modernes tels que les variateurs de vitesse ou les onduleurs ont
connu un essor sans précédent grâce au développement des transistors de puissance bipolaires et
MOSFET. Mais ces composants sont plutôt complémentaires, car les transistors bipolaires, qui
supportent des tensions et courants élevés, présentent des fréquences de commutation faibles,
tandis que les MOSFET sont plus rapides mais limités à des puissances inférieures.
L'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est une synthèse de ces deux technologies et présente
en principe les avantages de l'une et de l'autre. Arrivé à maturité dans les années 1990, ce
composant est encore peu ou mal connu, et nous avons souhaité faire un état des lieux (non exhaustif)
à l'intention des enseignants des lycées technologiques et professionnels qui puisse également
être accessible, à titre d'information, aux élèves.


LA STRUCTURE

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L'IGBT (transistor bipolaire à grille isolée), appelé aussi à ses débuts IGT, GEMFET
(MOSFET à gain amélioré) ou COMFET (FET à conductivité modulée), a une structure
proche de celle d'un MOSFET, présentant en plus une couche P+ ajoutée sur le côté
drain de celui-ci (voir la figure 1).

Igbt11.jpg

Par rapport à la structure existante du MOSFET, on distingue en plus un tran-
sistor bipolaire de type PNP formé par les couches successives P+ (émetteur), N + et
N- (base) et P (collecteur) et un transistor NPN formé, de bas en haut, par les couches
N- (collecteur), P (base) et N (émetteur), cette dernière n'étant autre que la source
du MOSFET initial. Les deux transistors forment une structure équivalente à un
thyristor avec l'anode côté collecteur et la cathode vers l'émetteur.

Igbt12.jpg

Ceci explique pourquoi, paradoxalement, l'ensemble est utilisé comme un transistor NPN
dont le collecteur correspond en fait à l'émetteur du transistor PNP du schéma
équivalent!
Le symbole de ce composant (du moins celui qui semble s'imposer) est donné
dans la figure 3.

Igbt13.jpg

Il exprime le fait que la base du transistor PNP est représentée par
le canal de type N du MOSFET, dont le contrôle est assuré par la grille et que
le collecteur dudit transistor est séparé de l'émetteur de l'IGBT par la faible
résistance R de la partie de la zone p située au contact de la métallisation d'émetteur.
La structure de ce composant laisse transparaître ses principales qualités :
l'impédance d'entrée élevée d'un MOSFET grâce à la commande par grille isolée et
la chute de tension émetteur-collecteur faible d'un transistor bipolaire.


LE FONCTIONNEMENT

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Il peut être expliqué de manière succincte à l'aide des figures 4 et 5.

Igbt21.jpg

Igbt22.jpg

A l'amorçage, lorsque VGE devient supérieure à la tension de seuil VT, les
canaux conducteurs se forment à l'intérieur de la zone p par effet de champ et favorisent
l'injection d'électrons dans la zone N- depuis l'émetteur. Le potentiel
de celle-ci diminue et la jonction p+ N- polarisée en sens direct conduit
et rend l'IGBT passant. II faut remarquer que la zone N- reçoit des
électrons de l'émetteur et des trous du collecteur, ce qui diminue sa
résistance apparente. qui est inférieure à celle d'un MOSFET qui ne
contient pas de zone P+. Les caractéristiques Ic = F(VCE) présentées
dans la figure 4. à la différence de celles d'un MOSFET. mettent en évidence le seuil de la jonction p+ N- ainsi que la faible résistance à l'état saturé (la partie montante est presque verticale).

L'IGBT a donc une conduction par porteurs minoritaires, comme le
transistor bipolaire, et il est sujet au même inconvénient.
L'augmentation du temps de blocage. ce qui limite sa fréquence
d'utilisation. Lorsque VGE s'annule, l'extinction de Ic se fait en deux
temps: une première diminution forte et rapide de celui-ci grâce au blocage
du MOSFET, suivie d'une baisse lente due à la
recombinaison des porteurs excédentaires de la zone N- appelée aussi queue
de courant (figure 5).

En fonctionnement normal. la chute de tension aux bornes de R est trop
faible pour rendre le transistor NPN passant. Au moment de l'extinction. si
la tension drain-source du MOSFET chute trop vite (dv/dt élevé), le courant
engendré par la décharge de la capacité parasite de la jonction
base-collecteur de ce transistor peut provoquer aux bornes de R une chute
de tension suffisante pour le rendre passant. Le deux transistors
bipolaires vont se comporter alors comme un thyristor (figure 2) en régime
d'avalanche, et le courant Ic ne sera plus contrôlé par la tension VGE .
Le phénomène est d'autant plus probable que la valeur de Ic excède un seuil
appelé courant de verrouillage (latch-up current). On ne pourra reprendre le
contrôle de l'IGBT que lorsque Ic descendra en-dessous de cette valeur.

Pour éviter le verrouillage, plusieurs solutions sont utilisées :
diminuer la résistance R, optimiser l'épaisseur et le taux de dopage de la
zone N- ou accélérer la recombinaison des porteurs à l'intérieur de cette
même zone. Ces techniques sont parfois contradictoires avec certaines
performances comme la réduction de la tension VCE en saturation ainsi que
du temps d'extinction. Les différents types d'IGBT sont donc le
résultat d'un compromis, les performances à privilégier étant choisies en
fonction des applications envisagées.


LES PERFORMANCES

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Voici, de ce point de vue, un comparatif entre les différents types de
transistors de puissance dans le tableau ci-dessus.

En général, les IGBT offrent des avantages sensibles à tension élevée
(> 300 V), à densité de courant importante (1 à 3 Amm2 de section active)
et pour des fréquences de commutation moyennes (10 à 20 kHz).

La technologie IGBT permet d'obtenir des chutes de tension à l'état
passant de l'ordre de 2,5 à 4 V. pour des tenues en tension allant
jusqu'à 1500 V. Une part importante de la production est constituée des
dispositifs modulaires hybrides qui associent des puces élémentaires pour
obtenir des composants de fort calibre, les courants s'approchant de 1000 A
(figure 6).

Igbt23.jpg

Les temps de commutation à l'ouverture sont de une à deux
microsecondes (traînage inclus), les fréquences de fonctionnement pouvant
aller de 5 kHz, pour les composants de forte puissance. à plusieurs
dizaines de kHz.

Alors que le transistor MOS reste le plus performant pour les
convertisseurs de faible puissance. L'IGBT a remplacé le transistor
bipolaire pratiquement dans toutes les applications à moyenne puissance. Il
empiète de plus en plus sur le domaine du GTO pour les convertisseurs de
très forte puissance.


Bibliographie

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Référence : 4
[1] : Les convertisseurs de l'électronique de puissance, Journées électrotechniques 1987 , Robert Bausière, Francis Labrique et Guy Séguier.
[2] : N-Series IGBT-Modules Application Manual (Reh-982), Fuji Electric.
[3] : Power Semiconductors IGBT 1999, Fuji Electric
[4] : IGBT Designer's Manual (AN-983), International Rectifier.
  [1] :  [PAP158]  -------
  [2] :  [DATA166] CD-ROM, N-Series IGBT-Modules Application Manual, Reh-982, Fuji Electric.
  [3] :  [DATA166] CD-ROM, N-Series IGBT-Modules Application Manual, Reh-982, Fuji Electric.
  [4] :  [DATA159] International Rectifier, IGBT Characteristics, AN-983 (v.Int), 16 pages.


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