Thyristors

Thyristors sont une large classification des dispositifs semi-conducteurs à conduction bipolaire ayant quatre (ou plus) couches N-P-N-P alternées. Les thyristors comprennent :un redresseur contrôlé au silicium (SCR), un TRIAC, un commutateur de désactivation de la porte (GTO), un commutateur contrôlé au silicium (SCS), une diode CA (DIAC), un transistor unijonction (UJT), un transistor unijonction programmable (PUT). Seul le SCR est examiné dans cette section; bien que le GTO soit mentionné.

Shockley a proposé le thyristor à diode à quatre couches en 1950. Il n'a été réalisé que des années plus tard chez General Electric. Les SCR sont désormais disponibles pour gérer des niveaux de puissance allant des watts aux mégawatts. Les plus petits appareils, conditionnés comme des transistors à petit signal, commutent des centaines de milliampères à près de 100 VAC. Les plus gros appareils emballés ont un diamètre de 172 mm, commutant 5 600 ampères à 10 000 VAC. Les SCR de puissance la plus élevée peuvent consister en une plaquette semi-conductrice entière de plusieurs pouces de diamètre (100 mm).

Redresseur contrôlé au silicium (SCR)

Redresseur contrôlé au silicium (SCR) :(a) profil de dopage, (b) circuit équivalent BJT.

Le redresseur commandé au silicium est une diode à quatre couches avec une connexion de grille comme dans la figure ci-dessus (a). Lorsqu'il est allumé, il conduit comme une diode, pour une polarité de courant. S'il n'est pas déclenché, il est non conducteur. Le fonctionnement est expliqué en termes de transistor connecté équivalent sur la figure ci-dessus (b). Un signal de déclenchement positif est appliqué entre les bornes de grille et de cathode. Cela amène le transistor équivalent NPN à conduire. Le collecteur du transistor NPN conducteur tire vers le bas, déplaçant la base PNP vers sa tension de collecteur, ce qui amène le PNP à conduire. Le collecteur du PNP conducteur tire haut, déplaçant la base du NPN en direction de son collecteur. Cette rétroaction positive (régénération) renforce l'état déjà conducteur du NPN. De plus, le NPN sera désormais conducteur même en l'absence de signal de porte. Une fois qu'un SCR conduit, il continue aussi longtemps qu'une tension d'anode positive est présente. Pour la batterie CC illustrée, c'est pour toujours. Cependant, les SCR sont le plus souvent utilisés avec un courant alternatif ou une alimentation CC pulsée. La conduction cesse avec l'expiration de la moitié positive de l'onde sinusoïdale à l'anode. De plus, la plupart des circuits SCR pratiques dépendent du cycle AC allant de zéro à la coupure ou commuter le SCR.

La figure ci-dessous (a) montre le profil de dopage d'un SCR. A noter que la cathode, qui correspond à un émetteur équivalent d'un transistor NPN est fortement dopée comme l'indique N+. L'anode est également fortement dopée (P+). C'est l'émetteur équivalent d'un transistor PNP. Les deux couches intermédiaires, correspondant aux régions de base et de collecteur des transistors équivalents, sont moins fortement dopées :N- et P. Ce profil dans les SCR haute puissance peut être réparti sur toute une tranche de semi-conducteur de diamètre important.

Thyristors :(a) section transversale, (b) symbole du redresseur contrôlé au silicium (SCR), (c) symbole du thyristor de coupure de la porte (GTO).

Les symboles schématiques d'un SCR et d'un GTO sont illustrés dans les figures ci-dessus (b et c). Le symbole de la diode de base indique que la conduction cathode-anode est unidirectionnelle comme une diode. L'ajout d'un fil de grille indique le contrôle de la conduction de la diode. L'interrupteur d'arrêt de la porte (GTO) a des flèches bidirectionnelles autour du fil de porte, indiquant que la conduction peut être désactivée par une impulsion négative, ainsi qu'initialisée par une impulsion positive.

En plus des SCR à base de silicium omniprésents, des dispositifs expérimentaux en carbure de silicium ont été produits. Le carbure de silicium (SiC) fonctionne à des températures plus élevées et est plus conducteur de chaleur que n'importe quel métal, après le diamant. Cela devrait permettre des appareils physiquement plus petits ou plus puissants.

AVIS :

• Les SCR sont le membre le plus répandu de la famille des diodes à thyristors à quatre couches.
• Une impulsion positive appliquée à la grille d'un SCR le déclenche en conduction. La conduction continue même si l'impulsion de grille est supprimée. La conduction ne cesse que lorsque la tension anode-cathode tombe à zéro.
• Les SCR sont le plus souvent utilisés avec une alimentation CA (ou CC pulsée) en raison de la conduction continue.
• Un interrupteur d'arrêt de porte (GTO) peut être désactivé en appliquant une impulsion négative à la porte.
• Les mégawatts de puissance du commutateur SCR, jusqu'à 5 600 A et 10 000 V.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les thyristors