Thyristors : types, fonctionnement et la puissance des redresseurs commandés au silicium (SCR)

Les thyristors sont une famille de dispositifs semi-conducteurs à conduction bipolaire construits à partir de couches N-P-N-P alternées. La famille comprend les redresseurs commandés au silicium (SCR), les TRIAC, les commutateurs à extinction par grille (GTO), les commutateurs commandés au silicium (SCS), les diodes AC (DIAC), les transistors unijonction (UJT) et les transistors unijonction programmables (PUT). Cet article se concentre sur le SCR en notant brièvement le GTO.

En 1950, Shockley a proposé la diode thyristor à quatre couches. General Electric a ensuite réalisé le design, et les SCR ont depuis évolué pour gérer des niveaux de puissance de quelques watts à plusieurs mégawatts. Les plus petites unités — boîtiers comme de petits transistors de signal — commutent quelques centaines de milliampères sous environ 100 VAC. Les plus grands dispositifs commerciaux mesurent 172 mm de diamètre et peuvent gérer 5 600 A à 10 000 V. Les SCR haute puissance peuvent être fabriqués sur des tranches de plusieurs pouces.

Redresseur commandé au silicium (SCR)

Le SCR est une diode à quatre couches qui incorpore un terminal de grille. Lorsqu'une impulsion positive de grille est appliquée, la paire de transistors internes NPN-PNP est déclenchée en conduction. La rétroaction positive entre les deux transistors maintient l'état passant même après le retrait de l'impulsion de grille. Le dispositif continue de conduire tant que l'anode reste polarisée positivement. En courant continu, la conduction est permanente ; en courant alternatif ou continu pulsé, elle s'arrête quand la tension d'anode tombe à zéro — c'est le point de commutation.

La structure de dopage est illustrée ci-dessous : la cathode (N⁺) et l'anode (P⁺) sont fortement dopées, tandis que les couches N⁻ et P centrales sont faiblement dopées, formant les bases des transistors. Dans les SCR haute puissance, cette structure peut s'étendre sur une tranche entière.

Au-delà du silicium, les SCR au carbure de silicium (SiC) sont en développement. Le SiC offre une conductivité thermique supérieure — seconde seulement au diamant — permettant soit des formats plus compacts, soit une gestion de puissance plus élevée à températures élevées.

Points clés

• Les SCR sont les thyristors à quatre couches les plus courants.
• Une impulsion positive de grille déclenche la conduction, qui persiste jusqu'à ce que la tension d'anode tombe à zéro.
• Les SCR excellent dans les applications AC ou DC pulsé où une conduction continue est requise.
• Le GTO peut être éteint avec une impulsion négative de grille.
• Les SCR peuvent gérer jusqu'à 5,6 kA et 10 kV, soit une puissance de niveau mégawatt.

Ressources associées

• Feuille de travail : Thyristors