Principe de fonctionnement de l'IGBT - Tout ce que vous devez savoir

L'IGBT est l'une des inventions électroniques les plus performantes. Le principe de fonctionnement de l'IGBT est unique et vient avec de nombreuses applications commerciales - comme commandes de moteur AC/DC, commandes de moteur de traction, UPS (alimentation non régulée), onduleurs, etc.

Mais, ne nous précipitons pas. Vous devez comprendre pleinement le fonctionnement de l'IGBT. Alors on y va.

Qu'est-ce que l'IGBT ?

IGBT signifie transistor bipolaire à grille isolée. Il s'agit d'un dispositif électrique à semi-conducteur à 3 bornes qui offre des capacités de commutation rapide à haut rendement.

Pour mieux comprendre un IGBT, il est préférable de comprendre les différents transistors en termes de fonctionnalité.

Transistors

Un transistor est un petit composant électronique avec deux fonctions principales. Il agit comme un interrupteur pour contrôler les circuits d'éclairage et peut amplifier les signaux.

Il existe différents types de transistors basés sur d'autres utilités ou applicabilités spécifiques. Les transistors couramment utilisés sont les BJT (Bipolar Junction Transistor), les MOSFET et les IGBT.

Les BJT et les MOSFET ont leurs préférences, ainsi que leurs avantages les uns par rapport aux autres. Alors que les BJT préfèrent les faibles chutes à l'état passant, les MOSFET sont les meilleurs pour leur impédance I/P élevée, leur faible perte de commutation et l'absence de claquage secondaire.

L'IGBT combine à la fois le BJT et le MOSFET, ce qui lui permet de tirer le meilleur parti des deux transistors.

Par conséquent, un IGBT est un dispositif à trois bornes utilisé comme dispositif de commutation et applicable dans l'amplification des signaux. L'IGBT offre une commutation rapide à haut rendement.

Symbole IGBT

Puisque IGBT combine BJT et MOSFET, ses symboles suivent le même principe que ci-dessous.

Symbole IGBT

Le symbole a également trois terminaux - le collecteur, l'émetteur et la porte. Le côté entrée représente le MOSFET, tandis qu'il prend le symbole de sortie du symbole de BJT.

Comme prévu, les terminaux de conduction sont le collecteur et l'émetteur. La porte est le terminal de contrôle.

Structure de l'IGBT

Les trois bornes (collecteur, émetteur et porte) de l'IGBT sont fixées avec des couches métalliques. Cependant, le matériau métallique de la borne Gate est isolé d'une couche de dioxyde de silicium.

En interne, la structure IGBT est un dispositif à quatre couches de semi-conducteurs. Le dispositif à quatre couches est obtenu en combinant des transistors PNP et NPN, qui constituent un arrangement PNPN.

Structure de l'IGBT

Source :Composants101

La couche la plus proche de la région du collecteur est le substrat (p+), la région d'injection. À droite, au-dessus se trouve la région de dérive N, qui comprend la couche N.

La région active d'injection injecte la majeure partie du porteur (le courant de trou) du (p +) dans la couche N-.

L'épaisseur de la région de dérive détermine la capacité de blocage de tension de l'IGBT.

Au-dessus de la région de dérive se trouve la région du corps, qui consiste en (p) substrat. Il est proche de l'Emetteur. À l'intérieur de la région du corps, il y a (n+) couches.

Notez que les jonctions entre la région Collector (ou région d'injection) et la région N-Drift sont J2. De même, la jonction entre la région N et la région du corps est la jonction J1.

REMARQUE :La structure de l'IGBT est topologiquement similaire à un thyristor en termes de porte « MOS ». Cependant, les actions et les fonctionnalités des thyristors sont supprimables, ce qui signifie que seule l'action des transistors est autorisée dans toute la plage de fonctionnement de l'appareil IGBT.

L'IGBT est préférable au thyristor en raison du basculement rapide sur l'attente du thyristor pour les passages à zéro.

Comment fonctionne un IGBT ?

Le principe de fonctionnement de l'IGBT est ON ou OFF en activant ou en désactivant sa borne Gate.

Si une tension d'entrée positive traverse la porte, l'émetteur maintient le circuit de commande activé. D'autre part, si la borne Gate de l'IGBT est à tension nulle ou légèrement négative, elle éteint l'application du circuit.

Étant donné que le dispositif bipolaire à grille isolée fonctionne à la fois comme un BJT et un MOSFET, la quantité d'amplification qu'il réalise est le rapport entre ses signaux de sortie et d'entrée de commande.

Pour un BJT conventionnel, la quantité de gain est approximativement la même que le rapport du courant de sortie au courant d'entrée. Nous l'avons appelé Beta et noté β.

D'autre part, pour un MOSFET, il n'y a pas de courant d'entrée car la borne Gate est une isolation du canal principal transportant le courant. Nous déterminons le gain des IGBT en divisant le changement de courant de sortie par le changement de tension d'entrée. Cela fait de l'IGBT un dispositif de transconductance.

Fonctionnement de l'IGBT en tant que circuit

Expliquons cela à l'aide de la figure ci-dessous, qui décrit toute la plage de fonctionnement de l'appareil IGBT.

Fonctionnement de l'IGBT en tant que circuit

L'IGBT ne fonctionne que s'il y a une alimentation en tension sur la borne Gate. C'est la tension de grille, qui est V_G .

Comme on le voit sur le diagramme, une fois qu'il y a une tension de grille (V _G )_, le courant de porte (I _G ) augmente. Il augmente ensuite la tension porte-émetteur (V _GE ).

Par conséquent, la tension Gate-Emitter augmente le courant de collecteur (I _C ). Ainsi, le courant de collecteur (I _C ) diminue la tension collecteur-émetteur (V _CE ).

REMARQUE :L'IGBT présente une chute de tension similaire aux diodes, typique de l'ordre de 2 V, qui n'augmente qu'avec le log du courant.

L'IGBT utilise des diodes de roue libre pour conduire le courant inverse. Les diodes de roue libre sont placées sur les bornes collecteur-émetteur de l'appareil.

 IGBT, diode Si

Source :publication de Researchgate

La diode intégrée est une exigence sur les IGBT car le dispositif électronique de puissance peut faire échouer l'interrupteur d'alimentation sans elle. Depuis la mise hors tension, un courant de charge inductif génère des pics de haute tension chaque fois qu'il n'y a pas de chemin approprié.

Module IGBT et FWD 

Source :Researchgate

Chaque fois que le transistor bipolaire à grille isolée s'éteint, les porteurs minoritaires de la région N s'écoulent vers les circuits externes. Après l'expansion de la couche d'appauvrissement (la tension collecteur-émetteur augmente), les porteurs minoritaires provoquent une recombinaison interne du flux de courant, le courant de queue.

Types d'IGBT

En tant que dispositif à quatre couches, les IGBT peuvent être classés en fonction de la présence de la couche tampon (n+). Les transistors bipolaires à grille isolée avec la couche tampon (n+) sont le Punch through IGBT (ou simplement PT-IGBT).

De même, les IGBT sans la couche tampon (n+) sont les IGBT non perforés (ou simplement NPT-IGBT). Voici un tableau de leurs différences.

Les transistors bipolaires à grille isolée peuvent être classés en fonction de leurs caractéristiques. Le concept de conception de l'appareil pour PT-IGBT et NPT-IGBT peut être symétrique ou asymétrique.

Les IGBT symétriques ont une tension de claquage directe et inverse égale. Dans le même temps, les transistors bipolaires à grille isolée asymétriques ont leur tension de claquage directe supérieure à la tension de claquage inverse.

Cela signifie que l'IGBT symétrique est principalement applicable dans les circuits AC. D'autre part, l'IGBT asymétrique est applicable dans les circuits CC, et c'est parce qu'ils n'ont besoin d'aucune tension inverse prise en charge.

Modèles IGBT

Les circuits utilisant le principe de fonctionnement IGBT comportent généralement une modélisation à l'aide de simulateurs de circuit comme Sabre et SPICE.

Les simulateurs peuvent modéliser l'IGBT (et d'autres dispositifs réels) pour fournir les meilleures prédictions concernant les courants et les tensions sur les bornes électriques.

Pour une prédiction encore plus précise, la chaleur et la température sont incluses dans le processus de simulation. Les méthodes de modélisation les plus courantes pour le concept de conception d'appareils IGBT sont :

• Modèle basé sur la physique
• MacroModèle

Le simulateur SPICE utilise la méthode MacroModel, qui combine divers composants, tels que les MOSFET et les BJT, à l'aide d'une configuration Darlington.

Principe de fonctionnement de l'IGBT– Caractéristiques électriques

En raison de la dépendance de l'IGBT à la tension pour fonctionner, les appareils ne nécessitent qu'une infime quantité de tension fournie sur la borne Gate pour maintenir la conduction.

Caractéristiques électriques

C'est l'opposé des transistors de puissance bipolaires, qui ont besoin d'un flux de courant de base continu dans la région de base pour maintenir la saturation.

Dans le même temps, l'IGBT est un dispositif unidirectionnel, ce qui signifie qu'il ne commute que dans le "sens direct" (du collecteur à l'émetteur).

C'est l'opposé des MOSFET, qui ont un processus de commutation de courant bidirectionnel. Dans les appareils pratiques, les MOSFET sont contrôlables dans le sens direct et non contrôlés en tension inverse.

Notez que dans des conditions dynamiques, l'IGBT peut subir un courant de verrouillage lorsque l'appareil s'éteint. Lorsqu'un courant d'entraînement continu à l'état passant semble dépasser une valeur critique, il s'agit d'un courant de verrouillage.

De plus, lorsque la tension Gate-Emitter passe en dessous de la tension de seuil, un petit courant de fuite traverse l'appareil. A ce moment, la tension Collecteur-Emetteur est presque égale à la tension d'alimentation. Par conséquent, l'IGBT du dispositif à quatre couches fonctionne dans la région de coupure.

Principe de fonctionnement de l'IGBT – Applications de l'IGBT

L'IGBT est utilisable dans les amplificateurs à petit signal, tout comme les MOSFET et les BJT. Cependant, l'IGBT tire le meilleur parti des deux, offrant ainsi une faible perte de conduction et une vitesse de commutation élevée.

Les IGBT sont utilisés dans la plupart des appareils électroniques modernes, tels que les systèmes stéréo, les trains, les VSF, les voitures électriques, les climatiseurs, etc.

IGBT contre MOSFET

Les transistors bipolaires à grille isolée conviennent mieux aux configurations à haute tension, à basses fréquences de commutation et à courant élevé. Inversement, les MOSFET sont les meilleurs dans les domaines à basse tension, à haute fréquence de commutation et à courant moyen.

IGBT contre MOSFET

Source :Researchgate

L'IGBT est utilisable sur des appareils pratiques avec des fréquences de commutation inférieures à 20 kHz en raison de sa perte de commutation élevée.

Résumé

Nous espérons que vous comprenez maintenant ce que sont les IGBT et en quoi ils diffèrent des MOSFET et des BJT. Avez-vous des questions ou des préoccupations concernant l'IGBT ? N'hésitez pas à nous contacter!