IGBT Expliqué : Principe de Fonctionnement, Applications et Avantages

L'IGBT est l'une des inventions électroniques les plus efficaces. Son principe de fonctionnement unique s'accompagne de nombreuses applications commerciales : entraînements moteurs CA/CC, commandes de moteurs de traction, UPS (alimentation non régulée), onduleurs, etc.

Mais n'allons pas trop vite. Vous devez comprendre pleinement comment fonctionne l'IGBT. C'est parti.

Qu'est-ce qu'un IGBT Exactement ?

IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolaire à Grille Isolée). C'est un dispositif semi-conducteur électrique à 3 bornes offrant des capacités de commutation rapide à haut rendement.

Pour mieux comprendre l'IGBT, il faut comparer les transistors en termes de fonctionnalité.

Un transistor est un petit composant électronique à deux fonctions principales : interrupteur pour commander des circuits d'éclairage, et amplificateur de signaux.

Il existe différents types selon l'utilité : BJT (Transistor à Jonction Bipolaire), MOSFET, et IGBT.

BJT et MOSFET ont leurs préférences et avantages respectifs. Les BJT privilégient les faibles chutes de tension à l'état passant ; les MOSFET excellent par leur impédance d'entrée élevée, faibles pertes de commutation et absence de claquage secondaire.

L'IGBT combine le meilleur des deux : il reprend les atouts du BJT et du MOSFET.

Donc, un IGBT est un dispositif à trois bornes utilisé comme dispositif de commutation et applicable à l'amplification de signaux. Il offre une commutation rapide à haut rendement.

Symbole de l'IGBT

L'IGBT combinant BJT et MOSFET, son symbole suit le même principe :

(Symbole à insérer)

Il a trois bornes : Collecteur, Émetteur, Grille. Le côté d'entrée représente le MOSFET, le côté de sortie reprend le symbole du BJT. Les bornes de conduction sont Collecteur et Émetteur. La Grille est la borne de contrôle.

Structure de l'IGBT

Les trois bornes (Collecteur, Émetteur, Grille) sont revêtues de couches métalliques. Cependant, le matériau métallique sur la Grille est isolé par une couche de dioxyde de silicium.

Interne, la structure IGBT est un dispositif à quatre couches de semi-conducteurs. Elle résulte de la combinaison de transistors PNP et NPN, formant un arrangement PNPN.

(Schéma de structure à insérer)

La couche la plus proche du Collecteur est le substrat (p+), la Région d'Injection. Juste au-dessus : la Région de Dérive N-, composée de la couche N-. La Région d'Injection Active injecte la majorité des porteurs (courant de trous) du (p+) vers 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 : la Région de Corps (Body Region), substrat (p), proche de l'Émetteur. À l'intérieur, des couches (n+).

Les jonctions : entre Région Collecteur (Injection) et Région de Dérive N- = J2. Entre Région N- et Région de Corps = J1.

NOTE : La structure de l'IGBT est topologiquement similaire à un thyristor par sa grille « MOS ». Mais les actions de thyristor sont supprimées : seule l'action transistor est permise sur toute la plage de fonctionnement.

L'IGBT est préférable au thyristor grâce à sa commutation rapide vs l'attente des passages par zéro du thyristor.

Comment Fonctionne un IGBT ?

Le principe de fonctionnement de l'IGBT est MARCHE/ARRÊT par activation/désactivation de sa borne de Grille.

Si une tension d'entrée positive traverse la Grille, l'Émetteur maintient le circuit de commande ON. Si la Grille est à zéro tension ou légèrement négative, elle coupe le circuit d'application.

Puisque l'IGBT fonctionne à la fois comme BJT et MOSFET, son amplification est le rapport entre sa sortie et son signal de contrôle d'entrée.

Pour un BJT conventionnel, le gain ≈ rapport courant de sortie / courant d'entrée (Beta, β). Pour un MOSFET, pas de courant d'entrée car la Grille isole le canal principal. Le gain de l'IGBT = variation courant de sortie / variation tension d'entrée → dispositif de transconductance.

Fonctionnement de l'IGBT en tant que Circuit

Explication via la figure ci-dessous décrivant toute la plage de fonctionnement :

(Schéma de fonctionnement à insérer)

L'IGBT ne fonctionne que s'il y a une tension d'alimentation sur la Grille : Tension de Grille V_G.

Sur le diagramme : une fois la Tension de Grille (V_G) présente, le Courant de Grille (I_G) augmente → augmente la Tension Grille-Émetteur (V_GE) → augmente le Courant de Collecteur (I_C) → diminue la Tension Collecteur-Émetteur (V_CE).

NOTE : L'IGBT a une chute de tension similaire aux diodes, typiquement ~2 V, qui augmente avec le log du courant.

L'IGBT utilise des diodes de roue libre (freewheeling) pour conduire le courant inverse. Placées aux bornes Collecteur-Émetteur.

(Images IGBT, diode Si, module IGBT+FWD à insérer)

La diode intégrée est requise sur les IGBT car le dispositif de puissance peut rater la commutation sans elle. L'arrêt d'un courant inductif génère de hauts pics de tension sans chemin adéquat.

Quand l'IGBT s'éteint, les porteurs minoritaires de la région N- s'écoulent vers le circuit externe. Après l'expansion de la couche d'appauvrissement (montée V_CE), les porteurs minoritaires causent une recombinaison interne du courant, le courant de queue (tail current).

Types d'IGBT

En tant que dispositif à quatre couches, les IGBT se classent selon la présence de la couche tampon (n+). Avec couche (n+) : IGBT Punch-Through (PT-IGBT). Sans : IGBT Non-Punch-Through (NPT-IGBT). Tableau des différences :

(Tableau à insérer)

Les IGBT se classent aussi selon leurs caractéristiques. Le concept de design pour PT et NPT peut être symétrique ou asymétrique.

• IGBT symétriques : tension de claquage directe et inverse égales → applications CA.
• IGBT asymétriques : tension de claquage directe > inverse → applications CC (pas besoin de tension inverse supportée).

Modèles d'IGBT

Les circuits utilisant l'IGBT modélisent généralement via simulateurs comme Saber et SPICE.

Les simulateurs modélisent l'IGBT (et autres dispositifs réels) pour prédire au mieux courants et tensions aux bornes électriques.

Pour une prédiction plus précise, chaleur et température sont incluses dans la simulation. Méthodes de modélisation courantes :

• Modèle basé sur la physique (Physics-based)
• MacroModèle (MacroModel) : SPICE l'utilise, combinant MOSFETs et BJTs en configuration Darlington.

Caractéristiques Électriques

Du fait de sa dépendance à la tension, l'IGBT ne nécessite qu'une infime tension sur la Grille pour maintenir la conduction.

(Courbes caractéristiques à insérer)

C'est l'opposé des Transistors de Puissance Bipolaires qui ont besoin d'un courant de base continu au niveau de la base pour maintenir la saturation.

L'IGBT est un dispositif unidirectionnel : il ne commute qu'en « direction avant » (Collecteur vers Émetteur).

C'est l'opposé des MOSFETs qui ont une commutation de courant bidirectionnelle. En pratique, les MOSFETs sont contrôlables en direct, non contrôlés en inverse.

En conditions dynamiques, l'IGBT peut subir un courant de verrouillage (latch-up) à l'extinction. Quand un courant de conduction continu semble dépasser une valeur critique → latch-up.

Quand la tension Grille-Émetteur descend sous la tension de seuil, un faible courant de fuite traverse le dispositif. La tension Collecteur-Émetteur ≈ tension d'alimentation. Le dispositif IGBT à quatre couches fonctionne alors en zone de coupure.

Applications de l'IGBT

Utilisable dans les amplificateurs de petits signaux, comme MOSFETs et BJTs. Mais l'IGBT combine le meilleur des deux : faibles pertes de conduction et haute vitesse de commutation.

On trouve l'IGBT dans la plupart des appareils électroniques modernes : systèmes stéréo, trains, VSF (variateurs de vitesse), voitures électriques, climatiseurs, etc.

IGBT vs MOSFET

IGBT : meilleur en haute tension, basses fréquences de commutation, fortes configurations de courant. MOSFET : meilleur en basse tension, hautes fréquences de commutation, domaines de courant moyen.

(Graphique comparatif à insérer)

L'IGBT est utilisable sur dispositifs pratiques avec fréquences de commutation < 20 kHz à cause de ses pertes de commutation élevées.

Résumé

Nous espérons que vous comprenez maintenant ce que sont les IGBT et comment ils diffèrent des MOSFETs et BJTs. Des questions ou préoccupations ? Contactez-nous !