Qu’est-ce qu’un transistor bipolaire à grille isolée ?
Un transistor bipolaire à grille isolée est aussi appelé IGBT, dont les initiales proviennent de “Insulated Gate Bipolar Transistor” en anglais. La structure d’un IGBT est un transistor bipolaire de type PNP avec un semi-conducteur de type P supplémentaire dans le MOSFET.
En d’autres termes, en tant que circuit équivalent, il peut être considéré comme une configuration de circuit à transistors composite avec un MOSFET à canal N dans la section d’entrée et un transistor bipolaire de type PNP dans la section de sortie. D’autre part, comme la structure peut être décrite comme ayant un MOSFET dans la base de la section du transistor bipolaire, elle a la caractéristique de pouvoir générer un très grand courant de sortie pour un petit courant.
Il s’agit d’un semi-conducteur de haute performance qui présente une tension de claquage plus élevée et des pertes plus faibles que le MOSFET sur lequel il est basé. Les IGBT sont des semi-conducteurs développés au Japon dans les années 1980, lorsque leur structure était connue sous le nom de type “punch-through”.
Ces dernières années, avec le développement des procédés de fabrication des plaquettes, les dispositifs IGBT sont devenus encore plus petits et moins chers, et des dispositifs IGBT appelés structures non perforées ou à arrêt de champ ont été fabriqués.
Utilisations du transistor bipolaire à grille isolée
Les IGBT sont couramment utilisés dans les variateurs de vitesse et les convertisseurs de puissance, car ils sont rapides même dans des conditions de fonctionnement à haute puissance.
Ils sont également largement utilisés dans les circuits d’inversion pour les cuisinières à induction, les machines à laver et les climatiseurs, ainsi que dans le contrôle de l’alimentation des gros appareils ménagers tels que les imprimantes. Avec la récente tendance aux économies d’énergie, l’utilisation des transistors IGBT, qui permettent de réduire les pertes de puissance, continue de se développer.
Principe des transistors bipolaires à grille isolée
Les IGBT, comme expliqué dans l’introduction, ont la structure d’un MOSFET pour la partie entrée et d’un transistor bipolaire pour la partie sortie, les caractéristiques de chacun étant combinées : un IGBT est un MOSFET avec un semi-conducteur de type P supplémentaire, dont les porteurs sont de deux types : les électrons et les trous.
En raison des deux types de porteurs, la vitesse de commutation est plus lente que celle d’un MOSFET, mais plus rapide que celle d’un transistor bipolaire, et la résistance à la tension est améliorée par rapport à celle d’un MOSFET. Lorsqu’une tension est appliquée à la grille, qui est la partie entrée de la borne, le courant sort du MOSFET et monte jusqu’au semi-conducteur de type P, qui à son tour amplifie une petite quantité de courant, comme c’est le cas pour les transistors bipolaires, ce qui permet à un courant important de circuler entre l’émetteur et le collecteur.
De plus, la modulation de la conductivité se produit, comme dans les transistors bipolaires, de sorte que la résistance à l’enclenchement peut être abaissée et que la densité de courant est élevée. Une chute de tension constante se produit entre le collecteur et l’émetteur, ce qui signifie que lorsque le courant est élevé, les pertes peuvent être plus faibles qu’avec les transistors MOSFET.
Autres informations sur les transistors bipolaires à grille isolée
1. À propos des circuits d’onduleurs avec des transistors bipolaires à grille isolée
Un circuit inverseur est un circuit de conversion de courant continu en courant alternatif utilisé en paire avec un circuit de conversion de courant alternatif en courant continu. Les IGBT sont utilisés dans ces circuits inverseurs pour produire un courant alternatif de tension et de fréquence variables.
Les IGBT sont activés et désactivés, et la largeur d’impulsion est réglée en ajustant les intervalles d’activation et de désactivation. En générant et en façonnant différentes ondes d’impulsion, l’onde d’impulsion se rapproche d’une onde sinusoïdale. C’est ce qu’on appelle la modulation de largeur d’impulsion, et les IGBT sont souvent utilisés à cet effet.
Les fonctions des appareils ménagers sont contrôlées en modifiant la vitesse du moteur par conversion de fréquence dans la modulation de largeur d’impulsion. Les IGBT sont largement utilisés dans les appareils ménagers tels que les climatiseurs, les réfrigérateurs, les moteurs industriels et les alimentations d’ordinateurs.
2. Différences entre les IGBT et les MOSFET
Les IGBT sont souvent décrits comme une bonne combinaison des dispositifs MOSFET et BJT (transistor à jonction bipolaire), mais ils présentent en fait certains inconvénients par rapport aux MOSFET : les IGBT ont une tension croissante avec un décalage en raison de leur configuration, en particulier dans la plage des faibles courants, ce qui signifie que les IGBT ne sont pas aussi performants que les MOSFET. Les dispositifs MOSFET ont généralement un Vds plus faible.
Les IGBT sont principalement axés sur la gamme de courants moyens à élevés, et présentent donc une résistance à l’enclenchement plus faible que les MOSFET dans cette gamme, mais pour les applications où l’efficacité dans la gamme des faibles puissances est importante, les MOSFET ont des caractéristiques plutôt meilleures. = En revanche, pour les applications où le rendement dans la plage des faibles puissances est important, les MOSFET ont des caractéristiques plutôt meilleures.
3. Modules IGBT
Les IGBT étant des dispositifs complexes, il faut beaucoup d’efforts pour les assembler de manière à ce que leur fonctionnement puisse être contrôlé par eux-mêmes à partir de zéro. C’est pourquoi les modules IGBT qui combinent le traitement du signal, l’amplification, la protection et les diodes parasites de la partie commande dans un module composite sont largement commercialisés.
Comme les IGBT sont des transistors susceptibles de tomber en panne si leur SOA (Safety Operation Area) ou leurs valeurs maximales absolues sont dépassées, des circuits de protection sont également incorporés dans certains de ces modules. Les IGBT ont été développés pour atteindre à la fois une tension de tenue et une vitesse de commutation et ont été améliorés au fil des ans, mais des dispositifs semi-conducteurs de puissance utilisant de nouveaux matériaux semi-conducteurs composés tels que le SiC et le GaN ont récemment commencé à être introduits dans ce domaine des dispositifs de puissance.
Ces dispositifs semi-conducteurs de puissance de la prochaine génération permettent des opérations de commutation plus rapides que les IGBT et présentent des tensions de claquage supérieures, de sorte que la recherche et le développement ont été de plus en plus actifs au cours des dernières années. Néanmoins, il reste encore des problèmes à résoudre, tels que le coût et l’approvisionnement, et ils ne remplaceront pas la totalité du marché actuel des transistors bipolaires à grille isolée, mais continueront à diviser le marché pour le moment.