Transistor bipolaire à grille isolée

Le transistor bipolaire à grille isolée est un système semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur électronique de puissance, essentiellement dans les montages de l'électronique de puissance.



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Symbole courant de l'IGBT

Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor) est un système semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur électronique de puissance, essentiellement dans les montages de l'électronique de puissance.

Ce composant, qui combine les avantages des technologies précédentes — c'est-à-dire la grande simplicité de commande du transistor à effet de champ comparé au transistor bipolaire, tout en conservant les faibles pertes par conduction de ce dernier — a permis de nombreux progrès dans les applications de l'électronique de puissance, autant en ce qui concerne la fiabilité que sur l'aspect économique[1].

Les transistors IGBT ont permis d'envisager des développements jusqu'alors non viables surtout dans la vitesse variable mais aussi dans les applications des machines électriques et des convertisseurs de puissance qui nous accompagnent chaque jour et partout, sans que nous en soyons spécifiquement conscients : automobiles, trains, métros, bus, avions, bateaux, ascenseurs, électroménager, télévision, domotique,  etc.

Historique

La première tentative concernant ce composant est sa réalisation en composants discrets, avec un transistor à effet de champ de faible puissance commandant un transistor bipolaire de puissance (montage BipMos). L'objectif est de simplifier les circuits de commande inhérents aux applications des transistors de puissance en commutation, fort complexes dans les années 1970-1980.

La technologie IGBT a été brevetée aux États-Unis le 14 décembre 1982 par Hans W. Beck et Carl F. Wheatley, Jr., sous le nom de Power MOSFET with an Anode Region (Brevet no 4, 364, 073) [2]. C'est une technologie récente, qui succède aux thyristors, aux transistors Darlington ainsi qu'aux thyristors GTO[3].

La première génération de transistors IGBT présentait d'importants problèmes de verrouillage (ou latching) , qui ont été corrigés dans la 2e génération apparue au début des années 1990. La fin du XXe siècle a connu trois nouvelles générations de transistors IGBT, qui ont augmenté les performances pour des courants et des tensions importants (IGBT à structures trench, CSTBT[4]).

Les caractéristiques de l'IGBT font que dans les années 2000 il s'est beaucoup imposé dans l'ensemble des domaines de l'électronique de puissance face aux autres types de composants pour les gammes de tension 600 V à 3 300 V, et qu'il perce dans les tensions supérieures face au GTO, mais aussi dans les tensions inférieures face au MOSFET, quoiqu'il soit plus lent[5].

Caractéristiques

Schéma équivalent de l'IGBT

L'IGBT est un transistor hybride, comprenant un transistor à effet de champ du type MOSFET en entrée et un transistor bipolaire en sortie. Il est ainsi commandé par la tension de grille (entre grille et émetteur) qui lui est appliquée, mais ses caractéristiques de conduction (entre collecteur et émetteur) sont celles d'un bipolaire. Le schéma équivalent du transistor IGBT ci-contre montre un troisième transistor, qui représente en fait une propriété parasite responsable du latching.

Cette structure lui donne le faible coût énergétique de commande d'un MOSFET, avec les pertes de conduction plus faibles (à surface de puce donnée) d'un bipolaire. Qui plus est , les IGBT peuvent gérer une tension énormément plus élevée que celle gérée par les MOSFET.

Conductance

La conductance est définie par la résistance du transistor quand ce dernier est passant : on l'appelle aussi Ron dans le cas d'un FET ou VCEsat pour un bipolaire. C'est une caractéristique importante car elle détermine l'échauffement du composant selon le courant Ice : plus le VCEsat est faible, plus le courant acceptable peut être fort. Dans le cas de l'IGBT, la conductance est minimisée par l'utilisation d'un transistor bipolaire en sortie, et par l'optimisation de la saturation de ce dernier. Pour cela, il est envisageable de diminuer le Ron du MOSFET d'entrée, et d'augmenter le gain du transistor bipolaire. Cependant un gain trop important entrainera un risque élevé de latching[6].

Les dernières technologies SPT (Soft-Punch-Through), dites SPT+, permettent de diminuer toujours la chute de tension directe VCEsat de l'ordre de 25 à 30 %.

Commutation

La faiblesse de l'IGBT (comparé au MOSFET) résulte principalement dans sa vitesse de commutation, surtout lors du passage de l'état passant à l'état bloqué : les «trous» présents dans la «zone d'épitaxie N-» (Drift zone) doivent se recombiner ou être évacués quand la tension de la grille passe en dessous du seuil de commutation. La technologie PT possède une zone tampon (buffer) à proximité de la zone de drift pour accélérer l'absorption des trous. Les transistors IGBT-PT seront par conséquent plus rapides, mais auront une tension VCEsat plus élevée[7].

Les fréquences de commutation maximales peuvent être notablement augmentées par l'utilisation de «circuits d'aide à la commutation» passifs (dissipatifs), mais en particulier actifs (non dissipatifs), de type «ZVS» (Zero Voltage Switch, commutation au zéro de tension), «ZCS» (Zero Current Switch, commutation au zéro de courant) ou autres. Ces circuits, en assurant des «commutations douces», permettent une diminution drastique des pertes de commutation, tout en facilitant largement la mise en conformité des équipements concernant la compatibilité électromagnétique. Néanmoins, du fait de leur complexité et de leur coût, ils sont toujours peu utilisés dans les fortes puissances.

Verrouillage (Latching)

L'IGBT présente quatre couches N-P-N-P qui peuvent sous certaines conditions devenir passantes à la manière d'un thyristor, du fait de la présence du transistor parasite entre émetteur et base du transistor bipolaire principal (voir le schéma équivalent ci-dessus)  : c'est l'effet latch-up (verrouillage). Dans ces conditions le transistor restera passant, avec effets destructifs, jusqu'à ce que l'alimentation soit coupée[6]. Les constructeurs sont parvenus à diminuer ce problème majeur du transistor IGBT, et ce de différentes manières : réduction de la transconductance du transistor bipolaire de sortie, utilisation de nouvelles technologies de gravure comme l'IGBT Trench. Ces évolutions, mais aussi le perfectionnement des processus de commande de grille, font que le phénomène de verrouillage est aujourd'hui bien maîtrisé et ne pose plus de problèmes au développement de l'utilisation industrielle de l'IGBT.

Aire de sécurité (Safe Operating Area)

Exemple d'aire de sécurité

L'aire de sécurité ou «zone de fonctionnement sûr» ou SOA (qui est le sigle anglais pour Safe Operating Area) sert à désigner les zones de fonctionnement autorisées du transistor dans le plan courant-tension. Dans ces zones, le transistor peut travailler sans subir de dommages dans les périodes où à la fois un courant important traverse le semi-conducteur et une tension importante est présente à ses limites, c'est-à-dire en dehors du fonctionnement «saturé» (conducteur et faible chute de tension). Dans l'ensemble des cas ces zones de fonctionnement ne peuvent être que transitoires, car les puissances dissipées en valeurs instantanées sont de plusieurs ordres de grandeur au-dessus de la puissance acceptable nominale du composant. On peut distinguer trois phases critiques :

  1. le court-circuit. Il s'agit de la zone dite de SCSOA (pour Short Circuit SOA) ou aire de sécurité de court-circuit. Quand la charge commandée par le transistor est en court-circuit, le courant demandé est en principe illimité. En pratique, le courant ICE dans le transistor est limité par la tension VGE sur la grille et la valeur de la transconductance, mais aussi par le circuit extérieur. Le risque pour l'IGBT est alors le verrouillage (latching). Suivant la famille utilisée ce risque est minimisé au détriment de la transconductivité ou du VCEsat. Certains IGBT ont un circuit interne de limitation du courant de court-circuit à quelques multiples du courant nominal.
  2. la commutation ON->OFF avec une charge inductive. Il s'agit de la zone dite de RBSOA (pour Reverse Bias SOA) ou aire de sécurité inverse. Lors de cette phase de transition on passe d'un état où un courant stable (et important) ICE est établi dans la charge et dans le transistor à un état où le transistor est bloqué. La tension VCE croit alors de quelques volts à la tension d'alimentation augmentée de la FCEM de la charge inductive. Cette FCEM doit être limitée, par exemple, par une diode dite de «roue libre» à ses limites. Durant cette phase le courant est constant – car quand la charge est inductive, elle tend à s'opposer à la variation de courant – ceci jusqu'à la fin de la recombinaison des porteurs et au blocage de la jonction par augmentation de la barrière de potentiel. Il s'ensuit un risque de «claquage» du composant par formation de points chauds situés et embalement thermique ; ce phénomène est réputé pour les transistors bipolaires de puissance sous le nom de «second claquage» (Second Break Down en anglais). Les IGBT sont cependant bien plus robustes que les bipolaires pour la tenue en aire de sécurité inverse. Des circuits d'aide à la commutation au blocage, en dérivant le courant de la charge inductive (dans un condensateur auxiliaire par exemple) au cours de la période de blocage autorisent une commutation à pertes quasi-nulles pour le silicium et évitent le risque de second claquage.
  3. l'utilisation du transistor en mode linéaire. L'étude de cette phase présente un intérêt plus limité, car ce n'est pas le mode de fonctionnement courant de l'IGBT. Une attention spécifique sur ce mode de fonctionnement est cependant indispensable lors de la mise en œuvre des circuits de protection du composant contre les court-circuits.

Transconductance

La transconductance d'un IGBT est le rapport entre le courant de sortie et la tension d'entrée. Ce rapport dépend de nombreux paramètres, surtout la taille du transistor, la température ou le courant de sortie. Contrairement aux transistors bipolaires, les MOSFET et les IGBT n'ont pas un gain de transconductance qui chute avec le courant de sortie.

Performances

Le tableau suivant montre les performances typiques de quelques produits du marché des transistors.

Il dégage la tendance générale :

Caractéristiques moyennes comparées
  MOSFET 600V IGBT 600V IGBT 1700V IGBT 3300V IGBT 6500V GTO 6000V
VCEsat[8] à 125 °C 2, 2 V 1, 8 V 2, 5 V 3, 5 V 5, 3 V 3 V
fréquence typique[9] 15-100 kHz 6-40 kHz 3-10 kHz 1-5 kHz 0, 8-2 kHz 0, 3-1 kHz

Des produits de certains fabricants peuvent s'écarter significativement des valeurs mentionnées car relevant d'optimisations différentes (perfectionnant l'un des paramètres au détriment de l'autre) ou utilisant des technologies particulièrement récentes.

Structure

Vue en coupe d'une cellule élémentaire (planar, PT)

La structure d'un IGBT est basée sur celle d'un MOSFET vertical doublement diffusé[10] : l'épaisseur du support est utilisée pour séparer le drain de la source. Les épaisseurs typiques des wafers sont de l'ordre de 70 à 100 µm. Une zone dite d'épitaxie, dopée N-, permet la naissance d'un canal quand des électrons sont injectés par la grille (VG>0, état passant).

La technique de double diffusion est utilisée pour créer les puits dopés P/P+ à proximité de la source. La présence d'une région dopée P+ diminue le risque de latchup, tout en augmentant la tension de seuil de commutation.

La différence principale entre un MOSFET vertical et un IGBT est l'existence d'une couche de substrat P+ (fortement dopée) côté drain/collecteur. Cette couche injecte des trous dans la couche N-, ce qui a pour effet de diminuer la chute de tension à l'état passant et de le transformer en transistor bipolaire.

À l'état bloqué, c'est la couche N- qui supporte la tension. Cette tension maximale sera d'autant plus importante que la couche N d'épitaxie sera peu dopée et/ou épaisse.

À l'état passant, le courant sera limité par la largeur du canal. Les structures verticales permettent la mise en parallèle de plusieurs cellules élémentaires, de manière à augmenter le courant acceptable et diminuer la résistance à l'état passant RDSon.

Les différentes structures d'IGBT

Section d’un IGBT Non Punch Through
Section d’un IGBT Punch Through
Section d’un IGBT Punch Through en tranchée
Section d'un IGBT Non Punch Through Section d'un IGBT Punch Through Section d'un IGBT Punch Through en tranchée

L'IGBT NPT (sigle anglais : Non Punch Through) à grille plane est la structure la plus simple à réaliser. Elle utilise des puces plus minces, sans couche N+ additionnelle. La transconductance sera moins élevée, il est par conséquent plus robuste en situation de court-circuit.

L'IGBT PT (sigle anglais : Punch Through) à grille plane utilise des puces épaisses comportant une couche tampon N+. Il a habituellement une chute de tension plus faible à l'état passant.

Cette couche tampon entre la zone d'épitaxie N et la zone d'injection P+ du collecteur permet d'obtenir une distribution du champ électrique trapézoïdal.

On trouve aussi des transistors dénommés DS-IGBT (pour Depletion Stop IGBT), ou FS-IGBT (pour Field Stop IGBT), qui présentent les mêmes caractéristiques que le PT-IGBT, avec une couche tampon moins dopée. Cela permet d'utiliser les technologies de fabrication plus simples d'un NPT-IGBT.

Les structures précédentes dites à grille plane (en anglais : planar) ont l'avantage d'être faciles à réaliser. Néanmoins une technologie dite de grille en tranchée (en anglais : trench) est aussi utilisée : la zone d'épitaxie est découpée sous la grille de façon à diminuer les phénomènes de latching et permettre ainsi des densités de courant plus importantes. Cette géométrie est aussi plus compacte et le plus souvent plus performante que la géométrie à grille plane.

Technologie

Module IGBT 3300 V 1200 A
Intérieur d'un module IGBT 600 V 400 A

Les IGBT sont fabriqués avec des techniques identiques à celle des circuits intégrés (comme les MOSFET, mais contrairement aux GTO et thyristors de puissance). Ceci a pour conséquence que la taille de la puce est limitée à à peu près 1 cm2, tandis qu'on sait faire des diodes monolithiques de 150 mm de diamètre (176 cm2) [11].

Les gros IGBT sont par conséquent des modules multi-puces, constitués de nombreuses puces en parallèle, le plus souvent brasées sur une semelle de cuivre ou d'Al-SiC à travers laquelle on assure leur refroidissement.

La plupart intègrent aussi une diode anti-parallèle (ou de «roue-libre»), elle-même multi-puces. Cette diode est en fait une partie particulièrement importante du module IGBT, car ses caractéristiques (en particulier de recouvrement) doivent être compatibles avec l'IGBT lui-même, obligation principale. Ceci représente d'ailleurs une des premières applications pour les semi-conducteurs en carbure de silicium[12].

On trouve essentiellement des IGBT «canal N». La structure complémentaire «canal P» est envisageable, mais limitée aux petites puissances, car comme pour les transistors bipolaires et les MOSFET, les caractéristiques obtenues sont moins bonnes (pertes supérieures par exemple).

Ces composants sont disponibles quasiment dans l'ensemble des boîtiers courants, depuis le petit boîtier plastique (TO-220) pour des courants de quelques ampères à quelques dizaines d'ampères et des tensions collecteur-émetteur de 600 à 1 500 volts, jusqu'aux modules de forte puissance de quelques centaines d'ampères et quelques kilovolts.

Gammes et usages

Ces composants sont disponibles dans une gamme de tension allant de 600 (et moins) à 6 500 volts, et des courants jusqu'à 2 400 ampères par module. Les valeurs de tension les plus courantes sont :

Applications

Les applications usuelles de l'IGBT sont les onduleurs, redresseurs et hacheurs pour les alimentations à découpage et la vitesse variable, mais également pour les FACTS.

Exemples

L'IGBT est utilisé presque exclusivement en commutation, c'est-à-dire lorsque seuls les états saturés et bloqués sont souhaitables. Néanmoins, comme tout transistor, il possède une zone de fonctionnement «linéaire», ou active, qui est parfois utilisée pour des applications spécifiques (amplificateurs,  etc. ).

Principaux fabricants

  • ABB
  • Dynex
  • Fairchild Semiconductor
  • Fuji Semiconductor
  • Hitachi
  • Infineon Technologies, incluant l'ancien Eupec
  • International Rectifier
  • Ixys
  • Microsemi (ex-APT)
  • Mitsubishi Electric
  • Poseico
  • Powerex
  • Semikron
  • STMicrœlectronics
  • Semelab
  • Toshiba semiconductor
  • TTelectronics
  • Westcode

Notes et références

  1. (en) IGBTs Basics, Power Designers.
  2. (en) University of Maryland - C. Frank Wheatley, Jr., BSEE, et le brevet sur le site de l'USPTO.
  3. (en) Application Note 9016, Fairchild.
  4. (en) Next Generation High Power Dual IGBT Module - Mitsubishi (2003) [pdf].
  5. (en) Worldwide Market Statistics and Trends, Darnell Group (un cabinet d'études de marché en électronique de puissance).
  6. (en) Application Note AN-983 de la société IRF (1996).
  7. (en) Trench IGBTs Improve Appliance Motor Drives - Power Electronics Technology (août 2006).
  8. VCEsat = tension collecteur-émetteur à l'état saturé. Les valeurs données sont des moyennes des valeurs annoncées par différents fabricants.
  9. Fréquence typique de commutation dans les applications courantes.
  10. (en) The Insulated Gate Bipolar Transistor, Device Modelling Group, université de Glasgow.
  11. Les produits commerciaux se limitent le plus fréquemment à 100 mm de diamètre, comme le T3101N d'Infineon (pour la puce : le boîtier fait 150 mm)
  12. Cree associe IGBT et diode SiC, Électronique International.
  13. Part de marché supérieure à 50 % selon (en) cette étude de l'UIC et la Deutsche Bahn.

Liens externes

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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