Tout sur l'IGBT

Bien que certains puissent considérer l'IGBT comme une technologie « conventionnelle », elle joue toujours un rôle important dans les applications haute puissance.

Aujourd'hui, l'actualité et les discussions dans l'industrie des semi-conducteurs tournent principalement autour des dispositifs basés sur de nouveaux matériaux à large bande interdite (WBG) tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). Pourtant, il y a quelques années encore, la solution privilégiée pour de nombreuses applications était le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT).

Il existe encore des applications de moyenne à haute puissance utilisant des IGBT, et ces dispositifs continuent d'évoluer. Dans cet article, nous approfondirons les IGBT et explorerons leurs applications actuelles et émergentes.

IGBT : structure physique

L'IGBT est un transistor ou commutateur semi-conducteur composé de quatre couches alternées de matériaux semi-conducteurs (PNPN). Lorsque la tension adéquate est appliquée à la grille du dispositif, le courant circule ; cette conduction s'arrête lorsque la tension est coupée.

Depuis leur création, les IGBT ont connu des améliorations constantes, notamment en réduisant les pertes de commutation et en créant des structures plus fines. Aujourd'hui, les IGBT intègrent généralement une grille en tranchée associée à une structure d'arrêt de champ pour supprimer les caractéristiques NPN parasites du composant. Une fois cette structure réalisée, les pertes de conduction et la tension de saturation sont réduites, ce qui se traduit par des avantages tels qu'une densité de puissance accrue.

Figure 1 : Structure d'un IGBT à coupure de champ avec coupure par canal de tranchée

Utilisation et exemples techniques de l'IGBT

Les IGBT trouvent de nombreuses applications dans divers domaines, notamment les onduleurs solaires, les systèmes de stockage d'énergie, les onduleurs (ASI), les entraînements de moteurs, les chargeurs de véhicules électriques, le soudage industriel et les appareils électroménagers. Généralement, la structure topologique est choisie spécifiquement pour répondre aux exigences d'une application particulière. Comparons quelques applications courantes.

Soudage industriel

Compte tenu de la demande d’un soudage de meilleure qualité, cela nécessite un contrôle précis du processus de soudage. Par conséquent, les onduleurs sont couramment utilisés à la place des transformateurs de soudage classiques, car le courant de sortie CC peut atteindre la précision nécessaire.

Il y a aussi un aspect de sécurité puisque le courant continu est généralement considéré comme plus sûr. Du point de vue de l'utilisateur, les onduleurs sont plus petits et plus légers que les transformateurs, ce qui rend les machines à souder plus portables et plus pratiques à utiliser.

Dans une machine à souder typique, l’alimentation CA monophasée ou triphasée est redressée pour former la tension du bus CC. Le redresseur alimente également les petits convertisseurs qui génèrent la tension requise par l'unité de contrôle. La tension du bus CC alimente l'onduleur, qui a généralement une tension de sortie nominale d'environ 30 VCC. Cependant, pendant le fonctionnement, dans des conditions de charge en circuit ouvert, la tension peut doubler et chuter jusqu'à presque 0 V (en fait un court-circuit) lors du déclenchement de l'arc de soudage.

Figure 2 : Présentation d'une machine à souder typique

De nombreuses structures topologiques différentes conviennent aux machines à souder à onduleur. Cependant, les plus courants incluent Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) et Two-Switch Forward. Dans les topologies FB et HB, la fréquence de commutation se situe généralement dans la plage de dizaines de kHz, généralement autour de 20 à 50 kHz. Le cycle de service est contrôlé en fonction du niveau de charge et de la tension de sortie. En termes de schémas de contrôle, il s'agit souvent d'un courant constant.

Figure 3 : Les topologies courantes incluent FB, HB et Two-Switch Forward

Pilotes de moteurs industriels

L'une des applications industrielles les plus courantes concerne les pilotes de moteurs industriels, qui peuvent être utilisés pour les robots, les grosses machines ou de nombreuses autres applications dépendant du mouvement. La plupart des applications de commande de moteur sont configurées en HB, avec des fréquences comprises entre 2 kHz et 15 kHz. La tension de sortie résultante dépend de l'état du commutateur et de la polarité actuelle.

Figure 4 : Topologie en demi-pont affichant le courant de sortie positif et négatif.

Le moteur est une charge inductive, le courant augmente donc rapidement. Lorsqu'un courant positif circule (Ig > 0), le transistor côté haut (T1) s'allume et fournit de l'énergie à la charge (Vg). Cependant, si le courant de charge Ig circule dans la direction opposée (polarité négative), le courant reflue par D1, renvoyant l'énergie à la source CC.

Si le transistor côté bas est conducteur (T4 est passant) et que le transistor côté haut (T1) est bloqué, une tension égale à la moitié de Vbus (-Vbus/2) est appliquée à la charge, réduisant ainsi le courant. Si Ig est supérieur à zéro, le courant traverse D4, renvoyant l'énergie à la source du bus.

À suivre...