Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) ont révolutionné le monde de l'électronique de puissance.
Issus de la fusion du transistor à jonction bipolaire (BJT) et du transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET), les IGBT ont une grande capacité de gestion de l'énergie. En raison de leurs capacités supérieures de gestion de la puissance, les IGBT sont largement utilisés dans des applications telles que les véhicules électriques, l'automatisation industrielle, les systèmes d'énergie renouvelable, etc.
Abréviation de Insulated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolaire à porte isolée), l'IGBT est un dispositif de commutation à semi-conducteur tridimensionnel qui résulte de la combinaison d'un MOSFET et d'un BJT. Le MOSFET offre une vitesse de commutation élevée et une impédance d'entrée, tandis que le BJT offre une capacité de transport de courant et de tension élevée. Cette fusion fait des IGBT une option de commutation supérieure aux dispositifs plus anciens tels que les thyristors à grille (GTO) et les transistors bipolaires de puissance (BPT).
Un IGBT est constitué de trois couches alternées de semi-conducteurs de type p et de type n, prises en sandwich entre deux électrodes métalliques - un émetteur et un collecteur. Ces électrodes permettent au courant de circuler dans le transistor. Une borne de grille permet également de contrôler le flux de courant.
L'application d'une tension positive à la borne de la grille permet au courant de passer, créant ainsi un champ électrique. Lorsque la tension disparaît, l'IGBT s'éteint, interrompant ainsi le flux de courant. Ce commutateur IGBT est utilisé pour la commutation marche/arrêt lors d'opérations à haute fréquence afin de contrôler la quantité d'énergie qui circule dans le dispositif.
Les IGBT sont largement utilisés dans l'électronique de puissance en raison de leurs caractéristiques uniques et de leur supériorité. Nous présentons ci-dessous quelques-unes des principales caractéristiques des IGBT :
Les IGBT ont des capacités de gestion de puissance élevées en raison de leurs faibles pertes de commutation et de leur résistance minimale à l'état passant. Les IGBT sont disponibles dans une variété de configurations de modules de puissance. Il serait donc utile d'utiliser un IGBT avec une configuration de puissance élevée pour un fonctionnement à des niveaux de tension élevés.
L'une des principales caractéristiques des IGBT est leur vitesse de commutation élevée. Ils conviennent donc parfaitement aux opérations à haute puissance et à haute fréquence. C'est pourquoi ils sont largement utilisés dans les applications à haute fréquence telles que la conversion d'énergie et la commande de moteurs.
Comme indiqué précédemment, les IGBT ont une très faible résistance à l'état passant, ce qui se traduit par des pertes de conduction très faibles pendant la conduction. Les IGBT sont donc très efficaces lorsqu'ils sont utilisés dans les opérations de conversion d'énergie.
Les IGBT sont très sûrs à utiliser, avec des caractéristiques intégrées telles que la protection contre les courts-circuits. En outre, les IGBT ont une tolérance à la température très élevée, ce qui en fait une excellente option pour les opérations d'alimentation à haute température.
Les IGBT sont principalement classés en deux types : les IGBT à perforation, également connus sous le nom d'IGBT asymétriques, et les IGBT sans perforation, également connus sous le nom d'IGPT symétriques.
Les IGBT à perforation, également connus sous le nom d'IGBT asymétriques, sont structurés en régions n- (dérive), n+ (tampon) et p+ (anode). L'anode P+ épaisse présente une forte concentration de dopant. Pour obtenir une modulation de la conductivité, un grand nombre de porteurs sont injectés à partir du collecteur, ce qui garantit une faible tension à l'état passant.
Cela dit, les IGBT PT ont une perte de commutation élevée car les courants continuent à circuler jusqu'à ce que les porteurs se recombinent ou sortent de la région de dérive n. Pour réduire la perte de commutation, on utilise une technique appelée contrôle de la durée de vie. Pour réduire la perte de commutation, une technique appelée contrôle de la durée de vie est utilisée pour faire en sorte que les porteurs sortent plus rapidement de la région de dérive n en introduisant des défauts cristallins dans la région de dérive n. Ils conviennent aux opérations à haute tension et à courant élevé où les fréquences de commutation sont très basses.
Les PT IGBT ne sont pas capables de supporter des tensions inverses, car ils sont unidirectionnels. C'est la raison pour laquelle ils ne sont utilisés que dans les circuits à courant continu tels que les onduleurs, les fours à micro-ondes, les moteurs à courant continu, etc.
Les IGBT sans perforation (NPT), également connus sous le nom d'IGBT symétriques, sont structurés en régions de dérive n- épaisses (pas de région tampon n+) et en régions p+ minces avec des concentrations de dopants variables.
Cette fine région P+ des IGBT NPT présente des concentrations variables de dopants et contrôle l'injection de porteurs. Ainsi, aucun contrôle de la durée de vie n'est nécessaire avec les IGBT NPT, ce qui est essentiel dans les IGBT PT pour réduire les pertes de commutation. Bien que les IGBT NPT présentent de faibles pertes de commutation, ils doivent augmenter la tension à l'état passant en raison de l'utilisation d'une région n plus épaisse. Ils conviennent aux opérations à faible courant et tension avec des fréquences de commutation élevées.
Les IGBT NPT sont utilisés dans les circuits à courant alternatif tels que les réfrigérateurs, les grille-pain, etc. car leur structure symétrique garantit que les pannes en marche avant et en marche arrière sont égales.
Le transistor bipolaire à porte isolée avec arrêt en tranchée (TG-FS-IGBT), également connu sous le nom d'IGBT avec arrêt en tranchée, est la version la plus récente et la plus avancée de l'IGBT. Pour obtenir de meilleures performances et une plus grande efficacité, il utilise une structure en tranchée. Dans sa construction, une couche supplémentaire d'arrêt de champ de type p est ajoutée à la région de dérive de type n, ce qui permet de réduire la concentration de champ électrique et de minimiser la chute de tension à l'état passant, améliorant ainsi l'efficacité globale du dispositif.
Ces IGBT avancés permettent des vitesses de commutation plus rapides car ils ont une charge de grille plus faible, ce qui les rend adaptés aux opérations et applications de commutation à haute fréquence. Ils sont couramment utilisés dans les onduleurs de puissance, les machines à souder, les contrôleurs de moteur, etc.
L'IGBT et le MOSFET sont des dispositifs semi-conducteurs utilisés comme commutateurs dans l'électronique de puissance pour plus ou moins les mêmes raisons, mais il existe quelques différences entre les deux.
Tout d'abord, alors que l'IGBT est un dispositif semi-conducteur à trois bornes (collecteur, émetteur et grille), le MOSFET est un commutateur à quatre bornes (source, drain, grille et corps). L'IGBT est plus avancé que le MOSFET car la fusion en fait un MOSFET avec un BJT.
Les IGBT ont des capacités de transport de courant et de tension très élevées par rapport aux MOSFET et sont idéaux pour les opérations à haute puissance. D'autre part, les MOSFET ont une résistance à l'état passant comparativement faible, une vitesse de commutation élevée et une très faible puissance d'entraînement de la grille, ce qui les rend appropriés pour les opérations nécessitant une fréquence de commutation élevée.
Les IGBT sont plus avancés et plus coûteux que les MOSFET, qui sont comparativement moins chers et les transistors les plus couramment utilisés.
Tension et courant nominaux élevés: Les IGBT ont une tension et un courant nominaux très élevés. C'est la raison pour laquelle ils sont utilisés pour des opérations de haute puissance telles que les véhicules électriques, les commandes de moteurs industriels, les systèmes d'énergie renouvelable, etc. Cela dit, il faut savoir que les IGBT se présentent sous la forme de différents modules de puissance. Vous devez donc vous assurer que vous utilisez celui qui convient à vos opérations d'alimentation.
<Les IGBT NPT ont une vitesse de commutation très rapide et une perte de commutation très faible, ce qui en fait une excellente option pour les opérations avec des fréquences de commutation élevées, telles que les onduleurs.
<Les IGBT PT ont une faible résistance à l'état passant et garantissent des pertes de conduction minimales, ce qui les rend adaptés aux opérations à courant et tension élevés.
Pertes de commutation élevées : Les PT IGBT ont des pertes de commutation relativement élevées, mais il est facile d'y remédier en contrôlant la durée de vie.
Fréquence limitée: La fréquence de commutation des IGBT PT est limitée en raison de leurs pertes de commutation élevées. Mais si vous travaillez sur une opération avec une fréquence de commutation élevée, vous pouvez utiliser un IGBT NPT.
Problèmes thermiques : Lorsqu'ils ne sont pas correctement gérés, les IGBT peuvent causer des problèmes thermiques, car ils ont tendance à chauffer pendant les opérations à haute puissance et à haute fréquence.
Coût: En comparaison avec d'autres dispositifs semi-conducteurs de puissance sur le marché, les IGBT semblent être un peu plus chers, en particulier les IGBT Pt.
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