Caractéristiques des composants à semi-conducteur de puissance en vue de leur commande

1 - Caractéristiques des thyristors et triacs en vue de leur commande

• 1.1 - Spécificités de commande des thyristors
  Figure 1 - Thyristor Figure 2 - Exemple de caractéristiques d’amorçage d’un thyristor 8 500 V – 3 660 A (ABB 5SYA1074-01) et de préconisation d’impulsion d’amorçage (d’après [11]) Figure 3 - Schéma de spécification d’amorçage d’un thyristor Figure 4 - Formes d’onde idéalisées pour mettre en évidence les conditions de bon amorçage d’un thyristor Tableau 1
• 1.2 - Thyristors à amorçage optique (LTT)
  Figure 5 - LTT 7,5 kV – 6,25 kA (Infineon) (d’après [13]) Figure 6 - Symbole et schéma de principe d’un LTT intégrant une diode BOD (break over diode) assurant la mise en conduction et donc la protection du thyristor en cas de surtension anode-cathode
• 1.3 - Spécificités de commande des triacs
  Figure 7 - Principe de la structure du triac, schéma fonctionnel équivalent et symbole Figure 8 - Définition des quadrants d’amorçage d’un triac Figure 9 - Influence de la température sur les caractéristiques d’amorçage d’un triac « snubberless » 4 A (STMicrolectronics T435T-600 4 A – 600 V) selon les quadrants Tableau 2

2 - Caractéristiques des transistors bipolaires et thyristors blocables (GTO) en vue de leur commande

• 2.1 - Transistors bipolaires de puissance
  Figure 10 - Photographie du côté de la jonction base-émetteur d’un transistor bipolaire à doigts d’émetteur et parfois d’une structure multicellulaire (d’après [20]) Figure 11 - Configurations de transistors darlington de puissance Figure 12 - Formes d’ondes typiques d’un transistor bipolaire en régime de commutation Figure 13 - Trajet du point de fonctionnement dans le plan (I C, V CE) lors des phases de commutation Figure 14 - Influence du courant de base sur la chute de tension directe d’un transistor bipolaire à faible chute de tension Figure 15 - Chute de tension V CEsat dans un darlington Figure 16 - Circuits de commande de base à diode d’antisaturation (DAS) Figure 17 - Influence de la polarisation statique de base sur la tenue en tension (V CEO < V CER < V CEV) Figure 18 - Aires de sécurité directe (FBSOA) et inverse (RBSOA) d’un transistor MJE13007 Figure 19 - Circuit d’aide à la commutation RCD au blocage, formes d’ondes et trajet du point de fonctionnement dans le plan (I C, V CE) Figure 20 - Définitions des grandeurs caractéristiques (sur formes d’onde qualitatives) au blocage d’un transistor bipolaire MJE13007 (ON Semiconductor) Figure 21 - Variation des temps de commutation avec le courant collecteur du transistor bipolaire MJE13007 (On semiconductor) Figure 22 - ESBT (Emitter Switched bipolar transistor), symbole et structure interne Figure 23 - Structure d’un ESBT (d’après [23]) Figure 24 - Formes d’ondes typiques du courant de base lors des commutations d’un ESBT dans une alimentation flyback (d’après [23]) Figure 25 - Caractéristiques statiques d’un transistor bipolaire SiC (GeneSiC, GA50JT12-247, 1 200 V, 20 mΩ) à 25 °C et 175 °C Figure 26 - Spécification de la chute de tension à l’état passant représentée par l’évolution de la résistance drain-source en fonction du courant de grille et de la température et tension grille-source en fonction du courant de drain pour un transistor bipolaire SiC (GeneSiC, GA50JT12-247) Figure 27 - Formes d’ondes de courant de base idéalisées et recommandées (d’après [24]) Figure 28 - Formes d’ondes expérimentales du courant de base (appelé « gate current ») sur une période de commutation d’un transistor bipolaire SiC Genesic (GA06JT12-247) 1 200 V – 6 A (d’après [25]) Figure 29 - Évolution des capacités d’entrée C ISS, de sortie C OSS et de contre-réaction C RSS avec la tension drain-source pour un transistor bipolaire SIC Genesic (GA50JT12-247) Figure 30 - Évolution des énergies dissipées et des temps de commutation à la mise en conduction et au blocage en fonction de la température pour un transistor bipolaire SIC Genesic (GA50JT12-247) Figure 31 - Évolution des énergies dissipées et des temps de commutation à la mise en conduction et au blocage en fonction du courant commuté sous 800 V pour un transistor bipolaire SIC Genesic (GA50JT12-247) Figure 32 - Aires de sécurité en direct et au blocage pour un transistor bipolaire SIC Genesic (GA50JT12-247)
• 2.2 - Thyristors GTO et GCT
  Figure 33 - Photographie du wafer d’un GCT (ou GTO) du coté de la jonction gâchette cathode (d’après [26]) Figure 34 - Coupe d’un thyristor GTO, zoom sur un doigt de cathode (d’après [26]) Figure 35 - Formes d’ondes idéalisées au blocage d’un GTO Figure 36 - Obtention du courant négatif de gâchette Figure 37 - Hacheur à GTO. Circuits d’aide à la commutation et circuit écrêteur (d’après [27]) Figure 38 - Formes d’ondes et spécifications typiques en régime de commutation d’un thyristor GTO (d’après [27]) Figure 39 - Formes d’ondes à la commutation d’ouverture d’un GCT Mitsubishi 6 kV – 6 kA, dans une commutation 4 kV – 6 kA (d’après [28]) Figure 40 - Inductance maximale fonction de la résistance du circuit de gâchette assurant l’ouverture d’un courant de 4 kA (d’après [10] [29]) Figure 41 - GCT avec son circuit de commande rapprochée, dénommé IGCT (ABB) (d’après [26]) Figure 42 - Principales technologies de GCT (d’après [26]) Figure 43 - Définitions des temps de retard et de commutation d’un GCT (d’après [30]) Figure 44 - I T en fonction de V T tension à l’état passant et de la température pour un IGCT ABB 5SHY35L4520 de calibre 4 500 V-4 000 A Figure 45 - Formes d’onde au blocage d’un GCT (d’après [31]) Figure 46 - Exemple de variation de l’énergie dissipée au blocage en fonction du courant commuté, à température de jonction et tension fixées pour un IGCT ABB 5SHY35L4520 de calibre 4 500 V – 4 000 A Figure 47 - Conditions de commutation dure d’un GCT (d’après [32]) Figure 48 - Aire de sécurité au blocage d’un RC IGCT ABB 5SHX19L6020 de calibre 5 500 V – 1 800 A

3 - Caractéristiques des transistors à grille en vue de leur commande

• 3.1 - Influence du circuit de commande sur les performances des composants à grille
  Figure 49 - Évolution de la résistance drain-source en fonction de la tension de grille V GS d’un logic level MOSFET et d’un standard level MOSFET (d’après [33]) Figure 50 - Évolution de la résistance drain-source en fonction de la tension de grille V GS et réseau de caractéristiques de sortie d’un MOSFET à superjonction et d’un logic level MOSFET basse tension Figure 51 - Évolution de la résistance drain-source en fonction de la température d’un MOSFET à superjonction et d’un logic level MOSFET basse tension
• 3.2 - Principales caractéristiques de commande des transistors MOSFET de puissance
  Figure 52 - Différentes structures de transistors MOSFET Figure 53 - Schéma équivalent et allure des caractéristiques de sortie d’un transistor MOSFET (de type N) Figure 54 - Variation des capacités internes avec la tension Figure 55 - Caractéristiques de charge de grille d’un MOSFET à superjonction et d’un logic level MOSFET
• 3.3 - Commutations
  Figure 56 - Mise en conduction d’un transistor MOSFET de puissance Figure 57 - Blocage d’un transistor MOSFET dans le cas d’un canal actif Figure 58 - Schéma équivalent du MOSFET lors d’une phase de blocage avec canal actif et canal inactif
• 3.4 - Spécificités des transistors IGBT
  Figure 59 - IGBT : symbole et schéma équivalent Figure 60 - Comparaison de structures IGBT planaire et à tranchées (d’après [34]) Figure 61 - Comparaison de la chute de tension à l’état passant entre un IGBT 1 200 V planaire et un IGBT à tranchées (d’après [34]) Figure 62 - Pertes dissipées en fonction de R G dans un IGBT trench (Infine on FF450R17ME4_B11, 1 700 V, 600 A à T CASE = 25 °C) V GS = 15 V Figure 63 - Commutation d’une puce 25 A – 6 500 V (d’après [35]) Figure 64 - Pertes par commutation et caractéristique de charge de grille pour l’IGBT IGW40N120H3 1 200 V – 40 A à 100 °C de température de boîtier
• 3.5 - Spécificités des transistors MOSFET SiC
  Figure 65 - Variation avec la température de jonction de la résistance à l’état passant d’un MOSFET SiC Figure 66 - Caractéristiques de sortie d’un MOSFET SiC STMicroelectronics SCT30N120 (1 200 V, 34 A à TCASE = 100 °C) à T J = 150 °C Figure 67 - Caractéristique de charge de grille d’un MOSFET SiC STMicroelectronics SCT30N120 (1 200 V, 34 A à TCASE = 100 °C) Figure 68 - Variation des capacités internes avec la tension VDS d’un MOSFET SiC STMicroelectronics SCT30N120 (1 200 V, 34 A à TCASE = 100 °C) Figure 69 - Influence de la résistance de grille sur les pertes à la commutation d’un MOSFET SiC STMicroelectronics SCT30N120 (1 200 V, 34 A à TCASE = 100 °C) pour VDD = 800 V, I D = 20 A,VGS = – 2 V à 20 V, Tj = 25° C (d’après [37]) Figure 70 - Influence de la tension de blocage sur les pertes au blocage d’un MOSFET SiC STMicroelectronics SCT30N120 Figure 71 - Commutation d’un MOSFET Rohm SCH2080KE sous 600 V de tension DC, 15 A de courant de charge et RG = 15 Ω à TJ = 25 et T J = 175 °C (d’après [38]) Figure 72 - Évolution des énergies dissipées en commutation en fonction de la température de jonction d’un MOSFET SiC STMicroelectronics SCT30N120 Figure 73 - Caractéristique en conduction inverse d’un MOSFET SiC STMicroelectronics SCT30N120 à 150 °C de TJ losque le canal est rendu conducteur
• 3.6 - Spécificités des transistors HEMT GaN
  Figure 74 - Structure simplifiée d’un HEMT GaN latéral (d’après [42]) Figure 75 - Assemblage d’une puce GaN du fabricant EPC sur un PCB (d’après [43]) Figure 76 - Caractéristique de charge de grille d’un HEMT GaN GanSystem GS66508T (650 V, 25 A à 100 °C de température de boîtier) Figure 77 - Variation des capacités internes avec la tension VDS d’un HEMT GaN EPC 2034 (200 V, 31 A à 25 °C de température ambiante) Figure 78 - Modes de conduction d’un HEMT GaN Figure 79 - Caractéristique en conduction inverse d’un HEMT GaN GanSystem GS66508T (650 V, 25 A à 100 °C de température de boîtier)

4 - Conclusion