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1 - RÔLE DES SEMI-CONDUCTEURS EN ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

2 - CARACTÈRES COMPORTEMENTAUX

3 - CARACTÈRES PHYSIQUES

4 - ÉLÉMENTS DE COMPARAISON DES SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE

Article de référence | Réf : D3100 v2

Caractères comportementaux
Composants semi-conducteurs de puissance : caractères propres

Auteur(s) : Philippe LETURCQ

Date de publication : 10 août 1999

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Auteur(s)

  • Philippe LETURCQ : Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS (LAAS)

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INTRODUCTION

Les composants semi-conducteurs de puissance, par leurs principes physiques de fonctionnement, ne diffèrent pas fondamentalement de leurs homologues du traitement du signal analogique ou numérique. Ce qui les distingue, c’est leur fonction en électronique de puissance, qui est celle d’interrupteurs, mieux encore que les ordres de grandeur de tension et courant commutables, qu’on souligne parfois pour leur caractère spectaculaire (8kV/3kA par exemple pour tel thyristor Gate-Turn-Off). Quel que soit le niveau de puissance, en effet, l’accent est mis sur des caractéristiques telles que tension bloquée, courant passant, temps de fermeture et d’ouverture, pertes de puissance statiques et de commutation... avec des spécifications qui nécessitent une toute autre organisation des structures semi-conductrices que celle des composants microélectroniques.

Trop longtemps, le monde des semi-conducteurs, physiciens, technologues, concepteurs et fabricants de composants, et le monde du génie électrique, auquel appartient la communauté de l’électronique de puissance, ont peu communiqué à propos des composants de puissance sinon à travers les études de marché et les données des catalogues. Paradoxalement aussi, l’électrotechnique, discipline généraliste s’il en est, s’est toujours intéressée, jusqu’au niveau fondamental, aux matériaux magnétiques et diélectriques, mais a longtemps délaissé les semi-conducteurs.

Aujourd’hui, le raffinement des applications de l’électronique de puissance ne permet plus au concepteur de composants d’ignorer les spécificités et les contraintes de leur mise en œuvre, de même que l’électronicien de puissance ne peut mettre pleinement à profit les possibilités des composants de puissance modernes sans comprendre leur fonctionnement interne.

Ce fascicule constitue donc l’introduction générale à une série d’articles traitant successivement des propriétés électroniques du silicium, principal matériau semi-conducteur utilisé, des structures semi-conductrices élémentaires et des effets fondamentaux que celles-ci font naître, de la tenue en tension des composants de puissance, sujet générique, avant d’aborder de manière plus spécifique les principes de fonctionnement et l’étude des caractéristiques statiques et dynamiques des principaux composants de puissance actuellement utilisés. Un article complémentaire donne un aperçu des développements dans le domaine de l’intégration de puissance.

Dans ce chapitre introductif même, dont la conception doit beaucoup aux échanges de vues entre l’auteur et le Professeur Henri Foch, on présente les semi-conducteurs de puissance sous les différents aspects de leurs fonction, de leurs spécificités vis-à-vis des autres composants semi-conducteurs, et de leurs performances actuelles.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3100


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2. Caractères comportementaux

2.1 Généralités

Dans les études de caractère économique portant sur le marché des semi-conducteurs, on fait souvent référence à des niveaux de courant supérieurs à un ampère pour séparer les composants de puissance, le seuil de cent ampères autorisant la qualification de « forte puissance ». Ces distinctions n’ont pas de justification technique : un composant de puissance est tel parce qu’il permet le traitement de l’énergie et s’oppose en cela aux composants de traitement du signal. En ce sens, les composants d’un microconvertisseur délivrant une petite fraction de watt à une micromachine, méritent d’être désignés comme composants de puissance, s’ils ont été spécifiquement conçus, optimisés et réalisés pour cet emploi.

En effet, pour des raisons inhérentes aux mécanismes physiques mis en jeu, la réalisation par des éléments semi-conducteurs des fonctions d’interrupteur qu’exige l’électronique de puissance est imparfaite. Les états passant et bloqué sont bornés par des valeurs limites de courant et de tension et dégradés respectivement par une chute de tension et un courant de fuite, ce qui implique, notamment, dissipation de puissance et échauffement du cristal. De même, le basculement d’un état à l’autre, qui nécessite des conditions de commande adaptées, n’est pas instantané, soumis à la dynamique des porteurs de charge dans le cristal, avec comme conséquence l’existence de pertes de commutation et la limitation des fréquences de fonctionnement.

Pour fixer les idées, les figures 2 et 3 donnent, pour les composants de puissance les plus importants, des formes schématiques de signaux de commande et d’ondes de courant et de tension lors des commutations. Il ne s’agit que d’exemples, les formes d’ondes réelles pouvant être très diverses, selon les montages convertisseurs et les interactions entre le composant observé et son environnement (circuits extérieurs, incluant le circuit de commande).

HAUT DE PAGE

2.2 Diode, thyristor, triac et GTO

La figure 2 concerne des composants redresseurs...

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