Transistor bipolaire à grille isolée
Symbole usuel de l’IGBT
Symbole usuel de l’IGBT

Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de l’anglais Insulated Gate Bipolar Transistor) est un dispositif semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre l'interrupteur qui permet d'éteindre ou...) électronique de puissance (L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique.), principalement dans les montages de l’électronique de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :).

Ce composant, qui combine les avantages des technologies précédentes — c’est-à-dire la grande simplicité de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) du transistor à effet de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) par rapport au transistor bipolaire, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en conservant les faibles pertes par conduction de ce dernier — a permis de nombreux progrès dans les applications de l’électronique de puissance, aussi bien en ce qui concerne la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) que sur l’aspect économique.[1].

Les transistors IGBT ont permis d’envisager des développements jusqu’alors non viables en particulier dans la vitesse (On distingue :) variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une...) ainsi que dans les applications des machines électriques et des convertisseurs de puissance qui nous accompagnent chaque jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) et partout, sans que nous en soyons particulièrement conscients : automobiles, trains, métros, bus, avions, bateaux, ascenseurs, électroménager (Le terme électroménager caractérise tous les appareils et outils utilisant l'électricité et, destinés à assurer des besoins domestiques, par opposition aux outils et machines industriels. Ces appareils peuvent...), télévision (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de scènes animées et généralement sonorisées qui sont reproduites sur un poste récepteur appelé téléviseur (ou, par abus de...), domotique (La domotique est l’ensemble des techniques de l'électronique, de physique du bâtiment, d'automatismes, de l'informatique et des télécommunications utilisées dans les...), 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). Le but 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) 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 (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction (menant à la...) Region (Brevet n°4,364,073)[2]. C’est une technologie récente, qui succède aux thyristors, aux transistors Darlington et 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 largement imposé dans tous les domaines de l’électronique de puissance face aux autres types de composants pour les gammes de tension (La tension est une force d'extension.) 600 V à 3 300 V, et qu’il perce dans les tensions supérieures face au GTO, ainsi que dans les tensions inférieures face au MOSFET, bien qu’il soit plus lent[5].

Caractéristiques

Schéma équivalent de l’IGBT
Schéma équivalent de l’IGBT

L’IGBT est un transistor hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique)...), regroupant 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 ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de...) (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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) de puce donnée) d’un bipolaire. De plus, les IGBT peuvent gérer une tension bien plus élevée que celle gérée par les MOSFET.

Conductance

La conductance est définie par la résistance du transistor lorsque celui-ci 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 en fonction du courant Ice : plus le VCEsat est faible, plus le courant admissible 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 celui-ci. Pour cela, il est possible 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 encore la chute de tension directe VCEsat de l’ordre de 25 à 30 %.

Commutation

La faiblesse de l’IGBT (comparé au MOSFET) résulte essentiellement dans sa vitesse de commutation, notamment 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 lorsque la tension de la grille passe en dessous du seuil de commutation. La technologie PT possède une zone tampon (une Zone tampon ou Buffer Zone désigne un terrain ou un plan d’eau utilisé pour distinguer l'usage d'un terrain d’un autre, par exemple afin de contrer ou d’enrayer...) (buffer) à proximité de la zone de drift pour accélérer l’absorption des trous. Les transistors IGBT-PT seront donc 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 surtout actifs (non dissipatifs), de type " ZVS " (Zero Voltage Switch, commutation au zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres...) 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 grandement la mise en conformité des équipements concernant la compatibilité électromagnétique (Les bruits électromagnétiques et radioélectriques sont le résultat de tous les courants électriques induisant une multitude de champs et signaux parasites.). Néanmoins, du fait de leur complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en...) et de leur coût, ils sont encore 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, ainsi que l’amélioration des processus de commande de grille, font que le phénomène de verrouillage est actuellement bien maitrisé 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
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) désigne 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 (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au...) le semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un...) et une tension importante est présente à ses bornes, c’est-à-dire en dehors du fonctionnement " saturé " (conducteur et faible chute de tension). Dans tous les cas ces zones de fonctionnement ne peuvent être que transitoires, car les puissantes dissipées en valeurs instantanées sont plusieurs ordres de grandeur au dessus de la puissance admissible nominale du composant. On distingue 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. Lorsque la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) commandée par le transistor est en court-circuit, le courant demandé est en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une...) infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.). En pratique, le courant ICE dans le transistor est limité par la tension VGE sur la grille et la valeur de la transconductance, ainsi que 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 (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) 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 (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...). Lors de cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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 (Lorsque le flux du champ magnétique qui traverse un circuit conducteur varie au cours du temps, il apparaît dans ce circuit une tension. La tension ainsi créée est orientée de façon à...) de la charge inductive. Cette FCEM doit être limitée, par exemple, par une diode dite de " roue libre " à ses bornes. Durant cette phase le courant est constant – car lorsque 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 (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") par augmentation de la barrière de potentiel (Le terme barrière de potentiel permet de désigner de façon intuitive les effets cinétiques que subit un objet mécanique de la part des forces auxquelles il est soumis. Notamment, dans le cas des forces répulsives son mouvement...). Il s’ensuit un risque de " claquage " du composant par formation de points chauds localisés et emballement thermique ; ce phénomène est connu pour les transistors bipolaires de puissance sous le nom de " second claquage " (Second Break Down en anglais). Les IGBT sont cependant beaucoup 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 (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle à la tension. Il se caractérise par sa Capacité...) auxiliaire par exemple) pendant la période de blocage autorisent une commutation à pertes quasi-nulles pour le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) et évitent le risque de second claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un but isolant (condensateurs...), et qui se produit quand la tension entre...).
  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 usuel de l’IGBT. Une attention particulière sur ce mode de fonctionnement est cependant nécessaire 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, notamment la taille du transistor, la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) 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 (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) suivant montre les performances typiques de quelques produits du marché des transistors.

Il dégage la tendance générale :

  • le VCEsat augmente et la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence...) d’utilisation diminue quand la tenue en tension augmente ;
  • les MOSFET et les GTO deviennent concurrentiels aux extrémités de la gamme.
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 (améliorant l’un des paramètres au détriment de l’autre) ou utilisant des technologies très récentes.

Structure

Vue en coupe d’une cellule élémentaire (planar, PT)
Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) en coupe d’une cellule élémentaire (planar, PT)

La structure d’un IGBT est basée sur celle d’un MOSFET vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) doublement diffusé[10] : l’épaisseur du support est utilisée pour séparer le drain ( Drain est une commune française de Maine-et-Loire ; Drain est également un groupe de musique ; Le drain français est un outil du Drainage, technique utilisée en génie civil et en...) de la source. Les épaisseurs typiques des wafers sont de l'ordre de 70 à 100µm. Une zone dite d'épitaxie, dopée N-, permet l'apparition d'un canal lorsque des électrons sont injectés par la grille (VG>0, état passant).

La technique de double diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un...) 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 (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la...) du canal. Les structures verticales permettent la mise en parallèle de plusieurs cellules élémentaires, de façon à augmenter le courant admissible 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 (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle...) 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 donc plus robuste en situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un...) de court-circuit.

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

Cette couche tampon entre la zone d'épitaxie N et la zone d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) P+ du collecteur permet d'obtenir une distribution du champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) trapézoïdal.

On trouve également 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 également utilisée : la zone d’épitaxie est découpée sous la grille de manière à diminuer les phénomènes de latching et permettre ainsi des densités de courant plus importantes. Cette géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle,...) est aussi plus compacte et généralement plus performante que la géométrie à grille plane.

Technologie

Les IGBT sont fabriqués avec des techniques similaires 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 environ 1 cm2, alors qu’on sait faire des diodes monolithiques de 150 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...) (176 cm2)[11].

Les gros IGBT sont donc des modules multi-puces, constitués de nombreuses puces en parallèle, généralement brasées sur une semelle de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à pêche. C'est...) 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 très importante du module IGBT, car ses caractéristiques (en particulier de recouvrement) doivent être compatibles avec l’IGBT lui-même, nécessité cruciale. Ceci représente d’ailleurs une des premières applications pour les semi-conducteurs en carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une céramique composée de silicium et de carbone.)[12].

On trouve principalement des IGBT " canal N ". La structure complémentaire " canal P " est possible, 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 pratiquement dans tous les boitiers courants, depuis le petit boitier 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

Module IGBT 3300V 1200A
Module IGBT 3300V 1200A

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 :

  • 600 V : valeur adaptée à la connexion sur un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) 230 V alternatif ;
  • 1200 V : valeur adaptée à la connexion sur un réseau 400 V alternatif ;
  • 1700 V : valeur adaptée à la connexion sur un réseau 660 V alternatif ;
  • 3300 V : valeur utilisée en traction ferroviaire 1 500 V continu ;
  • 6500 V : valeur utilisée en traction ferroviaire 3 000 V continu.

Applications

Les applications usuelles de l’IGBT sont les onduleurs, redresseurs et hacheurs pour les alimentations à découpage et la vitesse variable, mais aussi pour les FACTS (Un FACTS est un équipement d'électronique de puissance utilisé pour améliorer la contrôlabilité et les capacités de transfert des réseaux de transmission...).

Exemples

  • Les IGBT sont utilisés comme éléments de puissance dans les convertisseurs de traction du TGV (Le TGV est une rame automotrice électrique d'origine française apte à circuler à des vitesses supérieures à 320 km/h en exploitation, mise au point par la SNCF et construite par la...), sur les versions les plus modernes équipées de moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) asynchrones, ainsi que dans la plupart des convertisseurs auxiliaires (éclairage, ventilation, etc). La tendance est à la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce...) des IGBT sur ce marché[13].
  • La technologie IGBT est exploitée dans les émetteurs ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) décamétriques développés par Thales (Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à Milet vers -625 et mort vers l'an 547 av....) Broadcast ( Dans le domaine des télécommunications en général, le Broadcasting désigne une méthode de diffusion de données à partir d'une source unique vers un...) & Multimedia (série TSW2500) à tétrode finale HF. Les modules IGBT constituent l’étage de modulation AM dont le but est d’effectuer une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement etc.)) du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) audio sur la tension d’alimentation de la tétrode finale HF de puissance. En 2006, douze émetteurs de ce type sont en service sur le site de TDF d’Issoudun qui assure la radiodiffusion de RFI (puissance unitaire de 500 kW associée à une antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) ALLISS).
  • Ils sont également utilisés dans les variateurs-onduleurs de commande des moteurs électriques des pods, propulseurs des navires les plus récents comme le Queen Mary 2 (Le RMS Queen Mary 2 (« QM2 ») est un paquebot transatlantique britannique de la Cunard construit en France et mis en service en 2004 pour assurer la ligne régulière Europe-Amérique du Nord. Il fut à sa...).
  • L’utilisation des IGBT commence à se développer dans le secteur automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de...) pour les véhicules électriques et en particulier pour les voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est...) dites hybrides comme par exemple la Toyota Prius (La Toyota Prius est une automobile à motorisation hybride essence-électricité. Le premier modèle (type NHW10) fut proposé en 1997 au Japon seulement. Il fut suivi par une version techniquement remaniée mais à la...), dont la partie électrique de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de traction comprend deux moteurs électriques sans balais commandés par un onduleur (Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance permettant de délivrer des tensions et des courants alternatifs à partir d'une source d'énergie...) de 50 kW à IGBT.
  • Les ballasts électroniques de forte puissance (jusqu’à 18 kW) pour lampes à décharges halogènes comme les lampes HMI (Hydragyrum Metal Iodyne) utilisées dans les projecteurs professionnels de spectacle incorporent des IGBT dans leurs étages de puissance. Le fonctionnement de l’ensemble devant être inaudible, l’encombrement réduit, et la compatibilité électromagnétique maximum, cette application particulière requiert un fonctionnement à des fréquences de découpages supérieures à 20 kHz et l’emploi impératif de circuits d’aide à la commutation non dissipatifs.

L’IGBT est utilisé presque exclusivement en commutation, c’est-à-dire quand seuls les états saturés et bloqués sont souhaitables. Néanmoins, comme tout transistor, il possède une zone de fonctionnement " linéaire ", ou active, qui peut être utilisée pour des applications particulières (amplificateurs, etc.).

Principaux fabricants

  • ABB
  • Dynex
  • Fairchild
  • Fuji Semiconductor
  • Hitachi
  • Infineon Technologies, incluant l’ancien Eupec
  • International Rectifier
  • Ixys
  • Microsemi (ex-APT)
  • Mitsubishi Electric
  • Poseico
  • Powerex
  • Semikron
  • STMicroelectronics
  • Toshiba semiconductor
  • 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 (NeXT Computer, Inc (devenue NeXT Software, Inc) était une entreprise d’informatique fondée par Steve Jobs en 1985 après son départ d’Apple.) Generation High Power Dual IGBT Module - Mitsubishi (2003).
  5. (en) Worldwide Market Statistics and Trends, Darnell Group (un cabinet d’études de marché en électronique de puissance).
  6. ab (en) Application Note AN-983 de la société IRF (1996).
  7. (en) Trench IGBTs Improve Appliance Motor Drives - Power Electronics Technology (August 2006).
  8. VCEsat = tension collecteur-émetteur à l’état saturé. Les valeurs données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) 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 (Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de l’anglais Insulated Gate Bipolar Transistor) est un dispositif semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur électronique...), Device Modelling Group, université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) de Glasgow.
  11. Les produits commerciaux se limitent le plus souvent à 100 mm de diamètre, comme le T3101N d'Infineon (pour la puce : le boitier fait 150 mm)
  12. Cree associe IGBT et diode SiC, Électronique International.
  13. Part de marché supérieure à 50 % d’après (en) cette étude de l’UIC et la Deutsche Bahn.
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