IGBT

Un IGBT est un interrupteur semi-conducteur à trois bornes qui combine la haute impédance d'entrée d'un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) avec la faible tension de saturation et la capacité de courant élevée d'un transistor à jonction bipolaire (BJT). Il se situe entre la borne de grille et le chemin collecteur-émetteur, permettant à un petit signal de commande à la grille de commuter des courants importants, allant généralement de dizaines d'ampères à plusieurs centaines d'ampères, avec des fréquences de commutation de 1 kHz à 20 kHz ou plus, selon la puissance nominale du dispositif.

La structure empile un MOSFET sur un BJT, de sorte que la tension de grille contrôle si le dispositif conduit ou bloque. Lorsque la tension de grille dépasse le seuil (généralement de 3 à 15 volts), les porteurs de charge inondent la région de dérive et le dispositif entre en saturation, provoquant une chute de tension de 0,5 à 2 volts aux bornes collecteur-émetteur. Cette faible tension à l'état passant signifie moins de dissipation thermique que les thyristors ou les MOSFET de puissance plus anciens transportant le même courant. La grille isolée donne son nom au dispositif et son avantage clé : elle ne tire presque aucun courant de grille en régime permanent, de sorte que le circuit de commande peut être simple et efficace.

Les IGBT dominent les variateurs de fréquence (VFD) pour moteurs, les alimentations à découpage (SMPS) dans les équipements industriels, les alimentations sans interruption (UPS), les onduleurs de soudage et les onduleurs photovoltaïques de forte puissance. Un VFD triphasé typique utilise six IGBTs disposés en configuration de pont, s'allumant et s'éteignant des centaines de milliers de fois par seconde pour synthétiser une sortie CA à partir d'un bus CC. Les IGBTs modernes sont évalués de 600 volts jusqu'à 6500 volts pour les applications moyenne tension, et les fabricants spécifient les limites maximales de courant de crête répétitif et de température de jonction, généralement 150 degrés Celsius, au-delà desquelles la fiabilité se dégrade rapidement.

Modes de défaillance et contraintes thermiques

Les IGBTs tombent en panne lorsque la température de jonction dépasse les limites de conception, lorsque des surtensions grille-émetteur endommagent la couche d'oxyde, ou lorsque des oscillations parasites à l'arrêt créent des pics de tension dépassant la tension de blocage nominale. Dans les applications de commutation à courant élevé, le parallélisme de plusieurs IGBTs peut partager la charge, mais nécessite une conception soignée pour équilibrer les signaux de commande de grille et les courants de collecteur. La protection contre les courts-circuits est essentielle : si la charge se court-circuite soudainement, le courant de collecteur peut dépasser le maximum nominal en quelques microsecondes, générant une dissipation de puissance destructrice à moins que le circuit de commande de grille ne détecte le défaut et ne supprime le signal de grille.

L'avantage de performance des IGBTs par rapport aux MOSFETs de puissance et aux thyristors plus anciens réside dans le juste équilibre entre la vitesse de commutation et la perte par conduction. Les MOSFETs commutent plus rapidement mais conduisent avec une chute de tension plus élevée à des courants élevés. Les thyristors et les thyristors à extinction par grille (GTO) conduisent avec une chute de tension plus faible mais nécessitent des circuits de commutation complexes. Les IGBTs comblent cet écart, c'est pourquoi ils sont devenus le dispositif de commutation standard dans les onduleurs et les variateurs de presque tous les équipements de conversion de puissance industriels construits au cours des deux dernières décennies.