SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE - …

1 SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCEJo l REDOUTEYRev 10/20102 SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE Les interrupteurs en lectronique de PUISSANCE Les diodes rapides Les transistors bipolaires de PUISSANCE Les thyristors et les triacs Les transistors effet de champ MOS Les IGBT3L INTERRUPTEUR de PUISSANCE456 Exemple : La diode7 Repr sentation imag e d une jonctionPN++++++++++++++++++++++++++++-- -----------------------+++-------------- -----------++++++++++++++++ +++++++++++++++++++++++++++++++++------- ------------------+++------------------- ------++++++++++++++++ +++++++++++++++++++++++++++++++++------- --------------------------------++++++++ +++ ++++--Electron libreZCErecombinaison d lectrons avec des trousIon positifIon n gatif+ Trou8 Jonction PN l quilibre9++++----PNVREextEintJonction PN en polarisation inverse10caract ristique inverseVR>6V effet d avalanche - CTP VR<6V effet Zener CTN 11 VRRM.

2 Reverse Repetitive Maximum VoltageValeur garantie par le constructeurLimite de tension inverseVRRMR everseForwardVaVa>VRRM12++++++----- -PNVFEextEintJonction PN en polarisation directe13 Conduction dans une jonction PN+++++++----- -PN+EextEint lectronstrousIFVF+-- -IF I0exp(qV/kT)14 Caract ristique I-V d une jonction PN15 Mod lisation de la caract ristique directeA fort niveau de courant il faut tenir compte de la r sistance s rie de la diode16 PUISSANCE dissip edtIVTPTFFd =01dtIIRETPTFFd +=000)(1dtIRTdtIETPTTFFd +=0020011dtITRdtITEPTTFFd +=0020011 FFIREV00+=200effmoydIRIEP+=1718Le courant de fuite en inverse d une diode jonction PN cro t tr s vite avec la temp rature. risque d emballement thermiqueLa temp rature maximale de fonctionnement appel e temp rature maximale de jonctionest sp cifi e par le des composants silicium Tj max est toujours inf rieure 200 rature maximale de jonction Tj max19 Courant maximal admissibleCourant maximal admissible200effmoydIRIEP+=En g n ral, le terme E0 Imoyest nettement sup rieur au terme R0 Ieff On classe donc les diodes par calibre de courant moyen maximal:IavgmaxLe courant maximal admissible est celui qui permet la temp rature de jonction de ne pas d passer sa valeur maximale dans des conditions de refroidissement donn vacuation de la chaleurPUCE eBo tier PRadiateurGraisse thermiqueTjTbTradTambRth j-bRth b-radRth rad-ambPLoi d Ohm thermique: T= Rth.

3 P21 Une diode BYT08P est utilis e dans un convertisseur courant qui la traverse est triangulairede valeur cr te 20A et de rapport cyclique 0, constructeur donne:E0=1,1VR0=24m Calculer la PUISSANCE dissip e dans la diodeExemple22 Calcul de radiateurLe constructeur donne:Tj max=175 CRthj-b=2,5 C/WLa diode est mont e sur un refroidisseur par l interm diaire d un film isolant dont la r sistance thermique est Rthb-rad=0,5 C/W23 Calcul de radiateurLa temp rature ambiante Tamb est de 50 C et par s curit on d sire que la temp rature de jonction ne d passe pas 150 la r sistance thermique du radiateur n cessaire et sa temp radiateur est fix l ext rieur du bo tier de l appareil et on d sire que sa temp rature ne d passepas 80 C par s curit pourles utilisateurs. Calculer la nouvelle valeur de la r sistance thermique du radiateur adapt et la temp rature de de radiateur25 Choix du radiateurRadiateur en aluminium anodis noirMontage verticalConvection naturelle26 Ventilation forc e+20%:Montage Horizontal+10%:Aluminium brutConditions d utilisationRthVentilation forc e suivant la courbe ci-dessous27 Comportement dynamique au blocageEKDRVRIFP hase de conduction, K ouvert++28 Comportement dynamique au blocageEKDRVRIROn ferme K, la diode conduit en inverse un court instant avant de se bloquer-+29 Recouvrement inversetrrtrr est le temps de recouvrement inverse (reverse recovery)30 Charge stock eQS= IF : dur e de vie des porteurs minoritairesIF.

4 Courant direct traversant la charge stock e durant la conduction d pend de l intensit du courant direct et de la dur e de vie des porteurs minoritaires (temps statistique pour qu un lectron libre et un trou se recombinent)Pour r duire le recouvrement inverse, il faut diminuer la dur e de vie31 Diodes rapides251400 Ultra fast200,9200 Ultra fast301,3600 Ultra fast501,41200 Ultra ,22000standardTrr (ns)typVF(V)typVRRM(V)maxCat gorie32 Cons quence du recouvrement Cas du hacheur sur charge inductive en conduction continueK ferm EKLRDK ouvertK ouvert commutationK ferm 33En lectronique de PUISSANCE les transistors sont utilis s comme des interrupteursR gime de commutationOuvertFermetureFerm OuvertureOffTurn onOnTurn off34 NPN et PNPDans la pratique essentiellement des NPNT ransistor bipolaire de puissanceNPNPNPC ollecteurEmetteurBaseBase35 Tenue en R openVces R=0 shortTension collecteur metteur maximaleNPNRIcLa tension collecteur metteur base ouverte Vceo est la plus faible tenue en tension37123 IbIcVce1 : Zone lin aire2 : zone de quasi saturation3.

5 Saturation vraieCaract ristique fort niveau de courantLorsque Vce devient faible, le gain en courant =Ic/Ib d cro t fortement38 EICRIbVceDroite de chargeABE=Vce + RIc droite de chargeOn cherche Vce minimalIb=150mA Vce=4 VIb=200mA Vce=1,4V point AIb=350mA Vce=0,4V point BIb=450mA Vce=0,4V point BLe transistor est satur . On d finit Vce (sat) (Ic sat, Ib sat), le rapport f =Ic sat/Ib sat est appel gain forc f< Tension de saturation collecteur metteur Vce (sat)39 Pertes de conductiondtIVTPTCCEd =01dtITsatVPTCCEd 01)(Pertes de conductionDans les convertisseurs transistors, le courant collecteur est souvent trap zo dal ou triangulaire. En prenant Vce (sat) Ic= Icr te on peut crire:Valeur par exc s40P = Vce Ic +Vbe Ib Vce IcPmax : PUISSANCE dissip e correspondant Tj=Tjmax pour Tboitier=25 CDans le plan Ic Vce, Pmax=Vce Ic est l quation d une hyperbole appel e hyperbole de dissipation maximalePuissance maximale dissipable41 Aire de s curit On regroupe les limites du transistor sur un m me diagramme Ic-Vce appel aire de s curit (safe operating area)VceoVceIcIc maxPmax42 Transistor bipolaire de puissance43 Transistor bipolaire de puissanceCollecteurEmetteurBaseQ1Q2 QnRnR2R144 Second claquage45 Localisation des points chauds46 Aire de s curit 47 Temps de commutation48 Hacheur en conduction continueDurant le temps de commutation (<<T)

6 On peut consid rer la charge comme un g n rateur de courant49 VkIktont1t0 VdiodeI diodettLa diode conduitL interrupteur est ouvertPertes de commutation W = 0,5 E I tonECommutation la fermeture I50 IkVkCommutation l ouverturetft1t0V diodeI diodettL interrupteur est ferm La diode est bloqu eEIPertes de commutation W=0,5 E I tf51 Pcommut = (0,5 E I ton + 0,5 E I tf) FF: fr quence de commutationLes pertes de commutation sont proportionnelles la fr quence de d coupage et aux temps de commutationPertes de commutation52 PUISSANCE dissip ePd= pertes de conduction+ pertes de commutationCalcul du refroidisseur53 On sait que le fonctionnement en saturation d un transistor est caract ris par un ph nom ne d largissement de la base. Tout sepasse comme si une partie du collecteur tait transform e en base. Cette inversion du type de mat riau n cessite une certaine quantit de charges, appel e charge stock e, qui sont apport es par le courant base.

7 La d croissance du courant collecteur cons cutive l inversion du courant base ne peut avoir lieu que lorsqu une partie suffisante de la charge stock e a t vacu e. Le temps n cessaire cette vacuation peut tre assimil au temps de stockage. Le temps de stockage est fortement d pendant du courant inverse de base et il existe des techniques de circuit permettant de maintenir ce temps des valeurs de stockage54 Anti-saturationD1D2 CEBVV = Vd1 + Vbe = Vd2 + Vcesi Vd1 Vd2 Vce Vbe55 Circuit de commande+10V-5VQ3B ta=10Q4B ta= satQ6B ta= +10V-5 VIc=10 AVce max= 400V56 DarlingtonQ2Q1B1C1E1B2C2E2 BCEIc1 = = Ib2Ie1 = ( 1+1)Ib1Ic2 = = ( 1+1) 2 Ib1Ic 1 2 Ib57 Puces de transistor bipolaire de puissance58Bo tiers de transistors de puissanceTO3 TOP3TO220 ISOTOPD2 PAK59Bo tiers TO22060 Cellule de commutation61 Modules de puissance62 THYRISTORNPPNA nodeCathodeG chette63N NPP PNAnodeCathodeG chetteN NPP PNAnodeCathodeG chetteTHYRISTOR64 THYRISTORQ1 NPNQ2 PNPG achetteCathodeAnodeIgIb1Ic1Ib2Ic2Ic1 = 1 Ib1Ic1 = Ib2Ic2 = 2 Ib2 = 1 2 Ib1 Au d part Ib1 = IgSi 1 2 >1 Ic2 > IgLe thyristor reste amorc si on annule IgSi 1 2 <1 Ic2 < Ig le thyristor ne reste pas conducteur si on annule en fonction du courant collecteurIc 1 IcminIc < Icmin < 1 = Ic/Ib66 Conditions d amor ageCommand Command Ig > Igt pendant un temps suffisant (tgt)

8 Iak > IL pour assurer la condition 1 2 >1 Spontan Spontan Tj > Tjmax Tjmax faible ~ 110 C dVak/dt lev N cessit d un r seauRC de protection67 Caract ristique d un thyristor68 Conditions d extinction Rendre 1 2 < 1 Iak < IHIH courant de maintien IL courant d accrochage Ne pas r -appliquer de tension Vak>o pendant un temps tq69 Tenue en tensionNPPNA nodeCathodeG chetteBidirectionnel en tension Direct : VDWM Inverse : VRWM70 Calibre en courant Courant moyen max ITav Courant efficace max ITrmsSp cifi s pour un courant sinuso dal avec angle de conduction de 180 Courant de surcharge accidentel ITSM demi sinuso de 10 ms protection par fusible I t71 Exemple BTW6972 PUISSANCE dissip eOn mod lise la caract ristique VTITVt0 RdVT = Vt0 + Rd ITPd = Vto ITav + Rd IT rms73 Commande de phaseR seau 230 VTHYRISTORC ircuit de commandeCharge r sistive74 Commutation naturelle75 Commutation forc ePrincipe.

9 Annuler le courant dans le thyristor (IT<IH) Ne pas r -appliquer de tension Vak>0 pendant un temps tq76 Circuit de commutation forc eU1 Thyristor principalD1C1L1 Thyristor auxiliaireD2 Diode de roue libreE+-+-77 TRIAC78 Caract ristique du TRIAC79 Caract ristique du DIACT ransistor sym trique sans connexion de base80 Gradateur de lumi re TRIAC81 MOSFET de PUISSANCEC anal NCanal PgateSourceSourceDrainDrainSymboles82 MOSFET de PUISSANCE83 Structure cellulaire84 Structure en bandessourcedraingateMOSFET basse tension, fort courantNPN+85 Fonctionnement lin aireID=K VGS Vth()2 Dans la zone de fonctionnement lin aire (canal pinc )Vth : tension de seuil86 Caract ristiques ID=f(VDS,VGS)87 MOSFET de PUISSANCESi VDS est tr s faible:ID = 2K (VGS - Vth) VDSRDS=2K VGS Vth()[] 1Le MOSFET se comporte comme une r sistance R DS oncontr lable par VGS88R sistance l tat passant: R DS on89R DS on = f(T)90 PUISSANCE dissip e PUISSANCE dissip e en conductionPC= RDS ONx ID2 (RMS)Toujours calculer avec R DS on chaud91 Tenue en tension92 Aire de s curit 93 Capacit s internesForte capacit grille-source94 Commande en tensionRDSC ent r eLe circuit de commande (driver) doit avoir une faible r sistance interne95 Temps de commutationIDVDSVGS tftdtrtd10%90%10%10%10%90%90%Sur charge r sistive96 IGBT97 Sch ma quivalentIc98 Bras de pont 1200V 150A99 Module pont triphas 600V 400A100 Module pont triphas 600V 200A101 WaferPuceSur un wafer il y a une grande quantit de puces102 Sciage des wafers103S paration des puces104 Montag