Qu'est-ce que l'IGBT ?
IGBT signifie « Insulated Gate Bipolar Transistor » (transistor bipolaire à grille isolée), un type de dispositif semi-conducteur de puissance qui combine des transistors bipolaires à jonction (BJT) et des transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET). Les IGBT ont une impédance d'entrée élevée comme les MOSFET et une faible chute de tension pendant la conduction comme les transistors géants (GTR). Ils sont couramment utilisés dans des applications où la tension continue est de 600 V ou plus, telles que les moteurs à courant alternatif, les onduleurs, les alimentations électriques, les circuits d'éclairage et les entraînements de traction.
Les IGBT sont un composant essentiel des dispositifs électroniques de puissance et sont souvent considérés comme le « CPU » de ces dispositifs. Ils sont largement utilisés dans divers domaines tels que le transport ferroviaire, les réseaux intelligents, l'aérospatiale, les véhicules électriques et les équipements liés aux nouvelles énergies.
Processus de développement de l'IGBT
Progrès réalisés dans la technologie IGBT dans les années 1980
Le concept d'IGBT a été introduit pour la première fois en 1979 en tant que dispositif de commutation de puissance à grille MOS avec une grille en forme de tranchée en V. Au début des années 1980, la technologie DMOS (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor) utilisée pour la fabrication des MOSFET de puissance a été adoptée pour les IGBT, et la structure de la puce en silicium était une conception NPT (Non-Punch-Through) épaisse. Plus tard, avec le développement de la technologie épitaxiale sur la puce en silicium et l'utilisation de couches tampons n+ conçues pour une tension de blocage donnée, une amélioration significative des compromis entre les paramètres a été obtenue grâce à l'adoption de la structure PT (Punch-Through).
Progrès dans la conception des IGBT dans les années 1990
Au milieu des années 1990, la structure à grille en tranchée a été réintroduite dans un nouveau concept d'IGBT utilisant un nouveau procédé de gravure emprunté à la technologie d'intégration à grande échelle (LSI), mais la structure de la puce était toujours de type PT. Cette nouvelle structure en tranchée a permis de trouver un compromis entre la tension à l'état passant et le temps de coupure. La structure de la puce en silicium a également subi une transformation radicale, passant des structures NPT aux structures LPT (Light Punch-Through), ce qui a amélioré la zone de fonctionnement sécurisée (SOA), à l'instar de l'évolution de la structure de grille plane.
La transition de PT à NPT a été le changement conceptuel le plus fondamental et le plus significatif. La technologie PT a un coefficient d'injection de porteurs relativement élevé, mais elle nécessite un contrôle de la durée de vie des porteurs minoritaires, ce qui réduit l'efficacité du transport. En revanche, la technologie NPT offre une bonne efficacité de transport sans détruire les porteurs minoritaires, mais son coefficient d'injection de porteurs est relativement faible. La technologie LPT, qui est similaire à la technologie soft punch-through ou field-stop, a remplacé la technologie NPT et a encore amélioré le rapport coût-performance.
CSTBT et modules IGBT de 5e génération
En 1996, le CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) a permis la réalisation du module IGBT de 5e génération. Il utilisait la structure de puce LPT et une conception plus avancée avec un espacement large entre les cellules. Actuellement, de nouveaux concepts de dispositifs IGBT avec des fonctions de « blocage inverse » ou de « conduction inverse » sont à l'étude afin d'optimiser encore davantage les performances.
Les modules de puissance IGBT ont évolué, passant des modules de puissance composites (PIM) aux modules de puissance intelligents (IPM), aux blocs fonctionnels électroniques de puissance (PEBB) et aux modules de puissance (IPEM) qui utilisent des pilotes IC, divers circuits de protection de commande, des puces IGBT hautes performances et de nouvelles technologies d'encapsulation.
Structure IGBT
Le côté gauche du schéma IGBT montre la structure d'un transistor bipolaire à grille isolée à enrichissement de canal N. La région N+ est appelée région source, et l'électrode qui y est fixée est appelée électrode source (ou émetteur E). La base N est appelée région de fuite. La zone de commande du dispositif est la région grille, et l'électrode qui y est fixée est appelée électrode grille (ou grille G). Le canal est formé juste à côté de la limite de la région de grille. La région de type P (y compris les régions P+ et P-) entre les pôles C et E (où le canal est formé) est appelée région de sous-canal. La région P+ de l'autre côté de la région de fuite est appelée région d'injection de drain, qui est une zone fonctionnelle unique de l'IGBT. Elle forme un transistor bipolaire PNP avec la région de fuite et la région de sous-canal, agissant comme émetteur, injectant des trous dans la région de fuite pour moduler la conductivité et réduire la tension à l'état passant du dispositif. L'électrode fixée à la région d'injection de drain est appelée électrode de drain (ou collecteur C).
La commutation de l'IGBT est réalisée en appliquant une tension de grille directe pour former un canal, en fournissant un courant de base au transistor PNP (à l'origine NPN) et en activant l'IGBT. À l'inverse, l'application d'une tension de grille inverse élimine le canal, coupe le courant de base et désactive l'IGBT. Le mode de commande de l'IGBT est fondamentalement le même que celui d'un MOSFET, ne contrôlant que le MOSFET à grille d'entrée à canal N, ce qui lui confère une impédance d'entrée élevée. Lorsque le canal du MOSFET est formé, des trous (porteurs minoritaires) sont injectés depuis la base P+ dans la couche N-, modulant la conductivité de la couche N- et réduisant sa résistance, ce qui permet à l'IGBT d'avoir une tension à l'état passant faible, même à des tensions élevées.
Principe de fonctionnement de l'IGBT
Un IGBT fonctionne comme un MOSFET, mais dans un IGBT, le drain du MOSFET est remplacé par l'émetteur d'un BJT. Cela permet d'obtenir la haute impédance d'entrée du MOSFET et la capacité d'entraînement du BJT. Voyons maintenant comment fonctionne l'IGBT en nous basant sur les 4 points suivants :
Commande de grille d'IGBT
Les IGBT sont activés et désactivés en appliquant une tension à la grille. Lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille, des trous sont injectés dans la région de dérive dopée n, créant ainsi un canal conducteur pour le passage du courant.
Courant et tension de seuil
Le courant pouvant circuler dans un IGBT est déterminé par la taille du canal conducteur dans la zone de dérive, qui est contrôlée par la tension de grille. Lorsque la tension de grille est réduite en dessous d'un seuil, le canal est coupé et aucun courant ne peut circuler.
Structure de thyristor parasite et prévention du verrouillage
Lorsque la tension collecteur-émetteur est polarisée en inverse, une structure de thyristor parasite peut se former à l'intérieur de l'IGBT, entraînant un verrouillage ou une défaillance du dispositif. Pour éviter cela, les IGBT sont conçus avec une zone légèrement dopée près du collecteur afin de réduire le gain de la structure de thyristor parasite.
Courant de queue dans l'IGBT
Les IGBT présentent également un courant résiduel ou une décroissance lente du courant de collecteur après la coupure de la tension de grille. Cela est dû à la présence de porteurs minoritaires (trous) dans la zone de dérive dopée n qui se recombinent progressivement et réduisent le courant. L'amplitude du courant résiduel dépend de facteurs tels que la concentration de dopage, la température et la géométrie du dispositif.
Caractéristiques des IGBT
Caractéristiques statiques
Les caractéristiques statiques d'un IGBT comprennent principalement les caractéristiques volt-ampère et les caractéristiques de transfert.
Volt-ampère
Les caractéristiques volt-ampère d'un IGBT font référence à la relation entre le courant collecteur-émetteur et la tension grille-source lorsque la tension grille-source Ugs est utilisée comme variable de référence. Le courant collecteur-émetteur de sortie est contrôlé par la tension grille-source Ugs, une valeur Ugs plus élevée entraînant un Id plus important. Il est similaire aux caractéristiques de sortie d'un GTR et peut être divisé en zone de saturation (1), zone d'amplification (2) et caractéristiques de claquage (3). À l'état bloqué d'un IGBT, la tension directe est supportée par la jonction J2, tandis que la tension inverse est supportée par la jonction J1. S'il n'y a pas de zone tampon N+, les tensions de blocage directe et inverse peuvent être au même niveau. Cependant, après l'ajout de la zone tampon N+, la tension de blocage inverse ne peut atteindre que quelques dizaines de volts, ce qui limite le domaine d'application de l'IGBT.
Transfert
Les caractéristiques de transfert d'un IGBT font référence à la relation entre le courant collecteur-émetteur de sortie Id et la tension grille-source Ugs. Elles sont identiques aux caractéristiques de transfert d'un MOSFET. Lorsque la tension grille-source est inférieure à la tension de seuil Ugs(th), l'IGBT est à l'état bloqué. Dans la plupart des plages de courant collecteur-émetteur lorsque l'IGBT est conducteur, Id est linéairement lié à Ugs. La tension grille-source maximale est limitée par le courant collecteur-émetteur maximal, et sa valeur optimale est généralement d'environ 15 V.
Caractéristiques dynamiques
Les caractéristiques dynamiques d'un IGBT sont également appelées caractéristiques de commutation, qui peuvent être divisées en deux parties : la vitesse de commutation et les pertes de commutation.
Les caractéristiques de commutation d'un IGBT font référence à la relation entre le courant collecteur-émetteur et la tension collecteur-source. Lorsqu'un IGBT est à l'état conducteur, son transistor PNP a une valeur B faible en raison de sa large base. Bien que le circuit équivalent soit une structure Darlington, le courant circulant dans le MOSFET devient la partie principale du courant total de l'IGBT. À ce moment, la tension à l'état passant Uds(on) peut être exprimée comme suit :
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
où Uj1 est la tension directe de la jonction J1 avec une valeur de 0,7-1 V, Udr est la chute de tension sur la résistance d'extension Rdr, et Roh est la résistance du canal. Le courant à l'état passant Ids peut être exprimé comme suit :
Ids=(1+Bpnp)Imos
où Imos est le courant circulant à travers le MOSFET. En raison de l'effet de modulation de la conductivité dans la région N+, la chute de tension à l'état passant de l'IGBT est faible, et la chute de tension à l'état passant d'un IGBT de 1000 V est de 2 à 3 V. Lorsque l'IGBT est à l'état bloqué, seul un faible courant de fuite existe.
Pendant le processus d'activation d'un IGBT, celui-ci fonctionne la plupart du temps comme un MOSFET. Ce n'est que dans la phase finale de la diminution de la tension collecteur-source Uds que le transistor PNP passe de la région d'amplification à la saturation, ce qui augmente le temps de retard. td(on) est le temps de retard à l'activation et tri est le temps de montée du courant. Dans les applications pratiques, le temps d'activation du courant collecteur-émetteur, ton, est la somme de td(on) et tri, et le temps de chute de la tension collecteur-source est composé de tfe1 et tfe2.
Types d'IGBT
IGBT à faible puissance
Les IGBT sont généralement utilisés dans une plage de 600 V, 1 KA et 1 kHz ou plus. Afin de répondre aux besoins de développement de l'industrie de l'électroménager, des entreprises telles que Motorola, ST Semiconductor et Mitsubishi ont lancé des produits IGBT à faible puissance adaptés aux appareils électroménagers tels que les fours à micro-ondes, les machines à laver, les cuisinières à induction, les redresseurs électroniques et les appareils photo.
L'IGBT
U (structure en tranchée) – L'IGBT est une structure qui comporte une grille en forme de tranchée formée à l'intérieur de la cellule de la puce en creusant des rainures sur le noyau de la puce. Après avoir adopté la structure en tranchée, la taille de la cellule peut être encore réduite, la résistance du canal peut être réduite, la densité de courant peut être améliorée et le plus petit produit avec le même courant nominal et la même taille de puce peut être fabriqué. De nombreuses entreprises produisent divers produits U-IGBT, qui sont adaptés aux exigences de commande à basse tension et de montage en surface.
Traité de non-prolifération - Agence internationale de l'énergie atomique
NPT (non-punch-through) – L'IGBT utilise une technologie de plaquette de silicium mince pour remplacer la couche épitaxiale épaisse à haute résistance par une implantation ionique dans la région émettrice, ce qui permet de réduire les coûts de production d'environ 25 %. Plus la tension de tenue est élevée, plus la différence de coût est importante. Il présente des caractéristiques supérieures en termes de performances, de vitesse élevée, de faibles pertes, de coefficient de température positif, d'absence d'effet de verrouillage et de fiabilité maximale dans la conception d'IGBT de 600 à 1200 V. Siemens peut fournir des produits des séries 600 V, 1200 V, 1700 V et des IGBT haute tension 6500 V. Elle a également lancé des NPT-IGBT de type DLC à faible chute de tension de saturation. Infineon, Harris, Intersil, Toshiba et d'autres sociétés ont également développé des NPT-IGBT et des séries de modules. Fuji Electric, Motorola et d'autres sont actuellement en train de le développer, et le type NPT est en train de devenir la direction du développement des IGBT.
Transistor bipolaire à petit signal – transistor bipolaire à grille isolée
Étant donné que les fabricants accordent actuellement une grande importance au développement des IGBT, Samsung, QuickLogic et d'autres entreprises utilisent la technologie SDB (silicon wafer direct bonding) pour produire la quatrième génération d'IGBT haute vitesse et de modules sur la chaîne de production de circuits intégrés. Les caractéristiques sont une vitesse élevée, une faible chute de tension de saturation, un faible courant de queue et un coefficient de température positif, qui sont excellents dans la plage de tension de 600 V et 1 200 V, divisée en deux systèmes : UF et RUF.
IGBT ultra-rapide
Les activités de recherche et développement de la société internationale Rectifier IR visent à réduire l'effet de queue de l'IGBT et à accélérer sa coupure. L'IGBT ultra-rapide développé permet de minimiser l'effet de queue, avec un temps de coupure inférieur à 2000 ns. Grâce à une technologie spéciale de stratification par irradiation à haute énergie, le temps de coupure peut être inférieur à 100 ns, et la queue est encore plus courte. Les produits phares sont conçus pour le contrôle des moteurs, avec six modèles disponibles, et peuvent également être utilisés dans les convertisseurs de puissance à haute puissance.
Transistor bipolaire à grille isolée / Chute de tension directe
La société IR a lancé deux nouveaux dispositifs qui combinent une diode à récupération rapide (FRD) et un IGBT. La combinaison efficace de l'IGBT et de la FRD réduit les pertes de commutation de 20 %. Ces dispositifs sont disponibles en boîtier TO-247 et ont des spécifications nominales de 1 200 V, 25, 50, 75 et 100 A. Ils sont utilisés pour l'entraînement des moteurs et la conversion de puissance. La nouvelle technologie basée sur l'IGBT et la FRD favorise la connexion en parallèle des appareils, ce qui permet d'obtenir une température plus uniforme dans les modules multi-puces et d'améliorer la fiabilité globale.
IGBT Modules
Un module IGBT est un type de produit semi-conducteur modulaire composé de puces IGBT et de puces à diode de roue libre (FWD) assemblées à l'aide d'interconnexions de circuits spécifiques. Ces modules sont directement utilisés dans divers appareils tels que les variateurs de fréquence (VFD) et les modules onduleurs. Ils sont réputés pour leurs caractéristiques d'économie d'énergie, leur facilité d'installation et d'entretien, ainsi que leur dissipation thermique stable. La plupart des IGBT disponibles sur le marché se présentent sous la forme de ces produits modulaires.
Du PIM à l'IPEM : l'évolution des modules IGBT
Les modules IGBT utilisent des pilotes IC et divers circuits de protection des pilotes, des puces IGBT haute performance et de nouvelles technologies d'encapsulation. Ils ont évolué du module intégré de puissance (PIM) vers le module de puissance intelligent (IPM), les blocs fonctionnels électroniques de puissance (PEBB) et les modules électroniques de puissance intégrés (IPEM). Les PIM ont évolué vers des applications haute tension et haute intensité avec une gamme de produits de 1200-1800 A/1800-3300 V. Les IPM sont principalement utilisés pour les variateurs de fréquence, tandis que les IPM 600 A/2000 V ont été utilisés dans les onduleurs VVVF des locomotives électriques. Les PEBB utilisent une technologie d'encapsulation plane à faible inductance avec des modules IGBT à courant élevé comme dispositifs actifs, qui sont utilisés dans les lanceurs de missiles navals. Les IPEM utilisent une technologie de modules multipuces en céramique co-cuits pour assembler les PEBB, ce qui réduit considérablement l'inductance du câblage du circuit et améliore l'efficacité du système. La deuxième génération d'IPEM a été développée avec succès, tous les composants passifs étant intégrés dans le substrat sous forme de couches enfouies.
La conception intelligente et modulaire devient un domaine de développement prioritaire pour les IGBT. Avec la promotion des concepts d'économie d'énergie et de protection de l'environnement, ces produits vont se généraliser sur le marché.
IGBT vs MOSFET
| Feature | IGBT | MOSFET |
|---|---|---|
| Full name | Insulated Gate Bipolar Transistor | Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor |
| Number of leads | 3 | 3 |
| Lead names | Collector (C), Emitter (E), Gate (G) | Source (S), Drain (D), Gate (G) |
| Breakdown Voltage | Up to 1200V | Lower than IGBTs |
| Collector Saturation Current | Over 1500A | Lower than IGBTs |
| Switching Speed | between 1 kHz and 20 kHz | 20 to 200 picoseconds |
| Conduction Losses | Lower | Higher |
| Switching Losses | Higher | lower |
| Thermal Stability | Better | Worse |
| Safe Operating Area (SOA) | Larger | Smaller |
| Advantages | High breakdown voltage, high collector saturation current, good high-frequency performance | Good thermal stability, large safe operating area |
| Disadvantages | Slow switching speed, high switching losses | Low breakdown voltage, low operating current |
| Typical applications | Inverters, motor drives, power supplies for high voltage and high current applications | Switching power supplies, DC-DC converters, power amplifiers |
Comment vérifier un IGBT à l'aide d'un multimètre ?
Pour vérifier un IGBT à l'aide d'un multimètre, vous devez suivre les étapes ci-dessous :
Déterminez la polarité :
Réglez le multimètre sur R×1KΩ et mesurez la résistance entre chacune des trois broches. La broche présentant une résistance infinie par rapport aux deux autres broches après avoir inversé les fils du multimètre est la broche de grille (G). Mesurez ensuite à nouveau la résistance avec les deux autres broches. La broche présentant la résistance la plus faible est le collecteur (C), tandis que l'autre est l'émetteur (E).
Test de fonctionnalité :
Réglez le multimètre sur R×10KΩ et connectez la sonde noire au collecteur (C) et la sonde rouge à l'émetteur (E) de l'IGBT. L'aiguille du multimètre doit être à zéro. Touchez simultanément les broches de la grille (G) et du collecteur (C) avec vos doigts. L'IGBT doit s'allumer et l'aiguille du multimètre doit se déplacer vers une valeur de résistance plus faible et y rester. Touchez ensuite les broches de la grille (G) et de l'émetteur (E) avec vos doigts. L'IGBT devrait s'éteindre et l'aiguille du multimètre revenir à zéro. Si tel est le cas, l'IGBT fonctionne correctement.
Précautions :
utilisez n'importe quel multimètre à aiguille pour tester les IGBT. Réglez toujours le multimètre sur R×10KΩ lorsque vous testez le fonctionnement, car les réglages de résistance inférieurs ne fournissent pas une tension suffisante pour déclencher l'IGBT. Cette méthode peut également être utilisée pour vérifier le fonctionnement des MOSFET de puissance (P-MOSFET).
IGBT Application
En tant que l'un des principaux dispositifs haute puissance de l'électronique de puissance, l'IGBT est largement utilisé dans les appareils électroménagers, les transports, l'ingénierie électrique, les énergies renouvelables, les réseaux intelligents et d'autres domaines.
Dans les applications industrielles, telles que le contrôle du trafic, la conversion de puissance, les moteurs industriels, les alimentations sans coupure, les équipements éoliens et solaires, et les convertisseurs de fréquence pour le contrôle automatique.
Dans l'électronique grand public, les IGBT sont utilisés dans les appareils électroménagers, les appareils photo et les téléphones portables.
