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7/27/2019 Semi-conducteurs de Puissance
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SEMI-CONDUCTEURSDE PUISSANCE
Jol REDOUTEYRev 10/2010
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SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE
Les interrupteurs en lectronique depuissance Les diodes rapides Les transistors bipolaires de puissance Les thyristors et les triacs
Les transistors effet de champ MOS Les IGBT
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LINTERRUPTEUR de PUISSANCE
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Exemple : La diode
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Reprsentation image dune jonction
P N
+
+
+
+ +
+
++
++++
+
+ +++
++
++
++
+
++
+
+
-
--
-
- -- -
---
--- ---
--
-
--
-
--++
+-
-
-
- -
-
-
---- -
- --
-
--
--
-
--
-
-
+
++
+
++
+ ++
++
++++
+ +
+
+
+
+
++
+++
+
++
++++
+
+ +++
++
++
++
+
++
+
+
--
--
- -- -
---
--- ---
--
- --
-
--+
++----
-
-
-
---- -
- --
-
--
--
-
--
-
-
+
++
+
++
+ ++
++
++++
+ +
+ +
+
+
++
++
+
+
++
++++
+
+ +++
++
++
++
+
++
+
+-
---
--- --
--
-
--
--
--
-
-
-
---- -
- --
-
--
--
-
--
-
-
+
++
+
++
+ +
++
+ +
++
+-
- Electron libre
ZCE
recombinaison dlectrons avec des trous
Ion positifIon ngatif
+ Trou
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Jonction PN lquilibre
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++
++
--
--P N
VR
Eext
Eint
Jonction PN en polarisation inverse
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caractristique inverse
VR>6V effet davalanche - CTP VR
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VRRM : Reverse Repetitive Maximum Voltage
Valeur garantie par le constructeur
Limite de tension inverse
VRRM
Reverse
ForwardVa
Va>VRRM
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++
++
+
+
---
-- -P N
VF
Eext
Eint
Jonction PN en polarisation directe
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Conduction dans une jonction PN+
++
++
+
+
----- -P N
+
Eext
Eint
lectronstrous
IF
VF+ -
- -
IFI0 exp(qV/kT)
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Caractristique I-V dune jonction PN
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Modlisation de la caractristique directe
A fort niveau de courant
il faut tenir compte de larsistance srie de ladiode
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Puissance dissipedtIV
T
P
T
FFd
=
0
1
dtIIRET
P
T
FFd +=0
00 )(1
dtIRT
dtIET
P
T T
FFd +=0 0
2
00
11
dtIT
RdtIT
EPT T
FFd +=0 0
2
00
11
FF IREV 00 +=
2
00 effmoyd
IRIEP +=
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Le courant de fuite en inverse dune diode
jonction PN crot trs vite avec la temprature. risque demballement thermique
La temprature maximale de fonctionnementappele temprature maximale de jonctionest spcifie par le constructeur.
Pour des composants silicium Tj max esttoujours infrieure 200 C.
Temprature maximale de jonction Tj max
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Courant maximal admissibleCourant maximal admissible2
00 effmoyd IRIEP +=
En gnral, le terme E0Imoy est nettement suprieur auterme R0 Ieff
On classe donc les diodes par calibre de courant moyenmaximal:Iavg max
Le courant maximal admissible est celui qui permet latemprature de jonction de ne pas dpasser sa valeurmaximale dans des conditions de refroidissement
donnes.
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vacuation de la chaleurPUCE
e
Botier
P
RadiateurGraisse thermique
Tj
Tb
Trad
Tamb
Rth j-b
Rth b-rad
Rth rad-amb
P
Loi dOhm thermique: T= Rth . P
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Une diode BYT08P est utilise dans un
convertisseur flyback.Le courant qui la traverse est triangulairede valeur crte 20A et de rapport cyclique 0,5.
Le constructeur donne:
E0=1,1V R0=24mCalculer la puissance dissipe dans la diode
Exemple
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Calcul de radiateurLe constructeur donne:
Tj max=175CRthj-b=2,5C/W
La diode est monte surun refroidisseur parlintermdiaire dun film
isolant dont la rsistancethermique est
Rthb-rad=0,5C/W
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Calcul de radiateurLa temprature ambiante
Tamb est de 50C et parscurit on dsire que latemprature de jonction nedpasse pas 150C.
Calculer la rsistance
thermique du radiateurncessaire et satemprature.
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Le radiateur est fix lextrieur du botier delappareil et on dsire quesa temprature ne dpasse
pas 80C par scurit pourles utilisateurs.
Calculer la nouvelle valeur de la rsistancethermique du radiateur adapt et latemprature de jonction.
Calcul de radiateur
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Choix du radiateur
Radiateur en aluminiumanodis noirMontage vertical
Convection naturelle
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Ventilation force
+20%:Montage Horizontal+10%:Aluminium brut
Conditions dutilisationRth
Ventilation force suivant la courbe ci-dessous
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Comportement dynamique au blocage
E
K
D
R
VRIF
Phase de conduction, K ouvert
+
+
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Comportement dynamique au blocage
E
K
D
R
VR
IR
On ferme K, la diode conduit en inverse un court instant avant de se bloquer
-
+
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Recouvrement inverse
trr
trr est le temps de recouvrement inverse (reverse recovery)
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Charge stocke
QS =
IF : dure de vie des porteurs minoritaires
IF : courant direct traversant la diode.
La charge stocke durant la conduction dpend de lintensit du courant
direct et de la dure de vie des porteurs minoritaires (temps statistique pourquun lectron libre et un trou se recombinent)
Pour rduire le recouvrement inverse, il faut diminuer la dure de vie
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Diodes rapides
251400Ultra fast200,9200Ultra fast
301,3600Ultra fast501,41200Ultra fast
60010001,22000standard
Trr (ns)typ
VF(V)typ
VRRM(V)max
Catgorie
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Consquence du recouvrementCas du hacheur sur charge inductive en conduction continue
K fermE
K
L
R
D
K ouvert
K ouvert commutation K ferm
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En lectronique de puissance les transistors
sont utiliss comme des interrupteurs
Rgime de commutation
Ouvert Fermeture Ferm OuvertureOff Turn on On Turn off
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NPN et PNP
Dans la pratique essentiellement des NPN
Transistor bipolaire de puissance
NPN PNP
Collecteur
Emetteur
Base Base
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Tenue en tension
B-C
B-E
Collecteur
Emetteur
Base
N
P
N
Vce
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Vce.
Vceo R open
Vces R=0 short
Tension collecteurmetteur
maximale
NPN
R
Ic
La tension collecteur metteur base ouverte Vceo est la plus faibletenue en tension
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12
3Ib
Ic
Vce
1 : Zone linaire2 : zone de quasi saturation3 : saturation vraie
Caractristique fort niveau de
courant
Lorsque Vce devient faible, le gain en courant =Ic/Ib dcrot fortement
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EIC
R
Ib Vce
Droite de charge
A
B
E=Vce + RIc droite de charge
On cherche Vce minimal
Ib=150mA Vce=4VIb=200mA Vce=1,4V point A
Ib=350mA Vce=0,4V point BIb=450mA Vce=0,4V point BLe transistor est satur.On dfinit Vce (sat) (Ic sat, Ib sat), le rapport f =Ic sat/Ib sat est appel gain forc
f<
Tension de saturation
collecteurmetteur Vce (sat)
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Pertes de conduction
dtIVT
P
T
CCEd =0
1
dtIT
satVP
T
CCEd 0
1)(
Pertes de conduction
Dans les convertisseurs transistors, le courant collecteur est souventtrapzodal ou triangulaire. En prenant Vce (sat) Ic= Icrte on peut
crire:
Valeur par excs
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P = Vce Ic +Vbe Ib Vce Ic
Pmax : puissance dissipe correspondant Tj=Tjmax pour Tboitier=25C
Dans le plan Ic Vce, Pmax=Vce Ic estlquation dune hyperbole appele
hyperbole de dissipation maximale
Puissance maximale dissipable
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Aire de scuritOn regroupe les limites du transistor sur un mme diagramme Ic-Vce appelaire de scurit (safe operating area)
Vceo
Vce
Ic
Ic max
Pmax
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Transistor bipolaire de puissance
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Transistor bipolaire de puissance
Collecteur
Emetteur
Base Q1 Q2 Qn
RnR2R1
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Second claquage
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Localisation des points chauds
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Aire de scurit
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Temps de commutation
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Hacheur en conduction continue
Durant le temps de commutation (
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Vk
Ik
ton
t1t0
Vdiode
I diode
t
t
La diode conduitLinterrupteur est ouvert
Pertes de commutation W = 0,5 E I ton
E
Commutation la fermetureI
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Ik
Vk
Commutation louverture
tf
t1t0
V diode
I diode
t
t
Linterrupteur est fermLa diode est bloque
E
I
Pertes de commutation W=0,5 E I tf
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Pcommut = (0,5 E I ton + 0,5 E I tf) FF: frquence de commutation
Les pertes de commutation sontproportionnelles la frquence dedcoupage et aux temps decommutation
Pertes de commutation
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Puissance dissipePd = pertes de conduction
+ pertes de commutation
Calcul du refroidisseur
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On sait que le fonctionnement en saturation dun transistor estcaractris par un phnomne dlargissement de la base. Tout sepasse comme si une partie du collecteur tait transforme en base.
Cette inversion du type de matriau ncessite une certaine quantitde charges, appele charge stocke, qui sont apportes par lecourant base.
La dcroissance du courant collecteur conscutive linversion ducourant base ne peut avoir lieu que lorsquune partie suffisante de lacharge stocke a t vacue. Le temps ncessaire cettevacuation peut tre assimil au temps de stockage.
Le temps de stockage est fortement dpendant du courant inversede base et il existe des techniques de circuit permettant demaintenir ce temps des valeurs faibles.
Temps de stockage
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Anti-saturation
D1
D2
C
E
B
V
V = Vd1 + Vbe = Vd2 + Vce si Vd1Vd2
Vce Vbe
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Circuit de commande+10V
-5V
Q3Bta=10
Q4Bta=10
Q5PNP
R18.2
D3
Anti sat
Q6Bta=20
R2
68
R31.5k
R410k
R5470
Q7NPNCommande
C1
100nF
C2100nF
+10V
-5V
Ic=10A
Vce max= 400V
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Darlington
Q2
Q1
B1
C1
E1
B2
C2
E2
B
C
E
Ic1 = 1.Ib1Ie1 = Ib2Ie1 = (1+1)Ib1
Ic2 =
2.Ib2Ic2 = (1+1) 2 Ib1
Ic 12 Ib
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Puces de transistor bipolaire de puissance
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Botiers de transistors depuissance
TO3
TOP3
TO220
ISOTOPD2PAK
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Botiers TO220
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60
Cellule de commutation
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Modules de puissance
THYRISTOR
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THYRISTOR
N
P
P
N
Anode
Cathode
Gchette
THYRISTOR
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63
N N
P
P P
N
Anode
Cathode
Gchette
N N
P
P P
N
Anode
Cathode
Gchette
THYRISTOR
THYRISTOR
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THYRISTOR
Q1NPN
Q2PNP
Gachette
Cathode
Anode
Ig Ib1
Ic1
Ib2
Ic2
Ic1 = 1 Ib1Ic1 = Ib2Ic2 = 2 Ib2 = 1 2 Ib1
Au dpart Ib1 = Ig
Si 1 2 >1 Ic2 > IgLe thyristor reste amorc sion annule Ig
Si 1 2
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collecteur
Ic
1
Icmin
Ic < Icmin < 1
= Ic/Ib
Conditions damorage
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Conditions d amorage
CommandCommand
Ig > Igt pendant un temps suffisant (tgt) Iak > IL pour assurer la condition 1 2 >1
SpontanSpontan Tj > Tjmax Tjmax faible ~ 110C
dVak/dt lev Ncessit dun rseauRC de protection
Caractristique dun thyristor
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Caractristique d un thyristor
Conditions dextinction
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Conditions d extinction
Rendre 1 2 < 1 Iak < IHIH courant de maintien IL courant daccrochage
Ne pas r-appliquer de tension Vak>opendant un temps tq
Tenue en tension
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Tenue en tension
NP
PN
Anode
Cathode
Gchette
Bidirectionnel en tension Direct : VDWM Inverse : VRWM
Calibre en courant
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Calibre en courant
Courant moyen max ITav
Courant efficace max ITrmsSpcifis pour un courant sinusodal avec
angle de conduction de 180 Courant de surcharge accidentel ITSM
demi sinusode 10 ms protection parfusible It
Exemple BTW69
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Exemple BTW69
Puissance dissipe
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Puissance dissipe
On modlise la caractristique
VT
IT
Vt0
Rd
VT = Vt0 + Rd IT
Pd = Vto ITav + Rd ITrms
Commande de phase
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Commande de phase
Rseau 230V
THYRISTORCircuit de commande
Charge rsistive
Commutation naturelle
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Commutation naturelle
Commutation force
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Commutation force
Principe:
Annuler le courant dans lethyristor (IT0 pendant un temps tq
Circuit de commutation force
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C cu t de co utat o o ce
U1Thyristor principal
D1
C1 L1 Thyristor auxiliaire D2Diode de roue libre
E
+
-+-
TRIAC
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Caractristique du TRIAC
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q
Caractristique du DIAC
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q
Transistor symtrique sans connexion de base
Gradateur de lumire TRIAC
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MOSFET de PUISSANCE
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Canal N Canal P
gate
Source Source
Drain Drain
Symboles
MOSFET de PUISSANCE
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Structure cellulaire
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Structure en bandes
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source
drain
gate
MOSFET basse tension, fort courant
N
PN+
Fonctionnement linaire
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ID
= K VGS
Vth
( )2
Dans la zone de fonctionnement linaire (canal pinc)
Vth : tension de seuil
Caractristiques ID=f(VDS,VGS)
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MOSFET de PUISSANCE
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Si VDS est trs faible:
ID = 2K (VGS - Vth) VDS
RDS = 2K VGS Vth( )[ ]1
Le MOSFET se comporte comme une rsistance RDS oncontrlable par VGS
Rsistance ltat passant: R DS on
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R = f(T)
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DS on
Puissance dissipe
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Puissance dissipe en conduction
PC = RDS ON x ID2
(RMS)
Toujours calculer avec R DS on chaud
Tenue en tension
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Aire de scurit
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Capacits internes
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Forte capacit grille-source
Commande en tension
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RD
S
C ent r e
Le circuit de commande (driver) doit avoir une faible rsistance interne
Temps de commutation
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ID
VDS
VGS
tftdtrtd
10%
90%
10%
10% 10%
90%
90%
Sur charge rsistive
IGBT
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96
Schma quivalent
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97
Ic
Bras de pont 1200V 150A
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98
Module pont triphas 600V 400A
7/27/2019 Semi-conducteurs de Puissance
99/104
99
Module pont triphas 600V 200A
7/27/2019 Semi-conducteurs de Puissance
100/104
100
Wafer
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101/104
101
Puce
Sur un wafer il y a une grande quantit de puces
Sciage des wafers
7/27/2019 Semi-conducteurs de Puissance
102/104
102
Sparation des puces
7/27/2019 Semi-conducteurs de Puissance
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Montage
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