Les transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) sont des dispositifs semi-conducteurs largement utilisés dans l'électronique de puissance moderne.Combiner l'impédance d'entrée élevée et la commutation rapide d'un MOSFET avec les faibles pertes de conduction d'un transistor bipolaire, les IGBT sont devenus un choix de choix pour les applications nécessitant une commutation efficace à haute tension et à courant élevé.

Structure de base et principe de fonctionnement

Un IGBT fusionne trois régions principales:

1. Porte (G):Il contrôle la formation des canaux comme dans un MOSFET.

2. Le collecteur (C) et l'émetteur (E):Portez le courant de haute puissance comme dans un transistor bipolaire.

Quand une tension positive est appliquée à la porte, les électrons s'accumulent sous l'oxyde de la porte pour créer un canal conducteur.qui injectent ensuite des trous de la région du collecteur de type p, ce qui entraîne une trajectoire de courant à faible résistanceEn supprimant la tension de la porte, le canal est épuisé et le courant est bloqué.

Principales caractéristiques et avantages

• Capacité à haute tension:Les IGBT gèrent facilement des tensions allant de quelques centaines de volts à plusieurs kilovolts, ce qui les rend adaptés aux entraînements industriels et aux convertisseurs d'énergie renouvelable.

• Faibles pertes de conduction:Une fois allumé, l'appareil présente une très faible chute de tension, ce qui se traduit par un rendement élevé à des charges lourdes.

• Commutation rapide:Bien qu'ils ne soient pas aussi rapides que les MOSFET purs à basse tension, les IGBT modernes passent assez rapidement (de dizaines à centaines de nanosecondes) pour de nombreuses applications PWM (modulation de la largeur d'impulsion).

• Résilience:Résistant à la surtension et au court-circuit en raison de sa nature bipolaire et de sa capacité à résister à des surtensions de courant élevées pendant de courtes durées.

Les limites

• Courant de queue:Lors de l'arrêt, une queue de porteurs de charge ralentit la décomposition du courant, augmentant légèrement les pertes de commutation et limitant la fréquence de commutation maximale (souvent < 50 kHz pour les modules haute puissance).

• Gestion thermique:Les densités de puissance élevées nécessitent un captage thermique efficace et un emballage soigné pour maintenir les températures de jonction en dessous des limites de sécurité (généralement < 150 °C).

• Exigences en matière d'entraînement de la porte:Les IGBT ont besoin d'un contrôle précis de la tension de la passerelle (environ +15 V pour une mise en marche complète et de 5 V à 15 V pour assurer la désactivation), et les circuits de conduite doivent gérer le changement de niveau à haute tension.

Emballage et qualification

Les IGBT sont disponibles en paquets discrets (TO-247, TO-264, etc.) et en modules multi-puces (modules IGBT) pour des niveaux de puissance plus élevés.

• Voltage de blocage (V)_{Le CES}):Voltage maximal que le dispositif peut bloquer lorsqu'il est éteint.

• Courant du collecteur (I)_C):Rating de courant continu maximal.

• Temps de commutation (t)_sur, t_éteint):Délais d'allumage/d'arrêt.

• Perte totale de puissance (P)_{les pertes}):Somme des pertes de conduction et de commutation, importantes pour la conception thermique.

Choisir le bon IGBT

Lors du choix d'un IGBT, prenez en compte:

• Classe de tension:Le match V._{Le CES}à votre bus CC maximal plus marge (par exemple, un dispositif de 1200 V pour un bus de 700 V).

• Classification actuelle:Choisissez un appareil dont le courant continu et le courant de pointe dépassent vos exigences de charge, en tenant compte de la température.

• Fréquence de commutation:Les fréquences plus basses (<10 kHz) privilégient les IGBT plus grands et à faible perte.

• Résistance thermique:Niveau de module R_Le(joint-to-case) et la conception de l'emballage ont une incidence sur les exigences de dissipation thermique.

• Charge de la porte:Les IGBT à charge de porte inférieure nécessitent moins de courant d'entraînement, ce qui simplifie la conception du pilote.

Considérations thermiques et de protection

• Résistance à la chaleur:Utilisez des matériaux d'interface thermique et des dissipateurs de chaleur de taille appropriée pour maintenir la température de jonction dans des limites de sécurité.

• Les circuits de Snubber:Les snubbers RC ou RCD limitent les pics de tension lors de l'arrêt et protègent l'intégrité du dispositif.

• Protection contre les surtensions:L'arrêt rapide des portes ou les fusibles externes protègent contre les courts-circuits.

• Débranchement en douceur:Les techniques de réduction progressive du courant peuvent prévenir les contraintes thermiques en cas de surcharge.

Les tendances à venir

Alors que les IGBT en silicium restent dominants, des matériaux à large bande passante tels que les MOSFET en carbure de silicium (SiC) et les transistors en nitrure de gallium (GaN) émergent.fonctionnement à température plus élevéeNéanmoins, pour les scénarios de haute tension et de courant élevé, les modules IGBT optimisés continueront d'être rentables dans un avenir prévisible.

Les IGBT jouent un rôle essentiel dans les systèmes de conversion d'énergie, en trouvant un équilibre entre robustesse à haute tension et commutation efficace à haute tension.et exigences en matière d'application, les ingénieurs peuvent sélectionner et mettre en œuvre des solutions IGBT qui maximisent les performances, la fiabilité et la rentabilité du système.