Les IGBT n’ont pas encore dit leur dernier mot

Alors que les semiconducteurs à grand gap tels que le SiC et le GaN sont sous les feux de la rampe, les bons vieux IGBT en silicium demeurent des solutions judicieuses dans de nombreuses applications de puissance, d’autant qu’ils continuent à améliorer leurs performances.

Par Jinchang Zhou, responsable produits chez onsemi, article adapté par Pascal Coutance

Ces derniers temps, un nombre croissant d’applications utilisant des semiconducteurs à large bande interdite comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) font l’objet d’une grande attention. Toutefois, avant l’avènement de ces nouvelles technologies, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) en silicium étaient utilisés de manière efficace et fiable dans de nombreuses applications de forte puissance. Et il s’avère que pour nombre d’entre elles, il reste judicieux, aujourd’hui encore, de continuer à les utiliser. Cet article passe en revue la structure et le fonctionnement des IGBT, puis examine l’architecture des circuits de plusieurs applications IGBT différentes, avant d’aborder certaines topologies émergentes adaptées à cette technologie polyvalente et fiable qui n’a décidément pas dit son dernier mot.

Structure d’un IGBT

Dans sa forme la plus simple, un IGBT est un transistor semiconducteur de puissance composé de quatre couches alternées (P-N-P-N), contrôlé par une tension appliquée à une grille métal-oxyde-semiconducteur (MOS). Au fil du temps, cette structure de base a été adaptée et améliorée, afin de réduire les pertes de commutation et d’amincir les composants. Les IGBT récents utilisent une combinaison de grille en tranchée et de structure à blocage de champ pour supprimer le comportement parasite inhérent au NPN. Cette approche permet de réduire la tension de saturation et la résistance à l’état passant de ces composants, améliorant ainsi la densité de puissance globale.

Applications et topologies
Aujourd’hui, les IGBT sont généralement utilisés dans des topologies spécifiques à certaines applications dont quelques-unes sont ici examinées plus en détails.

Postes à souder

Figure 2 : Schéma fonctionnel d’un poste à souder

De nombreuses machines à souder modernes font appel à un onduleur plutôt qu’à un transformateur de soudage conventionnel, car un courant de sortie DC permet de contrôler plus précisément le processus de soudage. Parmi les autres avantages de l’utilisation d’un onduleur, on peut citer le fait que les courants DC sont moins dangereux que les courants AC, et que les postes à onduleur sont plus légers, compte tenu de leur densité de puissance supérieure. L’étage de puissance (monophasé ou triphasé) transforme la tension d’entrée AC en tension de bus DC pour l’onduleur. La tension de sortie est généralement de 30 V, mais peut atteindre 60 VDC à vide (en l’absence de charge) et descendre à quasiment 0 V (court-circuit) lors de l’amorçage des arcs de soudage.

Figure 3 : Topologies pont complet, demi-pont et double commutation aval

Les topologies couramment utilisées dans les onduleurs de soudage sont de type pont complet, demi-pont ou double commutation aval, tandis que le schéma de commande à courant constant est le schéma de commande le plus souvent utilisé. Le rapport cyclique (duty cycle) varie en fonction du niveau de charge et de la tension de sortie. La fréquence de commutation des IGBT pour les topologies pont complet et demi-pont se situe généralement entre 20 et 50 kHz.

Cuisson par induction

Figure 4 : Schéma fonctionnel d’une plaque de cuisson à induction

La cuisson par induction repose sur le principe de l’excitation d’une bobine pour forcer (ou coupler) la circulation d’un courant dans un récipient constitué d’un matériau à forte perméabilité magnétique, positionné à proximité immédiate de la bobine. Le fonctionnement ressemble à celui d’un transformateur dans lequel la bobine jouerait le rôle du primaire, et le fond de la casserole celui du secondaire. La majeure partie de la chaleur générée provient de la circulation des courants de Foucault générés dans la couche inférieure de la casserole. Le transfert d’énergie dans un tel système est efficace à environ 90%, ce qui représente une économie d’énergie d’environ 20% (à chaleur transférée égale) par rapport au 71% d’une unité électrique non inductive dotée d’une surface supérieure lisse. L’onduleur induit un courant dans la bobine de cuivre, qui génère un champ électromagnétique pénétrant le fond de la casserole, et qui à son tour génère un courant. La chaleur est produite par effet Joule, c’est-à-dire qu’elle est égale à la résistance électrique de la casserole multipliée par le carré du courant induit.

Les exigences les plus importantes pour les plaques à induction incluent une commutation à haute fréquence, un facteur de puissance proche de l’unité et une large gamme de charge.

Le réglage de la puissance de sortie des systèmes de chauffage par induction est généralement basé sur un système à fréquence variable. Il s’agit d’une méthode simple qui s’applique à la variation de la charge ou à la fréquence de la ligne. Toutefois, l’un des principaux inconvénients de cette méthode réside dans la grande variation de fréquence nécessaire pour contrôler la puissance de sortie sur une large plage.

Figure 5 : Topologies RHB et QR

Les topologies les plus couramment utilisées dans les systèmes de chauffage par induction s’appuient sur un réservoir résonant. Le principal avantage des convertisseurs résonants est la fréquence de commutation très élevée à laquelle ils peuvent fonctionner sans compromettre le rendement. Des techniques de commande, comme la commutation à courant nul (ZCS) ou à tension nulle (ZVS), permettent de réduire les pertes de puissance dans les convertisseurs résonants. Les topologies les plus populaires sont le convertisseur demi-pont résonant (RHB) et l’onduleur quasi-résonant (QR). L’avantage des RHB est qu’ils fonctionnent sur une grande plage de charge, associée à leur capacité à fournir une puissance importante, tandis qu’un convertisseur QR bénéficie d’un faible coût, qui le rend idéal pour les puissances faibles à moyennes (jusqu’à 2 kW crête) avec une fréquence de fonctionnement comprise entre 20 et 35 kHz.

Variateurs de vitesse

Figure 6 : Topologie en demi-pont montrant le flux de courant de sortie positif et négatif

Le convertisseur demi-pont (Half-Bridge ou HB) est l’une des topologies les plus populaires pour les variateurs de vitesse dont la fréquence est comprise entre 2 et 15 kHz. La tension de sortie HB dépend de l’état de commutation et de la polarité du courant.

Dans le cas d’une charge inductive, le courant augmente en conséquence. Si la charge draine un courant positif (Ig > 0), celui-ci passe par T1 et fournit de l’énergie à la charge (Vg). À l’inverse, si le courant de charge Ig est négatif, le courant repasse par D, renvoyant de l’énergie à la source DC. De même, si T4 est passant (et T1 bloqué), une tension – Vbus/2 est appliquée à la charge et le courant diminue. Si Ig est positif, le courant traverse D4 et renvoie de l’énergie à la source du bus.

Topologies à tensions multiples pour applications IGBT

Les limites de la topologie HB dues à la commutation rapide sont nombreuses : seulement deux niveaux de tension de sortie, stress imposé aux composants passifs et actifs, pertes de commutation élevées, commande de grille plus complexe, ondulations de courant plus importantes, parasites électromagnétiques (EMI) plus élevés, gestion de la tension (ne fonctionne pas avec un bus haute tension), mise en œuvre complexe liée à la connexion de dispositifs en série, équilibrage thermique difficile à réaliser, exigences élevées en matière de filtrage.

Figure 7 : Topologies de convertisseurs Type I et Type T

Pour surmonter ces limitations, de nouvelles topologies à tensions multiples ont été conçues pour certaines applications comme les onduleurs sans coupure (UPS) et les onduleurs photovoltaïques. Les architectures les plus courantes sont les convertisseurs à commutation unipolaire Type I et Type T, capables de fonctionner avec des tensions de bus plus élevées. Compte tenu du plus grand nombre d’états de sortie disponibles, les tensions dans les composants des filtres sont réduites, ce qui se traduit par des pertes plus faibles et des composants plus petits au niveau des filtres. Les pertes de commutation sont réduites, tandis que les pertes de conduction augmentent légèrement (adapté aux fréquences plus hautes de 16 à 40 kHz avec un rendement élevé de près de 98%).

L’avenir des IGBT

Bien que les IGBT soient disponibles depuis de nombreuses années, ils restent parfaitement adaptés à de nombreuses applications à tension et courant élevés. L’utilisation d’IGBT n’augmente pas seulement dans les conceptions classiques, mais aussi dans les nouvelles conceptions, étant donné que les dispositifs les plus récents continuent d’abaisser la tension VCEsat vers les 1 V, et proposent une nouvelle architecture pour augmenter la densité de courant et diminuer les pertes de commutation. Pour tirer le meilleur profit de l’utilisation d’un IGBT, il faut bien comprendre les besoins de l’application, et choisir la bonne topologie de circuit à utiliser.