Lorsque les concepteurs requièrent des transistors à commutation rapide et à efficacité élevée, le semiconducteur d’énergie à trois bornes IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor, transistor bipolaire à grille isolée) répond présent. Ces périphériques SSD (Solid State Device) bloquent ou autorisent la circulation du courant à l’état « on » ou « off », en appliquant une tension définie à un composant de semiconducteur et en modifiant ses propriétés, de manière à créer un trajet électrique ou à l’arrêter. Ils sont généralement utilisés dans les applications à fréquence élevée et à puissance moyenne à élevée.
Le courant circulant dans le transistor de base contrôle les transistors de puissance, alors que les transistors IGBT sont contrôlés par la tension au niveau de leur barrière. Le courant circulant via une barrière IGBT est très faible, car l’impédance de la grille de contrôle est très élevée. Comme le courant requis pour la commutation d’un transistor IGBT est peu élevé, la commutation est plus rapide qu’avec un transistor de puissance.
Figure 1 : Circuit équivalent pour les transistors IGBT (source : Wikipédia)
Les transistors IGBT effectuent la commutation de l’alimentation électrique dans les voitures électriques, les réfrigérateurs à vitesse variable, les systèmes de climatisation, les trains ainsi que plusieurs appliances modernes. En un mot, ils sont utilisés dans toutes les applications requérant une commutation rapide. Les transistors IGBT regroupant plusieurs appareils mis en parallèle peuvent gérer des courants élevés (qui se montent à plusieurs centaines de kilowatts).
Dans les applications à faible tension, des systèmes MOSFET sont utilisés, du fait de leur faible résistance à l’état « on ». Lorsque la tension est élevée, cependant, les systèmes MOSFET sont moins efficaces, car les pertes par conduction associées augmentent. Les transistors IGBT proposent une impédance d’entrée et une vitesse d’activation élevées, tout comme un système MOSFET, mais des pertes par conduction faibles. Toutefois, ce dernier s’avère plus avantageux lors de la phase de désactivation, car il est plus rapide qu’un transistor IGBT. Les systèmes MOSFET sont plus intéressants lorsque la fréquence de fonctionnement est incluse entre 1 et 50 kHz.
Le transistor IGBT NGTB35N65FL2WG d’ON Semiconductor repose sur la construction de tranchée Field Stop II, robuste, efficace et économique, et offre des performances élevées dans les applications les plus exigeantes, pour lesquelles il propose une tension à l’état « on » faible associée à des pertes réduites lors de la commutation. Une diode de roue libre, rapide et flexible, est incorporée dans l’appareil. Elle propose une tension directe faible. Les applications sont les suivantes : convertisseurs solaires, systèmes d’alimentation électrique ininterruptibles et soudures.
Le modèle FGH80N60FD2TU de Fairchild est un transistor IGBT de type Field-Stop qui propose des performances optimales dans les applications de chauffage par induction et de correction du facteur de puissance (PFC, Power Factor Correction), lorsqu’une conduction et des pertes de commutation faibles sont requises. Il assure une dissipation de puissance maximale de 290 000 mW, une tension maximale d’émetteur collecteur de 600 V et une tension maximale d’émetteur de barrière de ±20 V. Le montage s’effectue via un alésage ; l’élément est hébergé dans un boîtier de tube TO-247.
Conçu tout spécialement pour l’automobile, le transistor IGBT d’allumage NGD8201ANT4G d’ON Semiconductor inclut un circuit monolithique, qui intègre une protection encastrée contre les surtensions et ESD, utilisable dans les applications de bobine inductive. Il est utilisé dans les systèmes d’allumage et d’injection directe de carburant, ainsi que dans les environnements de commutation présentant une tension et un courant élevés. Il peut être accompagné d’un boîtier DPAK, qui permet de réduire l’encombrement afin d’optimiser l’espace de la carte, ainsi qu’une grille compensée en température, une faible tension de saturation et une fonction de gestion du courant à impulsions élevées.
Le transistor IGBT à montage en surface assure une dissipation de puissance maximale de 125 000 mW, un courant collecteur maximal en continu de 20 A, une tension maximale d’émetteur collecteur de 440 V et une tension maximale d’émetteur de barrière de ±15 V.
Sa tension inférieure à l’état « on » est l’un des avantages principaux du transistor IGBT par rapport au transistor de puissance MOSFET. Cette fonctionnalité permet de réduire la taille des puces, toute en bénéficiant de tensions et courants nominaux identiques.