Transistor bipolaire à grille isolée

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L'IGBT, de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor, en français Transistor bipolaire à grille isolée, est un interrupteur électronique utilisé dans les dispositifs de forte puissance de l'électronique de puissance.

Les applications usuelles de l'IGBT sont les onduleurs, redresseurs et hacheurs pour les alimentations à découpage et la vitesse variable, mais aussi pour les FACTS.

Symbole usuel de l'IGBT

[modifier] Caractéristiques

Schéma équivalent de l'IGBT

C'est un transistor hybride, MOSFET côté commande et bipolaire côté sortie. Comme un transistor à effet de champ, il est commandé par la tension de grille (entre grille et émetteur) qui lui est appliquée, mais ses caractéristiques de conduction (entre collecteur et émetteur) sont ceux d'un bipolaire.

Ceci lui donne le faible coût énergétique de commande d'un MOSFET, avec les pertes de conduction plus faibles (à surface de puce donnée) d'un bipolaire. De plus, on sait faire des IGBT de tension bien plus élevée que pour le MOSFET.

Ces caractéristiques font qu'aujourd'hui l'IGBT a presque totalement supplanté les autres types de composants pour les gammes de tension 600V à 3300V, et qu'il perce dans les tensions supérieures face au GTO, ainsi que dans les tensions inférieures face au MOSFET, bien qu'il soit plus lent.

Les dernieres technologies SPT (Soft-Punch-Through) dites SPT+, permettent de diminuer encore la chute de tension directe Vce-sat de l'ordre de 25 à 30 %.

**Caractéristiques moyennes comparées**
	MOSFET 600V	IGBT 600V	IGBT 1700V	IGBT 3300V	IGBT 6500V	SPT+ IGBT 6500V	GTO 6000V
Vce-sat @ 125°C	2,2 V	1,8 V	2,5 V	3,5 V	5,3 V	3,8 V	3 V
fréquence typique	15-100 kHz	6-40k Hz	3-10 kHz	1-5 kHz	0,8-2 kHz	0,8-2 kHz	300-1000 Hz

Remarque: l'IGBT est utilisé presque exclusivement en commutation, c'est-à-dire où seul les états saturés et bloqués sont souhaitables. Néanmoins, comme tout transistor, il possède une zone de fonctionnement «linéaire», ou active, qui peut être utilisée pour des applications particulières.

Les fréquences de commutation maximales peuvent être notablement augmentées par l'utilisation de circuits d'aide à la commutation passifs (dissipatifs), mais surtout actifs (non dissipatifs), du type « ZVS » (Zero Voltage Switch, commutation au zéro de tension), « ZCS » (Zero Current Switch, commutation au zéro de courant) ou autres.

Ces circuits, en assurant des « commutations douces » permettent une diminution drastique des pertes de commutation, tout en facilitant grandement la mise en conformité des équipements concernant la compatibilité électromagnétique.

[modifier] Structure

Vue en coupe d'une cellule élémentaire (planar, PT)

La structure d'un IGBT est assez similaire à celle d'un MOSFET vertical doublement diffusé. La différence principale est l'existence d'une couche de substrat P+ (fortement dopée) côté drain. Cette couche injecte des trous dans la couche N-, ce qui a pour effet de diminuer la chute de tension à l'état passant et de le transformer en bipolaire.

À l'état bloqué, c'est la couche N- qui supporte la tension.

Il existe plusieurs géométries:

L'IGBT à grille plane (anglais: planar), plus facile à réaliser.
L'IGBT à grille en tranchée (anglais: trench), plus compact et généralement plus performant.

Il existe plusieurs structures de puces:

L'IGBT PT (sigle anglais: Punch Through) utilise des puces épaisses comportant une couche tampon N+. Il a en principe une chute de tension plus faible à l'état passant.
L'IGBT NPT (sigle anglais: Non Punch Through) utilise des puces plus minces, sans couche N+ additionnelle. Il est plus robuste en situation de court-circuit.

[modifier] Technologie

Les IGBT sont fabriqués avec des techniques similaires à celle des circuits intégrés (comme les MOSFET, mais contrairement aux GTO et thyristors de puissance). Ceci a pour conséquence que la taille de la puce est limitée à environ 1 cm², alors qu'on sait faire des diodes de 150 mm de diamètre (176 cm²).

Les gros IGBT sont donc des modules multi-puces, constitués de nombreuses puces en parallèles, généralement brasées sur une semelle de cuivre ou d'Al-SiC à travers laquelle on assure leur refroidissement.

La plupart intègrent aussi une diode anti-parallèle (ou roue-libre), elle-même multi-puces. Cette diode est en fait une partie très importante du module IGBT, car ses caractéristiques (en particulier de recouvrement) doivent être compatible avec l'IGBT lui-même, ce qui n'est pas trivial. C'est d'ailleurs une des premières applications à se développer pour les semi-conducteurs en carbure de silicium.

A noter qu'on ne trouve que des IGBT «canal N». La structure complémentaire est théoriquement possible, mais, comme pour les bipolaires et les MOSFET, les caractéristiques obtenues sont moins bonnes (pertes supérieures par exemple).

[modifier] Gammes et usages

module IGBT 3300V 1200A Mitsubishi

Ces composants sont disponibles dans une gamme de tensions allant de 600 volts (et moins) à 6500 volts, et des courants jusqu'à 2400 ampères par module. Les valeurs de tension les plus courantes sont:

600V : adapté à la connexion sur un réseau 230V alternatif
1200V : adapté à la connexion sur un réseau 400V alternatif
1700V : adapté à la connexion sur un réseau 660V alternatif
3300V : utilisé en traction ferroviaire 1500V continu
6500V : utilisé en traction ferroviaire 3000V continu

[modifier] Applications

La technologie IGBT est exploitée dans les émetteurs ondes décamétriques développés par Thalès Broadcast Multimédia (série TSW2500) à tétrode finale HF. Les modules IGBT constituent l'étage de modulation AM dont le but est d'effectuer une superposition du signal audio sur la tension d'alimentation de la tétrode finale HF de puissance. En 2006, douze émetteurs de ce type sont en service sur le site de TDF d'Issoudun qui assure la radiodiffusion de RFI (puissance unitaire de 500 kW associée à une antenne ALLISS).