Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de l’anglais ) est un dispositif à semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur électronique, principalement dans les montages de l’électronique de puissance.

Ce composant, qui combine les avantages des technologies précédentes a permis de nombreux progrès dans les applications de l’électronique de puissance, aussi bien en ce qui concerne la fiabilité que sur l’aspect économique « IGBTs Basics », Power Designers..

Les transistors IGBT ont permis d’envisager des développements jusqu’alors non viables en particulier dans la vitesse variable ainsi que dans les applications des machines électriques et des convertisseurs de puissance qui nous accompagnent chaque jour et partout, sans que nous en soyons particulièrement conscients : automobiles, trains, métros, bus, avions, bateaux, ascenseurs, électroménager, télévision, domotique

Historique La première tentative concernant ce composant est sa réalisation en composants discrets, avec un transistor à effet de champ de faible puissance commandant un transistor bipolaire de puissance (montage BipMos). Le but est de simplifier les circuits de commande inhérents aux applications des transistors de puissance en commutation, fort complexes dans les années 1970-1980.

La technologie IGBT a été brevetée aux États-Unis le par Hans W. Beck et Carl F. Wheatley, Jr., sous le nom de Power MOSFET with an Anode Region (Brevet 4,364,073) University of Maryland - C. Frank Wheatley, Jr., BSEE, et le brevet sur le site de l’USPTO.. C’est une technologie récente, qui succède aux thyristors, aux transistors Darlington et aux thyristors GTO Application Note 9016, Fairchild..

La première génération de transistors IGBT présentait d’importants problèmes de verrouillage (ou latching), qui ont été corrigés dans la deuxième génération apparue au début des années 1990. La fin du a connu trois nouvelles générations de transistors IGBT, qui ont augmenté les performances pour des courants et des tensions importants (IGBT à structures trench, CSTBT Next Generation High Power Dual IGBT Module - Mitsubishi (2003) .).

Les caractéristiques de l’IGBT font que dans les années 2000 il s’est largement imposé dans tous les domaines de l’électronique de puissance face aux autres types de composants pour les gammes de tension à , 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 Worldwide Market Statistics and Trends, Darnell Group (un cabinet d’études de marché en électronique de puissance)..

Caractéristiques

L’IGBT est un transistor hybride, regroupant un transistor à effet de champ du type MOSFET en entrée et un transistor bipolaire en sortie. Il est ainsi commandé par la tension de grille (entre grille et émetteur) qui lui est appliquée, mais ses caractéristiques de conduction (entre collecteur et émetteur) sont celles d’un bipolaire. Le schéma équivalent du transistor IGBT ci-contre montre un troisième transistor, qui représente une propriété parasite responsable du latching.

Cette structure 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, les IGBT peuvent gérer une tension bien plus élevée que celle gérée par les MOSFET.

Résistance à l'état passant La résistance à l'état passant (inverse de la conductance) est définie par la résistance du transistor lorsque celui-ci est en régime de conduction (on dit également « saturé ») : appelée aussi R dans le cas d’un FET, elle est représentée par le V pour un bipolaire. C’est une caractéristique importante car elle détermine l’échauffement du composant en fonction du courant I : plus le V est faible, plus le courant admissible peut être fort. Dans le cas de l’IGBT, la résistance à l'état passant est minimisée par l’utilisation d’un transistor bipolaire en sortie et par l’optimisation de la saturation de celui-ci. Pour cela, il est possible de diminuer le R du MOSFET d’entrée, et d’augmenter le gain du transistor bipolaire. Cependant un gain trop important entrainera un risque élevé de latching Application Note AN-983 de la société IRF (1996)..

Les dernières technologies SPT (Soft-Punch-Through), dites SPT+, permettent de diminuer encore la chute de tension directe V de l’ordre de 25 à 30 %.

Transconductance La transconductance d’un IGBT est le rapport entre le courant de sortie et la tension d’entrée. Ce rapport dépend de nombreux paramètres, notamment la taille du transistor, la température ou le courant de sortie. Contrairement aux transistors bipolaires, les MOSFET et les IGBT n’ont pas un gain de transconductance qui chute avec le courant de sortie.

Commutation La faiblesse de l’IGBT (comparé au MOSFET) résulte essentiellement dans sa vitesse de commutation, notamment lors du passage de l’état passant à l’état bloqué : les « trous » présents dans la « zone d’épitaxie N- » (Drift zone) doivent se recombiner ou être évacués lorsque la tension de la grille passe en dessous du seuil de commutation. La technologie PT possède une zone tampon (buffer) à proximité de la zone de drift pour accélérer l’absorption des trous. Les transistors IGBT-PT seront donc plus rapides, mais auront une tension V plus élevée Trench IGBTs Improve Appliance Motor Drives - Power Electronics Technology (août 2006)..

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), de 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. Néanmoins, du fait de leur complexité et de leur coût, ils sont encore peu utilisés dans les fortes puissances.

Verrouillage (Latching) L’IGBT présente quatre couches N-P-N-P qui peuvent sous certaines conditions devenir passantes à la manière d’un thyristor, du fait de la présence du transistor parasite entre émetteur et base du transistor bipolaire principal (voir le schéma équivalent ci-dessus) : c’est l’effet latch-up (verrouillage). Dans ces conditions le transistor restera passant, avec effets destructifs, jusqu’à ce que l’alimentation soit coupée. Les constructeurs sont parvenus à diminuer ce problème majeur du transistor IGBT, et ce de différentes manières : réduction de la transconductance du transistor bipolaire de sortie, utilisation de nouvelles techniques de gravure comme l’IGBT Trench. Ces évolutions, ainsi que l’amélioration des processus de commande de grille, font que le phénomène de verrouillage est actuellement bien maîtrisé et ne pose plus de problèmes au développement de l’utilisation industrielle de l’IGBT.

Aire de sécurité

L’aire de sécurité ou « zone de fonctionnement sûr » ou SOA (sigle anglais pour ) désigne les zones de fonctionnement autorisées du transistor dans le plan courant-tension. Dans ces zones, le transistor peut travailler sans subir de dommages dans les périodes où à la fois un courant important traverse le semi-conducteur et une tension importante est présente à ses bornes, c’est-à-dire en dehors du fonctionnement « saturé » (conducteur et faible chute de tension). Dans tous les cas ces zones de fonctionnement ne peuvent être que transitoires, car les puissances dissipées en valeurs instantanées sont de plusieurs ordres de grandeur au-dessus de la puissance admissible nominale du composant. On distingue trois phases critiques : Le court-circuit. Il s’agit de la zone dite de SCSOA (pour ) ou aire de sécurité de court-circuit. Lorsque la charge commandée par le transistor est en court-circuit, le courant demandé est en théorie infini. En pratique, le courant I dans le transistor est limité par la tension V sur la grille et la valeur de la transconductance, ainsi que par le circuit extérieur. Le risque pour l’IGBT est alors le verrouillage (latching). Suivant la famille utilisée ce risque est minimisé au détriment de la transconductance ou du V. Certains IGBT ont un circuit interne de limitation du courant de court-circuit à quelques multiples du courant nominal ; La commutation ON → OFF avec une charge inductive. Il s’agit de la zone dite de RBSOA (pour Reverse Bias SOA) ou aire de sécurité inverse. Lors de cette phase de transition on passe d’un état où un courant stable (et important) I est établi dans la charge et dans le transistor, à un état où le transistor est bloqué. La tension V croit alors de quelques volts à la tension d’alimentation augmentée de la FCEM de la charge inductive. Cette FCEM doit être limitée, par exemple, par une diode dite de « roue libre » à ses bornes. Durant cette phase le courant est constant ceci jusqu’à la fin de la recombinaison des porteurs et au blocage de la jonction par augmentation de la barrière de potentiel. Il s’ensuit un risque de « claquage » du composant par formation de points chauds localisés et emballement thermique ; ce phénomène est connu pour les transistors bipolaires de puissance sous le nom de « second claquage » (Second Break Down en anglais). Les IGBT sont cependant beaucoup plus robustes que les bipolaires pour la tenue en aire de sécurité inverse. Des circuits d’aide à la commutation au blocage, en dérivant le courant de la charge inductive (dans un condensateur auxiliaire par exemple) pendant la période de blocage autorisent une commutation à pertes quasi-nulles pour le silicium et évitent le risque de second claquage ; L’utilisation du transistor en mode linéaire. L’étude de cette phase présente un intérêt plus limité, car ce n’est pas le mode de fonctionnement usuel de l’IGBT. Une attention particulière sur ce mode de fonctionnement est cependant nécessaire lors de la mise en œuvre des circuits de protection du composant contre les courts-circuits.

Performances Le tableau suivant montre les performances typiques de quelques produits du marché des transistors.

Il dégage la tendance générale : le V augmente et la fréquence d’utilisation diminue quand la tenue en tension augmente ; les MOSFET et les GTO deviennent concurrentiels aux extrémités de la gamme.

+ Caractéristiques moyennes comparées MOSFET 600 V IGBT 600 V IGBT 1700 V IGBT 3300 V IGBT 6500 V GTO 6000 V VV = tension collecteur-émetteur à l’état saturé. Les valeurs données sont des moyennes des valeurs annoncées par différents fabricants. à 2,2 V 1,8 V 2,5 V 3,5 V 5,3 V 3 V fréquence typiqueFréquence typique de commutation dans les applications courantes. 15-100 kHz 6-40 kHz 3-10 kHz 1-5 kHz 0,8-2 kHz 0,3-1 kHz

Des produits de certains fabricants peuvent s’écarter significativement des valeurs mentionnées car relevant d’optimisations différentes (améliorant l’un des paramètres au détriment de l’autre) ou utilisant des techniques très récentes.

Structure

La structure d’un IGBT est basée sur celle d’un MOSFET vertical doublement diffusé The Insulated Gate Bipolar Transistor, Device Modelling Group, université de Glasgow. : l’épaisseur du support est utilisée pour séparer le drain de la source. Les épaisseurs typiques des wafers sont de l'ordre de 70 à . Une zone dite d'épitaxie, dopée N-, permet l'apparition d'un canal lorsque des électrons sont injectés par la grille (V>0, état passant).

La technique de double diffusion est utilisée pour créer les puits dopés P/P+ à proximité de la source. La présence d'une région dopée P+ diminue le risque de latchup, tout en augmentant la tension de seuil de commutation.