Le Transistor Bipolaire à Porte Isolée, également appelé IGBT en abrégé, est quelque peu un croisement entre un Transistor Bipolaire à Jonction conventionnel (BJT) et un Transistor à Effet de Champ (MOSFET), ce qui le rend idéal en tant que dispositif de commutation semi-conducteur.

Le Transistor IGBT tire le meilleur des deux types de transistors courants : l’impédance d’entrée élevée et les vitesses de commutation élevées d’un MOSFET, ainsi que la faible tension de saturation d’un transistor bipolaire, et les combine pour produire un autre type de dispositif de commutation de transistor capable de gérer de grands courants collecteur-émetteur avec pratiquement zéro courant de commande sur la porte.

Transistor IGBT typique

Le Transistor Bipolaire à Porte Isolée (IGBT) combine la technologie de la porte isolée (d’où la première partie de son nom) du MOSFET avec les caractéristiques de performance de sortie d’un transistor bipolaire conventionnel (d’où la seconde partie de son nom).

Le résultat de cette combinaison hybride est que le “Transistor IGBT” présente les caractéristiques de commutation et de conduction d’un transistor bipolaire, mais est contrôlé par la tension comme un MOSFET.

Les IGBT sont principalement utilisés dans des applications d’électronique de puissance, telles que les inverseurs, les convertisseurs et les alimentations, où les exigences du dispositif de commutation à état solide ne sont pas entièrement satisfaites par des bipolaires de puissance et des MOSFET de puissance. Des bipolaires de haute tension et de fort courant sont disponibles, mais leurs vitesses de commutation sont lentes, tandis que les MOSFET de puissance peuvent avoir des vitesses de commutation plus élevées, mais les dispositifs à haute tension et fort courant sont coûteux et difficiles à obtenir.

L’avantage que présente le dispositif de transistor bipolaire à porte isolée par rapport à un BJT ou à un MOSFET est qu’il offre un gain de puissance supérieur par rapport à un transistor bipolaire standard, tout en associant une opération à haute tension et de faibles pertes d’entrée du MOSFET. En fait, c’est un FET intégré avec un transistor bipolaire dans une configuration de type Darlington, comme montré.

Transistor bipolaire à porte isolée

Nous pouvons constater que le transistor bipolaire à porte isolée est un dispositif à trois terminaux, à transconductance, qui combine une entrée MOSFET N-channel à porte isolée avec une sortie de transistor bipolaire PNP connectée dans une sorte de configuration de Darlington.

En conséquence, les terminaux sont étiquetés comme suit : Collecteur, Émetteur et Porte. Deux de ses terminaux (C-E) sont associés au chemin de conductance qui fait passer le courant, tandis que son troisième terminal (G) contrôle le dispositif.

Le montant d’amplification obtenu par le transistor bipolaire à porte isolée est un rapport entre son signal de sortie et son signal d’entrée. Pour un transistor bipolaire à jonction conventionnel (BJT), le montant de gain est approximativement égal au rapport du courant de sortie au courant d’entrée, appelé Beta.

Pour un transistor à effet de champ à oxyde métallique, ou MOSFET, il n’y a pas de courant d’entrée car la porte est isolée du canal principal transportant le courant. Par conséquent, le gain d’un FET est égal au ratio de la variation du courant de sortie à la variation de la tension d’entrée, ce qui en fait un dispositif à transconductance, ce qui est également vrai pour l’IGBT. Ainsi, nous pouvons traiter l’IGBT comme un BJT de puissance dont le courant de base est fourni par un MOSFET.

Le Transistor Bipolaire à Porte Isolée peut être utilisé dans des circuits amplificateurs à petit signal de la même manière que les transistors de type BJT ou MOSFET. Mais, comme l’IGBT combine la faible perte de conduction d’un BJT avec la grande vitesse de commutation d’un MOSFET de puissance, il existe un commutateur à état solide optimal idéal pour une utilisation dans des applications d’électronique de puissance.

De plus, l’IGBT présente une résistance en état “ON” bien inférieure, R_ON, à celle d’un MOSFET équivalent. Cela signifie que la chute I²R à travers la structure de sortie bipolaire pour un courant de commutation donné est beaucoup plus faible. L’opération de blocage en avant du transistor IGBT est identique à celle d’un MOSFET de puissance.

Lorsqu’il est utilisé comme interrupteur à contrôle statique, le transistor bipolaire à porte isolée a des tensions et des courants similaires à ceux du transistor bipolaire. Cependant, la présence d’une porte isolée dans un IGBT le rend beaucoup plus simple à piloter que le BJT car il nécessite beaucoup moins de puissance de commande.

Un transistor bipolaire à porte isolée est simplement activé ou désactivé en activant et désactivant son terminal de porte. L’application d’un signal de tension d’entrée positive entre la porte et l’émetteur maintiendra le dispositif dans son état “ON”, tandis que rendre le signal d’entrée de la porte nul ou légèrement négatif le fera passer à “OFF”, de la même manière qu’un transistor bipolaire ou un eMOSFET. Un autre avantage de l’IGBT est qu’il présente une résistance de canal en état “ON” beaucoup plus faible qu’un MOSFET standard.

Caractéristiques de l’IGBT

Parce que l’IGBT est un dispositif contrôlé par la tension, il ne nécessite qu’une faible tension sur la porte pour maintenir la conduction à travers le dispositif, contrairement aux BJT qui nécessitent que le courant de base soit continuellement fourni en quantité suffisante pour maintenir la saturation.

De plus, l’IGBT est un dispositif unidirectionnel, ce qui signifie qu’il ne peut commuter le courant que dans la “direction avant”, c’est-à-dire du collecteur à l’émetteur, contrairement aux MOSFET qui ont des capacités de commutation de courant bidirectionnelles (contrôlées dans la direction avant et non contrôlées dans la direction inverse).

Le principe de fonctionnement et les circuits de commande de la porte pour le transistor bipolaire à porte isolée sont très similaires à ceux du MOSFET de puissance N-channel. La principale différence est que la résistance offerte par le canal principal conducteur lorsque le courant passe à travers le dispositif dans son état “ON” est beaucoup plus petite dans l’IGBT. Pour cette raison, les capacités de courant sont beaucoup plus élevées en comparaison avec un MOSFET de puissance équivalent.

Les principaux avantages de l’utilisation du Transistor Bipolaire à Porte Isolée par rapport à d’autres types de dispositifs de transistors sont sa capacité à haute tension, sa faible résistance à l’état “ON”, sa facilité de pilotage, ses vitesses de commutation relativement rapides, tout en combinant un courant de commande de porte nul, ce qui en fait un bon choix pour les applications à vitesse modérée et haute tension, telles que le contrôle de vitesse variable, les alimentations à découpage ou les applications d’inverseurs DC-AC alimentés par des panneaux solaires fonctionnant dans la gamme des centaines de kilohertz.

Une comparaison générale entre les BJT, les MOSFET et les IGBT est donnée dans le tableau suivant.

Tableau de comparaison IGBT

Nous avons vu que le Transistor Bipolaire à Porte Isolée est un dispositif de commutation semi-conducteur qui présente les caractéristiques de sortie d’un transistor bipolaire à jonction, BJT, mais qui est contrôlé comme un transistor à effet de champ à oxyde métallique, MOSFET.

Un des principaux avantages du transistor IGBT est la simplicité avec laquelle il peut être activé “ON” en appliquant une tension positive à la porte, ou coupé “OFF” en rendant le signal de la porte nul ou légèrement négatif, ce qui permet de l’utiliser dans une variété d’applications de commutation. Il peut également être utilisé dans sa région linéaire active pour des amplificateurs de puissance.

Avec sa résistance en état “ON” plus faible et ses pertes de conduction ainsi que sa capacité à commuter des tensions élevées à hautes fréquences sans dommages, le Transistor Bipolaire à Porte Isolée est idéal pour piloter des charges inductives telles que des enroulements de bobines, des électroaimants et des moteurs à courant continu.