Cours I
Chargée de Cours: Dr. CHERIFI
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I.1. Introduction
Le présent chapitre s’intéresse à l’étude des caractéristiques statiques et dynamiques des
interrupteurs utilisés en électronique de puissance. On y trouve l’étude des diodes, des
thyristors, des transistors et ces dérivés.
I.2. Les différents types de semi-conducteurs
I.2.1. La diode
a. Définition
Est un interrupteur statique unidirectionnel non contrôlé dont l’ouverture et la fermeture ne
dépendent que des conditions électriques imposées par le circuit dans le quel il est placé.
b. Symbole
La diode est représentée de la façon suivante:
c. Structure et Principe
Elle est composée de deux jonctions de dopage opposées :
- une jonction dopé N où les électrons sont majoritaires : c’est la cathode.
- une jonction dopé P où les trous sont majoritaires : c’est l’anode.
Pour que les électrons de la zone N se déplacent vers la zone P et rendent ainsi la diode
conductrice, il faut leur donner une énergie minimum en appliquant une différence de potentiel
positive suffisante entre les bornes A et K.
A
K
I
D
V
AK
=V
D
Figure (I.1) : Symbole d’une diode
Figure (I.2) : Structure d’une diode
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d. Caractéristique d’une diode
- Diode idéalisée
La figure (1.3) donne la caractéristique statique idéale
)(
DD
VfI
où
D
V
et
D
I
représentent
respectivement la tension aux bornes de la diode et le courant qui la traverse.
• A l’état bloqué (1), V
AK=D
<0 et i
D
= 0 la diode idéale est équivalente à un interrupteur ouvert.
• A l’état passant (2), V
AK=D
=0 et i
D
>0 la diode idéale est équivalente à un interrupteur fermé.
- Diode réelle
IDM : courant maximal de la diode à l’état passant.
V
RRM
: Tension inverse maximale répétitive
V
RSM
: Tension inverse maximale non répétitive.
V
RRM
V
seuil
=E
0
I
DM
V
D
I
D
V
AK
V
RSM
Zone de blocage
OFF
ON
Zone de
conduction directe
Zone
d’avalanche
Figure (I.4) : Caractéristique réelle d’une diode
Figure (I.3) : Caractéristique idéalisée d’une diode
V
D
i
D
(1) Diode bloquée
= 0
D
<0 et i
D
V
(2) Diode passante
>0
D
=0 et i
D
V
A
K
A
K
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- La diode possède donc 2 régimes de fonctionnement
Ces régimes vont dépendre de la tension V
AK=D
aux bornes de la diode et du courant I
D
la
traversant.
1- Diode passante :
D
0, V
D
0 V
A
V
K
2- Diode bloquée :
D
0, V
D
0 V
A
V
K
- La différence de potentiel suffisante pour rendre la diode passante est appelée tension de seuil.
Remarque
La tension de seuil dépend du matériau semi-conducteur utilisé (typiquement, V
seuil
vaut
0,7V pour des diodes en silicium).
e. Equivalent d’une diode à l’état passant
D
D
D
R
I
V
Résistance dynamique
- Equation de la droite : V
D
= E
o
+ R
D
. I
D
- Schéma électrique équivalent de la diode à l’état passant :
V
D
= E
o
+ R
D
. I
D
E
0
R
D
A
K
I
D
V
AK
=V
D
Figure (I.6) : Equivalent électrique d’une diode
Figure (I.5) : Caractéristique linéarisée de la diode
D
V
D
I
E
0
I
D
I
D
/2
V
D
V
D
I
D
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I.2.2. Thyristor
a. Définition
Le thyristor est un interrupteur statique, unidirectionnel en courant (c'est à dire qu'il ne peut
conduire un courant notable que dans un sens), bidirectionnel en tension (c'est à dire qu'il peut
supporter une tension de signe quelconque), commandé à la fermeture.
En anglais on l'appelle SCR = Silicon Controlled Rectifier = Redresseur Commandé au Silicium
b. Structure et Symbole
Le thyristor est un dispositif semi-conducteur formé de quatre couches de dopages alternés et
possédant trois électrodes:
La couche de cathode de type N est mince (autour de 20 µm) et fortement dopée. Elle
est reliée par métallisation à l'électrode de cathode (K en abrégé).
La couche de commande de type P est mince (autour de 50 µm) et moyennement
dopée. Elle est reliée à l'électrode de gâchette (G en abrégé).
La couche de blocage de type N est épaisse (autour de 250 µm) et faiblement dopée.
La couche d'anode de type P est mince (autour de 70 µm) et moyennement dopée.
Elle est reliée par métallisation à l'électrode d'anode (A en abrégé).
On a créé ainsi trois jonctions PN appelées respectivement Jk = jonction de cathode, Jc =
jonction de commande et Ja = jonction d'anode.
Figure (I.7) : Structure et Symboles d’un thyristor
A
K
G
A
K
G
K
G
A
JK
Jc
Ja
A
G
K
p
N
N
p
Ja
Jc
JK
Anode
Cathode
Gachette
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- Le schéma équivalent du thyristor peut être donné en fonction de deux transistors PNP et NPN
connectés d’une façon comme montré dans la figure suivante:
c. Principe et Caractéristiques électriques
- Caractéristiques du thyristor idéal
Les caractéristiques d'un thyristor, quand ce dernier est considéré comme étant idéal, sont
représentées par la figure.9.
(1), (2) et (3) sont les différentes états du thyristor.
• A l’état bloqué (1 et 3), le thyristor idéal est équivalent à un interrupteur ouvert.
• A l’état passant (2), le thyristor idéal est équivalent `a un interrupteur fermé.
Un thyristor idéal est semblable à un simple interrupteur électrique qui peut être soit fermé soit
ouvert.
Figure (I.9): Caractéristiques idéalisées d'un thyristor
V
AK
i
A
(2) thyristor passant
V
AK
=0 et i
A
>0 i
g
≠0
(1) thyristor bloqué
V
AK
<0 et i
A
>0 i
g
≠0
(3) thyristor bloqué
V
AK
>0 et i
A
>0 i
g
=0
A
G
K
P
N
P
N
P
N
K
G
A
Figure (I.8) : Schéma équivalent du thyristor avec deux transistors
Structure et Symboles d’un thyristor
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- Caractéristique réelle
La caractéristique schématisé suivante comprend trois grandes parties :
A. Pour une polarisation V
ak
< 0; le thyristor est alors bloqué et aucun courant I
A
ne peut
circuler. Lorsque la tension inverse devient trop forte, elle produit un claquage destructif du
thyristor.
B. En polarisation directe et sans commande de gâchette, le thyristor reste bloqué.
C. Lorsqu'on applique une commande de gâchette, le thyristor devient passant dès que la
tension V
AK
est positive et le courant circule de l'anode vers la cathode. Le thyristor reste
passant tant qu'il circule un courant minimal. Pour bloquer le thyristor, il faut, après avoir
annulé le courant, appliquer une polarisation négative.
I.2.3. Thyristor G.T.O (Gate Turn Off)
a. Définition
Le thyristor G.T.O (Gate Turn Off) est une évolution du thyristor classique qui a la propriété
de pouvoir être bloqué à l'aide de la gâchette, contrairement aux thyristors classiques.
b. Structure
Le GTO est structurellement identique à un thyristor, donc muni de trois électrodes :
l'anode A ;
la cathode K ;
l'électrode de commande appelée gâchette G.
V
AK0
V
AK1
V
D
i
g1
V
AKn
i
g
=0
i
gn
I
A
Figure (I.10) : Caractéristiques réelle d’un thyristor
V
AK
A
B
C
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Il est composé de quatre couches dopées alternativement P, N, P, N.
La différence principale avec un thyristor est que la gâchette est fortement interdigitée, c'est-à-
dire divisée en un réseau de mini-gâchettes distribuées sur toute la puce, afin de permettre une
extraction uniforme du courant lors du blocage.
c. Symbole
Ses deux symboles diffèrent un peu du thyristor au niveau de la gâchette :
d. Principe de fonctionnement et Caractéristique
Amorçage
Un GTO s'amorce par la gâchette (avec V
gk
>0) comme un thyristor. Le courant de gâchette
peut être de quelques ampères. Une fois la conduction amorcée, elle se maintient.
Blocage
Le blocage du thyristor GTO peut se faire de deux façons :
Par interruption naturelle du courant principal I
AK
, qui se produit par exemple à chaque
alternance si le thyristor est utilisé sous tension alternative ;
Par extraction du courant au niveau du circuit de gâchette (obtenue par application d'une
tension négative sur la gâchette, par un circuit appelé « extracteur de charges »).
Caractéristique idéale
La figure (1.12) représente la caractéristique idéale d’un G.T.O
A
Anode
K
Cathode
G
Gâchette
A
Anode
K
Cathode
G
Gâchette
Figure (I.11): Symboles d’un thyristor G.T.O
Figure (I.12): Caractéristique statique idéale d'un G.T.O
V
I
ON
OFF
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Il s’agit ici d’un composant travaillant sur les deux axes I et V du quadrant Q
1
:
- Quand V est positive, une impulsion positive du courant de gâchette permet de fermer le GTO
(passage direct de OFF à ON).
- Quand il est conducteur, il peut se bloquer spontanément comme une diode quand le circuit
dans le quel il est inséré annule le courant qui le traverse. Mais une forte impulsion négative du
courant de gâchette permet (passage direct de ON à OFF)
I.2.4. Triac
a. Définition
Le Triac est un composant électronique équivalent à la mise en parallèle de deux thyristors
montés en tête-bêche, l'anode de l'un serait reliée à la cathode de l'autre, les gâchettes respectives
étant, par exemple, commandées simultanément.
b. Structure et Symbole
Un triac est un dispositif à cinq couches et à chaîne PNPN dans chaque sens entre les bornes T
1
et T
2
. C’est donc un dispositif bidirectionnel comme son symbole l’indique clairement.
Une fois il est enclenché par une impulsion sur la gâchette, le triac laisse passer le courant
jusqu'au moment où ce courant redevient inférieur à un seuil critique (courant de maintien). Il est
plus sensible au courant positif injecté lorsque la borne T
1
est positive et au courant négatif si la
borne T
2
est positive. D’après cette structure, le triac est utilisé pour contrôler le passage des deux
alternances d'un courant alternatif (Le triac est un composant bidirectionnel qui permettre le
passage du courant dans les deux sens) alors que le thyristor ne conduit que pendant une
alternance.
N
P
N
N
P
N
G
T
1
G
T
1
G
T
1
G
T
2
T
2
T
2
G
G
1
G
2
Figure (I.13): Symboles d’un Triac
A
1
A
2
Courant
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c. Caractéristique du Triac
La figure ci-dessous donne la caractéristique du Triac.
I.2.5. Le Diac
a. Définition
Le diac (Diode Alternatif Current) est un élément semi conducteur à deux électrodes
(analogue à deux diodes montées en inverse, c'est-à-dire réunies par leurs cathodes). C’est un
composant électronique à amorçage bidirectionnel par la tension à ses bornes. Il est souvent
utilisé en électronique de puissance pour déclencher les triac et les thyristors (circuits de
commande).
b. Symbole et Caractéristiques Tension-Courant
Le Diac ne conduit pas le courant tant qu'une tension appliquée à ses bornes est inférieure à
une certaine valeur notée V
BO
(Break over voltage) souvent comprise entre 20 et 35 volts dans les
deux sens.
V
T
I
T
Chute de tension
directe
Tension V
T
lorsque
ig circule
Courant de fuite
en directe
Courant
d’accrochage
Courant de
maintient
Claquage
en directe
Claquage
en directe
i
G
=0
i
G
=0
G
T
G
I
T
V
T
Figure (I.14): Caractéristique du Triac
Figure (I.15): Symboles de Diac
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12
Lorsque cette tension d’avalanche est atteinte, le Diac entre en conduction (amorçage), il serait
assimilé à un interrupteur fermé, dans ce cas la tension entre ses deux électrodes serait
pratiquement nulle.
I.2.6. Le transistor bipolaire
a. Définition
C’est un composant commandé à la fermeture et à l’ouverture il comportant trois zones de
dopage différentes. Ce composant à contribué d’une façon importante au développement des
convertisseurs statiques de moyenne puissance.
- Il est commandé en courant (par le courant I
B
)
b. Structure
Le transistor est constitué par la succession de trois couches de semi-conducteur de type N-P-
N (ou P-N-P). Des connexions métalliques sont respectivement fixées sur la partie centrale
appelée Base et sur les deux extrémités appelées Collecteur et Emetteur.
Figure (I.16): Caractéristiques Tension-Courant du Diac
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La couche centrale est très mince par rapport aux autres. Sa largeur doit être très inférieure à la
longueur de diffusion des porteurs injectés dans cette zone.
d. Principe et Symboles
I
C
: courant Collecteur,
I
B
: courant de Base,
I
E
: courant Emetteur.
C’est actuellement la structure NPN qui est utilisé pour les transistors haute tension et fort
courant.
N
N
P
Collecteur
Emetteur
Base
Figure (I.17) : La Structure d’un Transistor bipolaire (NPN)
Transistor bipolaire NPN
Transistor bipolaire PNP
B
C
E
V
BE
V
CE
I
B
B
C
E
V
BE
V
CE
I
B
I
c
I
c
I
E
I
E
Figure (I.18): Symboles des transistors NPN et PNP
PNP et
Figure (I.19): Transistor bipolaire NPN et ses grandeurs électriques
B
C
E
V
BE
V
CE
I
B
I
c
I
E
V
CB
I
E
= I
C
+ I
B
V
CE
= V
CB
+ V
BE
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- Effet transistor
C’est le fait de véhiculer un fort courant collecteur à partir d’un faible courant de base
B C
I I
.
On définit l’amplification statique en courant :
B
C
I
I
- En fonctionnement normal
En fonction du courant I
B
injecté sur sa base, le régime de fonctionnement du transistor sera
différent, pour l’étudier, il faut dissocier chaque jonction.
Cela conduit à l’étude de deux circuits :
- le montage sur la jonction BE : le circuit de commande
- le montage sur la jonction CE : le circuit commandé
Le circuit de commande définit si le transistor est passant ou bloqué suivant la polarisation de la
jonction BE (direct ou inverse). De plus, le circuit commandé va limiter la valeur des courants I
C
et I
E
. Ils ne pourront donc pas dépasser une certaine valeur malgré l’effet transistor. Ainsi, si I
B
devient trop important, I
C
ne pourra pas dépasser la valeur maximum fixée par le montage
commandé et la jonction BC deviendra passante : le transistor sera saturé et il n’existera plus une
relation linéaire entre I
B
et I
C
. Puisque les deux jonctions BC et BE sont passantes, la différence
de potentiel entre les jonctions C et E sera très faible.
On voit donc apparaître trois régimes de fonctionnement :
transistor bloqué : I
B
=0 → I
C
=0
transistor passant : I
B
> 0 et I
C
= β I
B
→ V
CE
≠ 0
transistor saturé : I
B
> 0 et I
C
= I
Csat
→ V
CE
= V
Cesat
# 0.2V
e. Caractéristiques
Caractéristique I
B
=f(V
BE
)
On retrouve la caractéristique d’une diode
puisque la jonction BE est une jonction PN.
seuil
V
B
I
EB
V
Figure (I.20) : Caractéristique I
B
=f(V
BE
)
Fonctionnement
Passant
Fonctionnement
Bloqué
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Caractéristique I
C
=f(I
B
)
On retrouve :
- I
C
= 0 en fonctionnement bloqué
- I
C
= β I
B
en fonctionnement linéaire
- I
C
= I
Csat
en fonctionnement saturé
Caractéristique idéale
La caractéristique statique idéalisée de la figure I.22. Ceci correspond au modèle simplifié à l’état
bloqué (interrupteur ouvert), et à l’état passant (interrupteur fermé)
Amorçage : V
CE
> 0 et I
B
> 0 (amorçage commandé)
Blocage : I
B
= 0 ou V
CE
<< 0 (blocage commandé)
I.2.7. Le transistor MOSFET
a. Définition
Un transistor à effet de champ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
qui se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur). C’est un
interrupteur unidirectionnel en tension et bidirectionnel en courant
b. Structures et symboles
Le MOSFET se présente comme un composant à trois ports :
le « Drain » (noté D) ;
la « Grille » (notée G) ;
la « Source » (notée S).
C
I
B
I
Figure (I.21) : Caractéristique I
C
=f(I
B
)
Fonctionnement
Linéaire
Fonctionnement
Bloqué
Fonctionnement
Saturé
Csat
I
Figure (I.22): Caractéristique statique idéale d'un transistor bipolaire
V
CE
I
c
Transistor bloqué
Transistor Passant
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16
Contrairement au transistor bipolaire qui se commande en courant, le transistor MOS se
commande en tension. Le courant dans la grille est nul en fonctionnement statique.
De part de ca conception le transistor MOS possède une diode symbolisée par la flèche
entre Drain et Source. Cette diode, montée en inverse, interdit toutes tensions V
ds
négatives.
c. Caractéristiques statiques
Caractéristiques de transfert I
D
=f(V
GS
)
Tant que la tension V
GS
ne dépasse pas le seuil V
GSo
≈ 4V le transistor reste bloqué. Au-delà, le
courant croit linéairement en fonction de V
GS
.
Pour V
GS
≥ V
GSo
, I
D
= g (V
GS
- V
GSo
), g est le gain du transistor
Caractéristique idéale
La figure (1.25) représente la caractéristique idéale d’un transistor MOSFET. Il s’agit ici d’un
composant travaillant sur les deux axes I et V du quadrant Q1, avec une ouverture et une
fermeture commandées.
V
GS
V
GSo
I
D
Figure (I.24) : Caractéristiques de transfert I
D
=f(V
GS
)
G
D
S
G
D
S
V
gd
i
d
i
g
V
ds
V
gs
Figure (I.23): Symboles d’un transistor MOSFET
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La présence de la diode en antiparallèle permet au composant de fonctionner sur trois segments
(deux quadrants) comme cela est représenté par la figure ci-dessous
I.2.8. Le transistor bipolaire à grille isolée
a. Définition
Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor) est un
dispositif semi conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme
interrupteur électronique, principalement dans les montages de l’électronique de puissance.
Figure (I.25): Caractéristique statique idéale d'un transistor MOSFET
V
I
ON
OFF
Transistor bloqué
Transistor Passant
Figure (I.26): Caractéristique statique idéale d'un transistor MOSFET
avec sa diode interne
V
I
ON
OFF
Transistor bloqué
Transistor Passant
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18
b. Symbole
c. Structure
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.
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.
e. Caractéristiques
Bien que ce soit un transistor NPN qui apparaît sur le symbole, c’est un transistor PNP qui
existe dans la structure interne.
La présence de la diode en inverse entre Drain et Source du transistor MOS fait que le transistor
IGBT ne supporte pas une tension inverse collecteur-émetteur importante.
Fonctionnement dynamique
A la fermeture, le transistor IGBT se comporte comme un transistor MOS.
G
C
E
Figure (I.27) : Symbole d’un Transistor IGBT
Transistor
Bipolaire
MOS
G
C
E
Figure (I.28) : Schéma équivalent simplifié d’un Transistor
IGBT
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19
L’ouverture du transistor IGBT est plus longue, car une fois le transistor MOS bloqué, on n’a
pas la possibilité d’extraire les charges stockées dans la base du transistor bipolaire. Le courant Ic
traine avant de s’éteindre complètement.
Blocage
L'IGBT présente l'inconvénient d'un blocage moins rapide que le MOSFET, ce qui limite sa
fréquence de commutation à quelques dizaines de kHz.
Il faut retenir que
- Le transistor MOS est plus rapide à l’ouverture que l’IGBT ;
- La chute de tension à l’état conducteur est inférieur pour l’IGBT ;
- Le transistor IGBT a une meilleure tenue en tension directe.
Caractéristique idéale
Comme le montre la caractéristique idéale du transistor IGBT sur la figure(1.24), ce composant
est unidirectionnel en tension et en courant.
Figure (I.29): Caractéristique statique idéale d'un IGBT
V
i
ON
OFF
