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Transistors de découpage : bipolaire ou MOSFET
jeudi 27 septembre 2012, par gerla
Comportement des transistors de puissance en découpage.

1- Transistor bipolaire (NPN) de puissance

L’élément actif du transistor bipolaire est un cristal de semi-conducteur (le silicium est généralement employé) présentant deux zones dopées N séparées une zone centrale P (figure 1). De façon générale, le transistor peut être considéré comme un nœud d’intensité

IE = IC + IB

Les caractéristiques sont données pour un fonctionnement en émetteur commun (l’émetteur est commun aux circuits d’entrée et de sortie).

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Structure, symbole (a) et caractéristiques (b) du transistor NPN

L’état de fonctionnement du transistor dans le circuit (figure 2) est déterminé par les valeurs VCE, IC (circuit de sortie ou de charge) et VBE, IB (circuit d’entrée ou de commande) :
-   le transistor est bloqué et se comporte comme un circuit ouvert avec Ic = 0. La tension VCE recopie alors la tension d’alimentation VCC (VBE est de l’ordre de 0V) ;
-   le transistor est saturé et se comporte comme un circuit fermé avec VCE = 0 (en réalité, il subsiste une tension de déchet VCEsat inférieure à 1V environ). Le courant IC est alors de l’ordre de VCC/RC (VBE est très supérieur à 0,7V).

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Circuit de charge et états électriques du transistor

2- Transistor NPN en commutation (découpage)

Sans reprendre la théorie du fonctionnement du transistor en commutation de puissance, on retient les spécificités du fonctionnement du transistor de découpage :
-   le pouvoir de coupure exprimé (en volts x ampères) par le produit ICmax x VCEmax.

par exemple : 600(V) x 6(A) = 3600 VA

-   les conditions d’attaque (ou de commande) du transistor de découpage.

Les conditions de commande d’un transistor en commutation (figure 3) jouent un rôle prépondérant dans la fiabilité d’un équipement .

La mise en saturation passe par une étape de conduction (temps d’établissement) qu’il est difficile de maîtriser et dont la durée doit être réduite autant que possible afin que l’énergie dissipée dans le transistor soit faible.

Le passage de l’état saturé à l’état bloqué (temps de descente) fait également apparaître une étape transitoire (pendant laquelle le transistor est conducteur) qu’il est également nécessaire de maîtriser afin de réduire la puissance dissipée et de déterminer le plus précisément le moment du blocage.

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Etats électriques du transistor NPN en régime de commutation

Très schématiquement, la mise en saturation rapide du transistor NPN (figure 3-2) est réalisée en forçant des charges excédentaires dans l’espace base/émetteur de façon à réaliser une commande de type :

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Afin d’assurer la saturation du transistor (figure 3-3), la valeur de ibsat peut être maintenue à un niveau jusqu’à dix fois ce qu’il serait en régime linéaire.

Dans ces conditions, ramener au blocage un transistor précédemment saturé ne peut pas se faire instantanément (figure 3-4). Cela est d’autant plus vrai quand le transistor NPN de puissance est utilisé dans un circuit de découpage. La charge, essentiellement constituée par le primaire du transformateur de découpage est alors inductive (inductance L) et les tensions et courants dans le transistor ne sont plus en phase.

Alors que le courant de base décroît de IB1 vers IB2, le courant de collecteur continue de croître pendant une durée ts appelée temps de stockage, tf étant le temps de décroissance du courant. La figure 4 résume les caractéristiques typiques susceptibles d’être mesurées et fournies dans la documentation technique des fabricants.

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Circuit de test et comportement du transistor lors du passage au blocage

D’autre part et toujours pour réduire l’énergie dissipée par le transistor et contrôler la température de fonctionnement (essentiellement pendant le temps de croisement tC), il est important de raccourcir le temps de passage de la saturation au blocage.

Pour cela, il est nécessaire d’extraire les porteurs mobiles excédentaires (on dit déstocker les charges d’espace base/émetteur) accumulées dans le semi-conducteur lors de la mise en saturation.

Pour cela, une tension VBE < 0 (tension de déstockage) est appliquée lors de la commande de blocage. Les conditions de déstockage (amplitude et durée de l’impulsion négative) sont déterminées en prenant en compte les caractéristiques de mise en saturation et maintient de la saturation. Quand les conditions de commande de saturation sont optimales, il peut ne pas être nécessaire d’utiliser une impulsion négative de déstockage.

3- Transistor MOSFET de puissance

Les MOSFET de puissance utilisés dans les aliments à découpages et autres convertisseurs DC/DC, DC/AC sont généralement de type N.

Le transistor à effet de champ (jonction field effect transistor, JFET) est essentiellement constitué à partir d’un substrat de semi-conducteur (silicium dopé P) sur lequel sont développées des zones fortement dopées N constituant le drain (D), la source (S) et une électrode de commande ou grille (G, gate).

La grille du transistor MOSFET (metal oxyde semiconductor field effect transistor, figure 5) se trouve être montée sur une couche isolante d’oxyde de silicium.

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Structure, symbole (a) et caractéristiques (b) du MOSFET canal N

Le drain D est porté à un potentiel positif par rapport à la source S. En fonctionnement linéaire (amplification), la grille, portée à un potentiel positif (régime d’enrichissement), permet l’ouverture d’un canal de conduction plus ou moins profond (présence d’électrons constituant une couche dite d’inversion) dans le semi-conducteur ce qui permet la circulation d’un courant de drain ID (état on).

En présence d’une polarisation inverse, la structure du MOSFET fait apparaître un comportement en diode. Les spécifications de la diode source/drain sont généralement données dans les documentations techniques ("data sheet").

Polarisé en direct (figure 6), quand la tension de grille est inférieure à VGSth (Gate Threshold Voltage, tension de seuil de grille) et bien évidemment quand VGS est nulle, le courant de drain est nul . Le MOSFET est alors bloqué (état off) . La tension VGSth dépend en partie de la structure du MOSFET et du type d’application (traitement de signal, puissance). La tension VGSth est de l’ordre de 3 à 5 V pour les MOSFET de puissance.

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Boîtier, circuit de charge (a) et états électriques du MOSFET

Les fabricants produisent des composants MOSFET de puissance avec des géométries de canal (VMOS, MESH®, HEXFET®, etc.) permettant d’obtenir des courants de drain importants (jusqu’à plus de 200A).

Les dimensions des semi-conducteurs constituant les MOSFET de puissance étant relativement grandes, la valeur de la tension VGS de commande se situe autour de 10V . Quand le transistor est à l’état on, la résistance RDSon est relativement faible.

La commutation du transistor de puissance MOSFET, canal N, est rapide. A la fermeture, il n’y a pas d’accumulation de charges résiduelles dans le semi-conducteur.

Il n’est donc pas nécessaire d’appliquer une tension de déstockage négative (voir la commande d’un transistor bipolaire) pour passer de l’état on à l’état off. En ce sens, les circuits de commande d’un transistor MOS de puissance sont plus simples.

En document joint (PDF) un résumé du fonctionnement des transistors de puissance en commutation (découpage)

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