Le Transistor Bipolaire de Puissance

Le Transistor Bipolaire de Puissance

Introduction

• Le transistor bipolaire est le plus ancien des composants commandés utilisés dans les convertisseurs de puissance.

• Aujourd'hui, il est souvent remplacé par le transistor MOSFET ou le transistor IGBT, qui ont des fiches spécifiques.

Symboles, Tensions et Courants

Transistor NPN

• Symboles :

  • C E: Collecteur et Émetteur.

  • B: Base.

  • Émetteur : représenté par une flèche symbolisant le sens réel du courant.

• Tensions et Courants :

  • $ I = IB + IC $ (Loi de Kirchhoff appliquée au transistor bipolaire)

Transistor PNP

• Symboles :

  • C E: Collecteur et Émetteur.

  • B: Base.

• Émetteur : le rôle de l'émetteur et des symboles correspondant aux polarités.

Constitution

• Le transistor bipolaire est constitué d'un monocristal comportant trois zones de dopage différentes :

  • Zones : n (Collecteur), p (Base), n (Émetteur).

• Il comprend deux jonctions PN considérées comme deux diodes lorsque le transistor n'est pas polarisé.

• Pour polariser correctement un transistor :

  • La jonction entre B et E doit être polarisée en direct.

  • La jonction entre C et B doit être polarisée en inverse.

Types de Transistors

Transistor Bipolaire Actif à 3 Accès

• Composé de 3 couches semi-conductrices : NPN et PNP.

Fonctionnalité des Transistors

• Transistor NPN :

  • $ IB > 0, ext{ } IC > 0, ext{ } V_{BE} > 0 $.

• Transistor PNP :

  • $ IB < 0, ext{ } IC < 0, ext{ } V_{BE} < 0 $.

Fonctionnement du Transistor Bipolaire de Puissance

• Contrairement au composant "signal", le transistor de puissance est principalement de type NPN.

• Les structures et symboles du transistor NPN sont présentés avec la flèche indiquant le sens de la diode de la jonction base-émétteur.

• Rappelle le principe de la diode PIN utilisant trois couches pour assurer des performances accrues en régime saturé.

• La base (P+) et l'émetteur (N+) sont fortement interdigités.

Modes de Fonctionnement

• Mode de Commutation :

  • Utilisé en électronique de puissance.

• Mode Linéaire :

  • Employé principalement pour l'amplification de signaux.

  • Se comporte comme une source de courant $ iC $ commandée par le courant $ iB $.

Caractéristiques du Mode Linéaire

• $ IC = B imes IB $

• Les transitions entre les états de blocage, fonctionnement linéaire et saturation sont illustrées.

Modèle Parfait

• Pour les études des montages à transistors, la caractéristique statique est idéale (transistor bloqué et passant).

• Exemple des ordres de grandeur des transistors :

  • Peut commuter des courants jusqu'à 1000 A et tensions jusqu'à 1000 V, principalement dans les hacheurs.

  • Convertisseurs à découpage : 500 V pour 20 A.

États du Transistor

Transistor Bloqué (OFF)

• Courant de collecteur nul, $ V_{CE} $ non fixé. Équivalent à un commutateur ouvert.

Transistor Saturé (ON)

• Courant $ iC $ atteint la valeur limite de saturation, $ i{C_sat} $.

• Impose une tension $ V_{CE} $ nulle. Équivalent à un commutateur fermé.

Comportement Réel des Transistors

Composant Réel et Limites de Fonctionnement

• Identifie les différences entre l'élément idéal et réel :

  • Limite de puissance (courbes limites dans le plan $(V{CE}, iC)$).

  • Courant maximal moyen de collecteur $ Ic_{max} $

  • La tension $ V{CE} $ ne devient pas complètement nulle en saturation $(V{CE_{sat}}
    eq 0)$.

Comportement Statique

• Trois zones de fonctionnement :

  • Zone A : Régime linéaire (source de courant commandée par $ i_B $).

  • Zone B : Fonctionnement non linéaire.

  • Zone C : Zone de saturation avec une tension $ V{CE{sat}} $ minimale.

Comportement Dynamique

• Lié à la commande et l'évolution de $ i_C $.

• Attention sur les délais et croissances de courant pendant la commutation.

Durée des Réactions de Commutation

• Temps de retard $(td)$ et temps de croissance $(tr)$.

• Évacuation des charges et temps de stockage $(t_s)$.

Pertes dans le Transistor

• Pertes durant les périodes de conduction et commutations.

• Pertes en conduction constantes et pertes lors des périodes de commutation.