L'aube de la technologie Thyristor : les redresseurs à commande de silicone (SCR)

Les redresseurs à commande de silicium, communément appelés SCR, constituent le bloc de construction de l'électronique de puissance moderne. Introduits commercialement par General Electric à la fin des années 1950, ces dispositifs à semi-conducteurs à trois branches, à quatre couches, ont été la première mise en œuvre pratique d'un thyristor. Leur capacité à basculer et à contrôler des tensions et des courants élevés avec un simple déclencheur de porte a ouvert de nouvelles possibilités dans la commande de moteur industriel, la régulation de l'éclairage et la conception de l'alimentation. La structure SCR , qui consiste à alterner les couches de type P et de type N, forme une configuration PNPN avec trois bornes : l'anode, la cathode et la porte.

Structure et principe de fonctionnement

La section transversale du SCR's révèle une structure P-N-P-N à quatre couches qui se comporte comme deux transistors interconnectés, un NPN et un transistor PNP. Lorsqu'un courant de barrière positif est injecté, le transistor NPN s'allume, ce qui entraîne le transistor PNP en conduction. Cette boucle de rétroaction positive entraîne rapidement la saturation du dispositif, ce qui entraîne une baisse de tension vers l'avant faible (généralement de 1 à 2 V) tout en transportant des centaines d'ampères.

Demandes et impact précoces

Avant leur développement, les grandes puissances de courant alternatif étaient régulées par des réacteurs satoriables inefficaces ou des groupes de moteurs encombrants. Les redresseurs à commande de phase SCR permettaient un réglage précis de la tension en courant continu en modifiant l'angle de tir de l'impulsion de la porte. Cette technologie permettait aux premiers moteurs à vitesse variable à haute puissance, qui devenaient essentiels dans les laminoirs en acier, les machines à papier et les palans de mine. Les SCR pouvaient également être utilisés couramment pour les alimentations en mode vers l'avant, où ils remplaçaient les thyratrons et les ignitrons.

Limites inhérentes au RCS

Bien que le SCR ait été un formidable bond en avant, ses contraintes opérationnelles ont stimulé la recherche de meilleurs modèles de thyristor. La limite la plus importante est que le SCR ne peut être désactivé qu'en réduisant le courant principal en dessous de son courant de maintien ou en forçant le courant à zéro, un processus appelé commutation.

Défis liés au mécanisme de mise en marche

Dans les circuits à courant alternatif où le courant passe naturellement à zéro, la commutation est simple. Cependant, dans les circuits à courant continu, les ingénieurs ont dû concevoir des circuits de commutation forcée utilisant des condensateurs, des inducteurs et des thyristors auxiliaires pour interrompre le courant. Ces circuits étaient volumineux, inefficaces et ont augmenté le poids du système. Pour les applications à haute fréquence, le temps nécessaire pour éteindre le SCR (temps de mise en marche) est devenu un facteur limitant.

Restrictions au contrôle des portes

Une autre restriction majeure est que la porte ne peut qu'amorcer la conduction, elle ne peut l'éteindre. Cette absence de mise en marche contrôlée par la porte a entraîné que toute condition de défaillance, comme un court-circuit, ne pouvait pas être effacée par le conducteur de la porte. La protection dépendait des fusibles à action rapide ou des disjoncteurs, ce qui a ajouté des coûts et réduit la fiabilité.

Contraintes de vitesse de commutation

Le processus de verrouillage régénératif, bien que robuste, est intrinsèquement lent. Le temps de déclenchement d'un SCR standard est généralement de 1 à 10 microsecondes, et le temps de déclenchement (temps de récupération inverse) peut atteindre 50 microsecondes. Ces vitesses de commutation lentes limitent la fréquence maximale de fonctionnement à moins de 1 kHz dans la plupart des circuits pratiques.

Thyristor de la porte de la porte (GTO) : un pas en avant

Le développement du thyristor de sortie de porte à la fin des années 1970 a abordé la limitation la plus critique du SCR. Un thyristor de GTO peut être désactivé en appliquant une impulsion de courant de porte inverse, ce qui en fait un interrupteur entièrement contrôlable — un véritable appareil de sortie de porte à commande de porte. Les premiers GTO commerciaux sont apparus au début des années 1980 de fabricants tels que Hitachi et ABB, initialement cotés pour des applications de puissance moyenne.

Structure et mécanisme de mise en marche

La couche N-émitter est segmentée en plusieurs îles de cathodes, chacune entourée de la région de la porte. Cette géométrie réduit l'effet de verrouillage et permet à la porte d'extraire le courant de la cathode pendant la mise en marche. Lorsqu'un courant de porte négatif est appliqué, il détourne les porte-portes minoritaires de la base du NPN, brisant la boucle de rétroaction régénérative. Le courant de porte inverse requis est généralement de 1/3 à 1/5 du courant de l'anode — pour un GTO de 1000 A, l'impulsion de porte de sortie peut atteindre 300 A. Cette exigence de transmission de porte élevée a été un défi majeur pour les systèmes précoces, nécessitant un conducteur de porte dédié à haute courant avec un emballage de faible inductibilité soigné.

Avantages sur les RCS

  • Contrôle de la porte complète:[ Le signal de la porte déclenche et déclenche l'allumage, éliminant ainsi la nécessité de circuits de commutation forcée dans les applications en courant continu.
  • Fréquence de commutation plus élevée: Les GTO peuvent fonctionner à des fréquences allant jusqu'à plusieurs kilohertz, comparativement à quelques centaines de hertz pour les SCR standard.
  • Protection simplifiée:[ La capacité d'éteindre par la porte a permis un arrêt doux dans des conditions de défaillance, réduisant ainsi la dépendance à l'égard des fusibles rapides.
  • Taille et poids réduits du système :[ Sans circuit de commutation externe, les conceptions d'onduleur et d'hélico sont devenues plus compactes.
  • Efficacité améliorée:[ Les GTO maintiennent une baisse de tension faible (généralement de 1,5 à 3 V) semblable à celle des SCR, tout en offrant de meilleures performances dynamiques.

Applications des thyristors GTO

Les GTO sont devenus l'appareil de choix pour les onduleurs à haute tension (VSI) utilisés dans la traction ferroviaire, les gros moteurs industriels et les compteurs de VAR statiques. Le métro de Tokyo, les trains à grande vitesse européens et de nombreuses pelles minières ont fait appel aux onduleurs à base de GTO dans les années 1980 et 1990. Les GTO ont également permis le développement de la transmission à haute tension directe (HVDC) en utilisant la technologie du convertisseur de tension source (VSC), bien que leur adoption ait été plus tard dépassée par les IGBT. Malgré leurs avantages, les GTO ont eu besoin de circuits de number volumineux et à forte intensité énergétique pour contrôler le taux d'augmentation de tension (dV/dt) pendant le déclenchement, limitant leur efficacité à des niveaux d'énergie très élevés.

D'autres innovations : de GTO à des thyristors avancés

Reconnaissant les exigences de courant et de drague de la porte haute de GTO, les chercheurs ont développé plusieurs structures de thyristor améliorées dans les années 1990 et au début des années 2000. Ces dispositifs visaient à combiner les pertes de faible conduction d'un thyristor avec le contrôle simple et faible de la porte d'un transistor.

La porte intégrée a commuté Thyristor (IGCT)

L'IGCT, introduite par ABB en 1997, a intégré la puce GTO avec un circuit d'entraînement à portance basse à l'aide d'un seul paquet. L'innovation clé a été de monter le pilote de porte le plus près possible du thyristor et d'utiliser une impulsion de courant à portance très élevée (jusqu'à 4 kA pour un dispositif de 4 kA) pour obtenir un interrupteur uniforme. Cela a éliminé la nécessité d'un condensateur à bec volumineux, simplifiant de façon spectaculaire la conception du système.

Le thyristor de l'émitters (ETO)

Le thyristor ETO, développé à l'Institut Polytechnique de Virginie et à l'Université d'État, utilise un transistor MOS pour réduire l'émetteur d'un GTO pendant la mise en marche. Cet arrangement réduit l'exigence de courant de la porte de mise en marche à un petit signal MOS (quelques volts aux microampères) tout en maintenant le thyristor à faible baisse sur l'état. Les ETO ont été démontrés à des cotes allant jusqu'à 4,5 kV et 1 kA avec des fréquences de commutation au-dessus de 1 kHz. Leur avantage principal est le très simple entraînement de porte, semblable à une puissance MOSFET, combiné à la robustesse d'un thyristor.

Le Thyristor contrôlé par le MOS (MCT)

Le MCT, développé par General Electric et d'autres à la fin des années 1980, intègre deux transistors MOS (un canal N et un canal P) dans la structure du thyristor pour fournir un interrupteur et un interrupteur commandés par une porte. Le MCT est activé en appliquant une tension positive à la porte et éteint par une tension négative. En théorie, le MCT offre les pertes de conduction les plus faibles de tout semi-conducteur de puissance.

L'élévation des transistors bipolaires de porte isolée et au-delà

Alors que les thyristors avancés continuaient d'évoluer, le Transistor Bipolaire de Porte Insulée (IGBT) est devenu le semi-conducteur de puissance dominant à partir des années 1990. L'IGBT combine la porte à haute impédance, contrôlée par tension d'un MOSFET avec la tension de saturation basse d'un transistor bipolaire, offrant un entraînement de porte plus simple qu'un GTO et un changement plus rapide qu'un thyristor.

Les IGBT et leur rôle

Les IGBT sont maintenant utilisés dans pratiquement toutes les applications électroniques de puissance inférieures à 3,3 kV et à des niveaux de puissance modérés (jusqu'à quelques mégawatts).Ils dominent les entraînements de traction électrique des véhicules, les onduleurs solaires et la plupart des moteurs industriels.Les modules IGBT modernes intègrent plusieurs puces avec diodes intégrées dans un seul paquet, produisant des courants dépassant 3000 A et bloquant des tensions jusqu'à 6,5 kV. Cependant, l'IBGT a une baisse de tension sur l'état plus élevée qu'un thyristor, en particulier à des densités de courant élevées.

Comparaison avec Thyristors

Les IGBT ont, en revanche, une baisse de tension qui augmente avec la densité du courant. Pour un appareil de 4,5 kV, une IGBT peut avoir une baisse de tension de 1,5 V, tandis qu'une IGBT peut baisser de 2,5 V au même courant. Plus de 1000 Un courant moyen, cette différence de 1 V se traduit par 1 kW de pertes de conduction supplémentaires. Cependant, les IGBTs commutent plus rapidement (1-2 microsecondes) et nécessitent des commandes de porte plus simples, ce qui les rend préférables dans les applications de moyenne puissance et haute fréquence. Le choix entre thyristor et IGBT est dicté par les exigences spécifiques du système en matière d'efficacité, de complexité et de coût.

Matériaux modernes: carbure de silicium et thyristors au nitride de gallium

La prochaine vague d'évolution de la technologie du thyristor est alimentée par des semi-conducteurs à large bande, en particulier du carbure de silicium (SiC)[. Les thyristors SiC — y compris les GTO SiC et les ETO SiC — ont été démontrés avec des tensions de blocage supérieures à 20 kV et des températures de fonctionnement supérieures à 300 °C. Le gigant plus large de SiC (3.26 eV vs. 1.12 eV pour Si) permet de réduire la résistance à l'état de dérive beaucoup plus mince, tout en permettant des puissances de tension plus élevées. Les thyristors SiC sont prometteurs pour les applications de puissance pulsée, les systèmes HVDC avancés et les disjoncteurs à l'état solide.

Tendances futures des dispositifs semiconducteurs de puissance

L'évolution des thyristors des SCR aux dispositifs modernes de mise en marche des portes démontre une poussée constante vers une plus grande maîtrise, des pertes plus faibles et une plus grande robustesse. Les tendances futures indiquent l'intégration des conducteurs de portes et des circuits de protection directement dans le module de puissance, à l'instar de l'IGCT. Le développement des thyristors de blocage symétriques pour les commutateurs bidirectionnels sera critique pour les convertisseurs de matrices et les transformateurs à l'état solide. En parallèle, les matériaux à large bande étendent la gamme de tension et de fréquence où la conduction de thyristors est avantageuse. Les chercheurs explorent également les thyristors de superjonction et les dispositifs hybrides qui combinent les meilleurs aspects des MOSFET et des thyristors.

Depuis les débuts du SCR dans les années 1950 jusqu'à nos jours, les GTO SiC, la famille de thyristors, s'est continuellement adaptée aux exigences de l'électronique de puissance de plus en plus complexe. La capacité de gérer les courants et tensions extrêmes avec une perte de conduction minimale, garantit que les appareils à base de thyristors restent essentiels dans les applications de puissance de pointe, même à mesure que les technologies transistors avancent.