1 Thyristor

1.1 Principe et technologie

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

v     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).

v     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).

v     La couche de blocage de type N est épaisse (autour de 250 µm) et faiblement dopée.

v     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.

La fig.1.b donne le symbole du thyristor et définit les grandeurs électriques du composant.

Le thyristor est fabriqué à partir d'une plaquette de type N- formant la couche de blocage. Cette plaquette est recouverte sur ses deux faces de couches P puis on crée par diffusion la couche de cathode dans la couche de commande. La plaquette est ensuite taillée en biseau avec une largeur augmentant de l'anode à la cathode pour éviter l'amorçage d'arcs électriques.

On colle la plaquette sur une plaque de cuivre formant l'anode et on crée les connexions de cathode et de gâchette par soudage de fils souples. L'ensemble est enfin placé dans un boîtier.

1.2 Fonctionnment

1.2.1 Étude qualitative

v     si le verrou est enfoncé, il bloque la valve et le fluide ne peut circuler. La forme du verrou permet cependant son ouverture par la pression de la valve à partir d'une pression limite; la valve s'ouvre alors et le fluide circule de gauche à droite, égalisant la pression de part et d'autre de la valve.

En polarisation directe et sans commande de gâchette, le thyristor reste bloqué jusqu'à une valeur limite de la tension directe et le courant I_a est négligeable; au delà de cette tension, le thyristor devient passant, le courant circule de l'anode vers la cathode et la tension V_ak tombe à une valeur proche de 0.

v     si le verrou est tiré, la valve peut s'ouvrir même pour une faible pression et le fluide peut circuler. 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.

1.2.2 Théorie de l'avalanche locale

v     le blocage naturel : le thyristor étant amorcé, on supprime le courant de gâchette puis on fait décroître le courant IA jusqu'à une valeur critique appelée courant de maintien I_H ( H = Holding); on cesse d'injecter des porteurs dans la jonction Jc et celle-ci, polarisée sous une légère tension inverse, cesse d'être en avalanche et ne permet plus le passage du courant direct. Pour achever le blocage, il faut reconstituer la barrière de potentiel de la jonction en appliquant une tension V_ak négative

v; le blocage forcé : le thyristor étant amorcé, on applique une tension Vak négative; la jonction d'anode Ja se bloque alors et bloque la circulation du courant IA; la jonction de commande Jc n'est plus traversée par des porteurs et se bloque.

1.2.3 Caractéristiques statiques

Ø Caractéristique anode - cathode

 L'analyse faite ci-dessus permet de tracer la caractéristique statique IA(V_ak) pour diverses valeur du courant de gâchette.

v      en polarisation inverse : le thyristor est bloqué avec un courant IA négligeable. Lorsque la tension de claquage VRRM est atteinte, le courant augmente brusquement en valeur absolue et le thyristor est détruit. Dans ce cas, le courant de gâchette n'a aucune influence.

v      en polarisation directe :

è     pour un courant de gâchette nul, le thyristor reste bloqué avec un courant négligeable jusqu'à la tension de retournement V_BO. Pour cette tension, le thyristor s'amorce spontanément; la tension chute et le courant n'est plus contrôlé par le thyristor. Le thyristor reste amorcé tant que le courant est supérieur au courant de maintien I_H.

è     pour un courant de gâchette positif, le thyristor s'amorce dès que la tension devient positive.

On peut idéaliser le fonctionnement en supposant que le courant est nul lorsque le thyristor est bloqué; on obtient alors la caractéristique de la fig.6. 

Le thyristor a alors trois états :

Ø      état de blocage inverse (1) : condition d'état V_ak < 0 ; caractéristique d'état IA = 0

Ø      état de blocage direct (2) : conditions d'état V_ak > 0 et I_g = 0 ; caractéristique d'état IA = 0

Ø      état passant (3) : condition d'état IA > 0 ; caractéristique d'état V_ak = 0

Les commutations se font :

Ø      à la fermeture : de l'état de blocage direct à l'état passant par la commande de gâchette créant un courant I_g > 0.

Ø      à l'ouverture : de l'état passant à l'état de blocage inverse :

v     blocage naturel : annulation du courant puis polarisation inverse

v     blocage forcé : polarisation inverse provoquant la coupure du courant.

Ø Caractéristique de gâchette

La caractéristique statique de gâchette _Vgk ( I_g) est la caractéristique de la jonction de cathode Jk. Le mode de fabrication du thyristor fait que cette caractéristique présente une forte dispersion  pour les thyristors de même référence constructeur. On indique en général les caractéristiques extrêmes  et la caractéristique moyenne (fig.7):

Pour amorcer le thyristor, il ne suffit pas d'appliquer un courant de gâchette positif; il faut que ce courant soit suffisant pour créer l'avalanche locale de la jonction Jc. Dans le plan on définit quatre zones :

v     la zone d'amorçage impossible : pour tout point de fonction de Jk dans cette zone, tous les thyristors de la série ne s'amorcent pas

v     la zone d'amorçage aléatoire : pour tout point de cette zone limité par les valeurs I_GT du courant et V_GT de la tension, l'amorçage des thyristors de la série peut se produire pour certains, pas pour d'autres ou se produire irrégulièrement.

v     la zone d'amorçage sur : dans cette zone, tous les thyristors de la série s'amorcent régulièrement

v     la zone hors limite d'emploi : pour tout point hors des trois zones précédentes, la jonction Jk est détruite.

 

1.3 Limites d'emploi

Les valeurs limites d'emploi sont désignées suivant la norme employée pour la diode.

Ø      dans l'état de blocage inverse : la courant est quasi nul donc les limites proviennent uniquement de la tenue en tension de la jonction Ja. On définit :

v     V_RRM = tension inverse répétitive maximale ( Reverse Repetitive Max)

v     V_RSM = tension inverse accidentelle maximale ( Reverse Surge Max)

Ø      dans l'état de blocage direct : le courant et quasi nul et la limite de cet fonctionnement est la tension de claquage de la jonction Jc appelée V_DRM = tension directe répétitive maximale (Direct Repetitive Max)

Ø      dans l'état passant, la limite d'emploi vient du courant maximal dans le thyristor

v     I_FAV = I_TAV = courant direct moyen maximal ( Forward Average)

v     I_FRMS = I_TRMS = courant direct efficace maximal ( Forward Remote Mean Square)

v     I_FSM = I_TSM = courant direct accidentel pendant 10 ms ( Forward Surge Max)

v     I^²t : contrainte thermique maximale en A².s permettant le choix du fusible de protection qui doit avoir une contrainte thermique inférieure à celle du thyristor

A ces caractéristiques limites, il faut ajouter les limitations imposées par la gâchette :

v     V_GM : tension directe maximale entre gâchette et cathode

v     I_GM : courant direct maximal de gâchette

v     P_GM : puissance maximale que peut dissiper la gâchette

Nous devons ajouter des valeurs caractérisant le fonctionnement:

v     V_GD : pour Vgk < V_GD l'amorçage est impossible

v     V_GT : pour Vgk > V_GT l'amorçage est certain

 v I_GD : pour Ig < I_GD l'amorçage est impossible

v     I_GT : pour Ig > I_GT l'amorçage est certain

v     V_F = V_T : chute de tension directe entre anode et cathode à l'état passant

v     r_T : résistance dynamique à l'état passant

v     I_H : courant de maintien

v     IL : courant d'accrochage

Par exemple pour un thyristor SKT 230 / 06, nous avons :  V_RRM = V_DRM = 1 kV ; V_RSM = 1,1 kV ;

I_FAV =230 A ; I_FRMS = 600 A ; I_FSM = 4000 A pendant 10 ms ; I^²t = 180 000 A^².s ; V_GD = 0,25 V ; V_GT = 3 V I_GT = 200 mA ; V_F = 1,1 V ; r_T = 1,1 mW ; I_H = 250 mA ; IL = 600 mA

Nous voyons qu'un thyristor est un composant pouvant contrôler une forte puissance et admettre de forte surintensités accidentelles (I_FSM = 17. I_FAV ).

Le circuit de commande de gâchette consomme une puissance négligeable devant celle commandée (V_GT . I_GT = 0,6 W).

1.4 Commutations

1.4.1 Amorçage

Étudions le montage ci-contre :

 

Le thyristor est alimenté par une tension continue E en série avec une charge passive; il est commandé entre gâchette et cathode par le générateur d'impulsions e_g en série avec la résistance R_g.

Fermeture sur résistance La charge est formée d'une résistance pure R Nous supposons que pour t < 0, le courant de gâchette est nul et que le thyristor est bloqué . Nous avons donc IA = 0 et vak = E
A t = 0, la tension de commande eg devient positive et la jonction Jk devient passante; les formes d'ondes de ig et vgk sont celles d'une jonction en commutation : il faut pour débloquer la jonction décharger la capacité CT de la zone de transition et charger la capacité de stockage Cs correspondant à l'injection des porteurs majoritaires. Le courant ig croît brusquement par effet capacitif puis se stabilise à la valeur de régime permanent; la tension vgk croît progressivement jusqu'à la tension de régime passant de l'ordre de 1 à 2 volts.
Lorsque la jonction Jk est passante, l'injection des porteurs va provoquer l'avalanche de la jonction Jc; le thyristor s'amorce : la tension vak décroît et le courant IA croît; nous avons E = vak + R.ia

Le temps de fermeture se mesure sur la tension v_ak :

v     le temps de retard à la fermeture t_d est le temps mis par v_ak pour décroître de la tension de blocage E à 90 % de E.

v     le temps de montée t_r ( montée du courant) est le temps mis par v_ak pour passer du niveau 90% de E au niveau 10 % de E.

v     le temps d'amorçage par la gâchette t_gt (Gate Turn on)est la somme de ces deux temps.

Le temps d'amorçage dépend de la tension de blocage et du courant de gâchette; il varie de 200 à 500 ns.

Pour assurer un amorçage rapide et sur, il est recommandé d'appliquer un courant de gâchette de l'ordre de 3 à 5 fois la valeur I_GT durant un temps au moins égal àt_gt. Lorsque le courant d'anode est établi, nous pouvons annuler i_g en gardant le thyristor passant.

Au début de l'amorçage la zone en avalanche de Jc est de faible surface au voisinage de la gâchette; pour ne pas échauffer dangereusement cette zone, nous devons limiter le courant qui y passe donc limiter la vitesse de croissance du courant di  / dt à une valeur maximale de l'ordre de 100 à 500 A par µs.

Fermeture sur charge inductive La charge est formée d'une résistance pure R en série avec une inductance L Nous supposons que pour t < 0, le courant de gâchette est nul et que le thyristor est bloqué . Nous avons donc IA = 0 et vak = E
La vitesse de croissance du courant va être limitée par l'inductance. A l'amorçage, la tension va décroître rapidement et le courant augmenter progressivement.

La durée t_p de l'impulsion de commande doit être suffisante pour que le courant ait le temps d'atteindre la valeur d'accrochage I_L ( fig.10, courbe en trait plein). Si ce n'est pas le cas, le thyristor se bloque en t_p (courbe en pointillés).

1.4.2 Blocage

Ouverture Pour t < 0, nous supposons que le thyristor est passant avec un courant de gâchette nul : vak = VT » 1 V ;IA = I = Cste ; ig = 0.
A partir de t = 0, nous faisons décroître le courant IA avec une pente dia / dt imposée pour arriver au blocage confirmé par une tension vak = - E' négative. Le moyen utilisé pour faire diminuer le courant sera décrit dans la suite.
v     de 0 à t1, les jonctions Ja et Jc restent passantes, le courant IA est positif et la tension vak reste constante.
v     de t1 à t2, la jonction Ja recouvre son pouvoir bloquant; le courant IA devient négatif et atteint la valeur - Irr ( Reverse yecovrery). La tension vak s'annule progressivement. Les porteurs injectés dans Jc sont piégés dans le thyristor.
v     de t2 à t3, le courant IA s'annule progressivement au fur et à mesure des recombinaisons des porteurs piégés. Le changement de pente de IA crée une surtension négative Vrr aux bornes du thyristor.
v     de t3 à t4, le courant IA finit de s'annuler et la tension vak revient au niveau imposé de blocage -E'. Le temps mis par IA pour devenir nul est appelé temps de recouvrement inverse trr.
v     de t4 à t5, le courant IA est nul mais il y a toujours des porteurs piégés dans la jonction de commande Jc; celle-ci n'a pas recouvré son pouvoir bloquant. Il faut attendre la recombinaison complète de ces porteurs pour pouvoir appliquer une tension positive tout en gardant le thyristor bloqué. La valeur minimale de ce temps t5 - t2 est appelée temps de désamorçage tq. Ce temps varie de 2 à 100 µs suivant la "rapidité" du thyristor. Sur la fig.11, les courbes en trait plein correspondent au fonctionnement correct avec t5-t2> tq; les courbes en pointillés correspondent à t5 - t2 < tq ; dans ce cas, dès que vak redevient positive, le thyristor s'amorce spontanément et le courant IA redevient positif.

Un autre phénomène peut provoquer l'amorçage spontané : lorsque le tension directe croît avec une pente

dv / dt imposée, la jonction Jc bloquée supporte la tension; sa zone de transition s'élargit et il se crée un courant C_T.dv / dt dans cette zone. Si la vitesse de croissance est trop grande, ce courant peut provoquer le claquage de la jonction, comme si on avait appliqué un courant de gâchette. Il faut donc rétablir la tension directe avec une pente limitée à une valeur (dv / dt) max de l'ordre de 10 à 1000 V / µs suivant la "rapidité" du thyristor.

Pour bloquer de façon sure un thyristor, il faut :

è    annuler le courant IA

è    appliquer une polarisation inverse et la maintenir pendant un temps au moins égal au temps de désamorçage t_q

è    rétablir la tension directe avec une pente inférieure à (dv /dt)_max

1.5 Circuits de commande

1.5.1 Amorçage

A chaque amorçage, le circuit de commande entre gâchette et cathode doit fournir une impulsion de courant d'amplitude au moins égale à I_GT et de durée supérieure à t_gt. Suivant le mode d'utilisation du thyristor, le circuit de commande doit :

Ø      pour une utilisation du thyristor en redressement : synchroniser les impulsions de commande sur le réseau alternatif et créer un retard variable entre l'instant où v_ak devient positive et celui où on amorce le thyristor.

Ø      pour une utilisation du thyristor dans un hacheur ou un onduleur : créer un retard variable sur une période du signal de référence fixant la fréquence du convertisseur.

Le circuit de commande rapprochée doit amplifier en courant le signal issu de l'électronique de commande et le transmettre au thyristor avec isolement galvanique. Le montage le plus couramment utilisé est représenté sur la fig.12.

L'électronique de commande fournit le signal e_com amplifié en courant par le transistor T; le transformateur d'impulsions Tr réalise l'isolement galvanique et éventuellement l'adaptation en tension. La résistance R_g fixe le courant de gâchette et la diode D2 protège la jonction Jk en inverse; la résistance R'_g ferme le circuit de gâchette lorsque D2 est bloquée pour éviter les amorçages parasites. Les diodes D1 et Dz servent à démagnétiser Tr après transmission de l'impulsion.

Pour dimensionner le circuit, nous devons

Ø      relever les caractéristiques du thyristor : le courant à fournir doit être de l'ordre de 3 à 5 I_GT sous une tension supérieure à V_GT sur une durée de 2 à 5 t_gt. Prenons par exemple un thyristor tel que I_GT = 80 mA,  V_GT = 3 V et une durée d'impulsion t_p = 1 ms.

Ø      choisir le transformateur en fonction du courant à fournir; dans l'exemple, en prenant i_g = 4.I_GT = 320 mA, nous pouvons choisir un transformateur d'impulsions Schaffner de référence IT 364. Ce transformateur a un rapport de transformation égal à 1 et une produit "E.t" = 5 000 V.µs; ce produit représente la surface maximale de l'impulsion que l'on peut transmettre.

Ø      choisir la tension d'alimentation et le mode de commande : en tenant compte de la chute de tension dans D2, pour avoir une tension de gâchette au moins égale à V_GT = 3 V, la tension secondaire du transformateur doit être supérieure à 4 V. Le rapport de transformation étant de 1, la tension primaire, égale à V_cc lorsque le transistor est saturé, doit être supérieure à 4 V et inférieure à la tension V_GM du thyristor. Nous pouvons prendre par exemple V_cc = 15 V.

La surface de l'impulsion à transmettre est donc V_cc.t_p = 15.0,001 = 15 000 V.µs; cette valeur étant supérieure au produit E.t du transformateur choisi, nous devons découper le signal de commande en un peigne d'impulsion, c'est à dire en une succession de niveaux hauts et bas. La durée maximale à l'état haut est E.t / V_cc = 333 µs; pour un signal de rapport cyclique 0,5, la période maximale sera de 666 µs donc la fréquence minimale du peigne de 1500 Hz; nous pouvons prendre 5 kHz.

Ø      calcul des composants : le courant dans la résistance R'_g est choisi de l'ordre de 0,1.I_g soit 40 mA. Pour le courant de gâchette choisi, v_gk est de l'ordre de 2.V_GT soit 6 V. La résistance R'_g est donc 6 / 32 = 0,19 kW soit 220 W. Le courant dans Rg est donc 352 mA; nous en déduisons R_g = ( V_cc - V_d2-V_gk) / 0,352 = 22 W; nous prendrons une résistance 22 W / 3 W.

Le courant primaire du transformateur est de 352 mA. La diode zéner doit avoir une tension de claquage de 15 V pour que la démagnétisation se fasse sous - 15 V donc sous la tension opposée à celle de magnétisation; on est ainsi sur de démagnétiser complètement le transformateur à chaque impulsion. Quand la zéner conduit, le transistor supporte la tension V_cc + V_z soit 30 V.

Nous pouvons choisir un transistor 2N2219 pour lequel I_cmax = 800 mA et V_cemax = 40 V.

Avec un gain forcé de 50, le courant de base sera I_b = 352 / 70 = 7 mA; si le signal de commande a un niveau haut de 5 V, nous aurons Rb = ( 5 -0,7) / 7 = 614 W; nous prendrons 560W.

1.5.2 Blocage

Dans les circuits redresseurs, le courant s'annule périodiquement sur charge résistante et la tension s'inverse à chaque alternance; le blocage des thyristors n'a pas besoin d'être commandé; en revanche dans les montages hacheurs ou onduleurs, il faudra prévoir un dispositif de blocage car le courant ne s'annule pas naturellement et / ou il n'y a pas de source de polarisation négative.

Ces dispositifs utilisent généralement la charge d'un condensateur à travers une inductance pour soit :

Ø      dériver le courant direct du transistor et provoquer son blocage naturel; on dira que l'on fait un blocage en courant

Ø      appliquer une polarisation négative pour provoquer le blocage forcé; on dira que l'on fait un blocage en tension

Nous étudierons des exemples de ces circuits lors de l'étude des convertisseurs à thyristors.

 

1.5.3 protections

Pour protéger le thyristor et avoir un fonctionnement sur, nous devons :

v     limiter la tension maximale à V_RRM en polarisation inverse et V_DRM en polarisation directe.

v     limiter le courant direct maximal

v     limiter lors de la fermeture la vitesse de croissance du courant à la valeur (di/dt)_max

v     limiter lors de l'ouverture la vitesse de croissance de la tension directe à la valeur (dv/dt)_max

Ø Protection en courant

Le thyristor pouvant supporter des courants de surcharge I_TSM élevés pendant 10 ms, sa protection en courant peut être assurée par un fusible rapide. Ce fusible doit avoir une contrainte thermique I^².t inférieure à celle du thyristor et un temps de fusion inférieur à 10 ms. Les fusibles de type prothystor sont adaptés à cette utilisation.

La protection en di /dt est assurée par une inductance L de quelques µH placée en série avec le thyristor. Si V_D est la tension de blocage direct, le courant augmente lors de l'amorçage avec une pente V_D/ L, valeur qui doit être inférieure à (di/dt)_max .

Ø Protection en tension

Pour protéger le thyristor contre les surtensions parasites venant de l'alimentation, nous pouvons utiliser des circuits écrêteurs tels des VDR.

La protection en dv / dt est généralement assurée par un circuit R-C placé en parallèle avec le thyristor suivant le schéma ci-dessous :

Supposons que le montage est au repos pour t < 0 : le thyristor est bloqué, toutes les tensions et tous les courant sont nuls.

A partir de t = 0, le générateur e applique un échelon de tension au circuit : e(0⁺) = E et nous supposons que Th reste bloqué.

Nous avons IA = 0 ; i' = j = C.du / dt ; E = u + R.j + L.dj/dt.

En posant a = R /2.L et w_o = 1/Ö(L.C), il vient . Pour éviter l'apparition d'oscillations parasites, plaçons nous en régime d'amortissement critique soit a = w_o ; la solution de l'équation est alors de la forme : ; nous en déduisons l'expression du courant :

Les conditions initiales u = 0 et j = 0 donnent B= -E et A = -a.E soit

 ;  ;

La vitesse de croissant maximale de v_ak est obtenue en t = 0 et vaut dv_ak / dt = a^².R.C.E soit dv_ak / dt = R.E/L.

Par exemple pour E = 200 V ; L = 100 µH ; (dv/dt)_max = 400 V / µs, nous devons R < 200 W. Si nous prenons R = 150 W, nous avons a = 0,75.10⁶ s^-1 ; la condition a = w_o = 1/Ö(L.C) donne C = 18 nF.

Lorsque le régime permanent est atteint, le condensateur est chargé sous la tension E.

Envisageons le fonctionnement lorsqu'on amorce le thyristor. Après amorçage la tension v_ak devient nulle et le circuit R-C se décharge dans le thyristor ; cette décharge dure environ 5.R.C et crée une pointe de courant égale à E / R. Avec les valeurs de l'exemple, la décharge dure 2,7 µs et crée un courant de décharge maximal de 1,33 A.

Cette pointe de courant a deux effets :

Ø; le premier nuisible en augmentant la vitesse de croissance du courant direct; ceci impose de limiter la pointe à quelques ampères.

Ø      le deuxième utile en facilitant l'amorçage sur charge inductive, la pointe de courant permet d'atteindre rapidement le courant d'accrochage.

Ce réseau R-C est le plus souvent ajouté aux montages à thyristors afin d'éviter les amorçages intempestifs et de faciliter l'amorçage. Certaines notices constructeurs indiquent comment choisir ces composants de protection.

2 Triac

2.1 Principe

Le thyristor permet la conduction d'un courant direct uniquement; si nous voulons un interrupteur commandé réversible en courant, nous devons associer deux thyristors tête-bêche (fig.1.a). L'inconvénient du dispositif est d'exiger deux circuits de commande isolés pour les deux gâchettes. Pour éviter cela, on peut intégrer les deux thyristors sur la même plaquette en utilisant un seul circuit de commande; on obtient alors un triac ( fig.1.b).

Les trois électrodes sont appelées :

v     anode 1 ( A1) : anode du thyristor Th1 qui conduit un courant i < 0

v     anode 2 (A2) : anode du thyristor Th2 qui conduit pour i > 0

v     gâchette : électrode de commande entre A1 et G.

La caractéristique statique V(I) du triac s'obtient en combinant celles des deux thyristors.

Ø      en polarisation v < 0 : Th1 est en polarisation directe et Th2 en polarisation inverse; en l'absence de commande les deux thyristors sont bloqués jusqu'à ce que l'on atteigne la tension de retournement V_BO de Th1. La création d'un courant de gâchette amorce Th2 , rendant le triac passant

Ø      en polarisation directe v > 0 : le fonctionnement est identique en permutant les rôles de Th1 et Th2.

 

2.2 Commutations

2.2.1 amorçage

La fig.3 représente la structure interne du triac :

Les couches P2-N2-P1-N1 forment le thyristor Th1 en partant de l'anode vers la cathode; les couches P1-N2-P2-N3 forment de même le thyristor Th2.

Ø      en polarisation inverse ( v < 0) : la jonction J2 est bloquée alors que J3 est passante.

v     créons un courant i_g > 0 : ce courant injecte des trous minoritaires dans la jonction J4; la jonction étant polarisée en inverse, ces trous la traversent et atteignent la jonction J3 pour la quelle ils sont des porteurs majoritaires; la polarisation directe de J3 injecte les porteurs majoritaires dans la zone N2 où il diffusent vers J2; pour cette jonction ils sont des porteurs minoritaires; le champ électrique dans J2 bloquée propulse les trous à travers cette jonction, provoquant son claquage comme le courant de gâchette d'un thyristor.

Un courant de gâchette positif peut donc amorcer le triac polarisé sous tension inverse.

v     créons un courant i_g < 0 : ce courant injecte des trous dans la couche P2 en se fermant à travers la jonction J4 parcourue par un courant direct. Ces trous majoritaires pour la jonction J3 passante peuvent la traverser donc être injectés dans la couche N1; devenant alors minoritaires dans cette couche, ils sont accélérés à travers J2 bloquée et provoquent le claquage de J2 donc la mise en conduction du triac.

Un courant de gâchette négatif peut donc amorcer le triac polarisé sous tension inverse.

 Ø      en polarisation directe ( v > 0) : les jonctions J1 et J3 sont bloquées alors que J2, J4 et J'4 sont passantes.

v     créons un courant i_g > 0 : les électrons injectés par ce courant dans la couche P2 par la jonction J'4 sont captés par la jonction J3 polarisée en inverse et provoquent sa mise en avalanche; le triac s'amorce comme un thyristor.

Un courant de gâchette positif peut donc amorcer le triac polarisé sous tension directe.

v     créons un courant i_g < 0 : le courant de gâchette passant par J4 injecte des électrons dans la couche P2; ces électrons sont captés par la jonction J3 bloquée où ils sont minoritaires; l'accélération de ces électrons par le champ électrique dans J3 provoque le claquage de J3 et l'amorçage du triac.

Un courant de gâchette négatif peut donc amorcer le triac polarisé sous tension directe.

Le triac peut donc être amorcé indifféremment par un courant de gâchette positif ou négatif quelle que soit sa polarisation; les modes décrits précédemment se nomment :

v     mode I : amorçage par un courant de gâchette positif sous polarisation directe.

v     mode II : amorçage par un courant de gâchette négatif sous polarisation directe.

v     mode III : amorçage par un courant de gâchette négatif sous polarisation inverse.

v     mode IV : amorçage par un courant de gâchette positif sous polarisation inverse.

Tous les modes ne sont pas équivalents : le mode I demande le plus petit courant de gâchette et présente l'amorçage le plus simple à réaliser. Viennent ensuite le mode III puis à égalité les modes II et IV; pour les composants les plus récents les quatre modes permettent un amorçage sur alors que pour les plus anciens seuls les modes I et III sont utilisés en pratique.

2.2.2 blocage

Le seul moyen de bloquer un triac est de bloquer naturellement le thyristor passant (Th2 en direct et Th1 en inverse) en faisant décroître son courant en dessous de la valeur de maintien I_H. Le blocage forcé par inversion de la tension v est impossible : en raison de la symétrie du composant on mettrait en conduction l'autre thyristor et on inverserait le courant.

2.3 Comparaison avec le thyristor

Le triac peut être utilisé pour commander des puissances moyennes : 800 V au blocage et 50 A en conduction; au delà, il faut utiliser deux thyristors tête-bêche.

Le triac a l'avantage de n'avoir qu'un circuit de commande pour les deux sens de conduction.

Il a l'inconvénient d'être plus lent que le thyristor :

v     temps de désamorçage t_q plus grand

v     faible vitesse de croissance de la tension (dv /dt)_max : quelques volts par µs. L'utilisation d'un circuit R-C est indispensable pour éviter les amorçages intempestifs.

3 Thyristor bloquable par la gâchette ou GTO

3.1 Principe

Le thyristor a l'avantage de pouvoir contrôler de puissances élevées avec une commande consommant une faible puissance. Il a l'inconvénient d'être lent particulièrement au blocage et ne pas être commandé par la gâchette à l'ouverture; dans tous les montages où le thyristor ne fonctionne pas en blocage naturel, la nécessité d'inclure des circuits de blocage forcé complique l'exploitation.

Le thyristor blocable par la gâchette ou GTO pour Gate Turn Off permet de pallier ces défauts.

La structure est semblable à celle du thyristor et peut être modélisée par deux transistors T de type PNP et T' de type NPN.

Le courant rentrant dans l'émetteur de T est IA; celui sortant du collecteur de T est donc a.i_a, a étant le rendement quantique de T. Le courant sortant de la base de T est i_b = IA(1- a). Le courant sortant de l'émetteur de T' est i_k; le courant collecteur de T est donc a '.i_k et son courant de base i'_b= i_k.(1- a ').

La structure impose  i_b = IA(1- a) = a '.i_k et  i'_b = i_k.(1- a ') = i_g + a.i_a.

Ø      le GTO étant en polarisation directe (v > 0), les transistors sont polarisés en direct.

La création d'un courant de gâchette positif crée un courant de base dans T donc un courant collecteur proportionnel dans T; le courant de base résultant dans T', crée un courant proportionnel dans l'émetteur qui alimente à son tour la base de T'. Le phénomène cumulatif décrit pour le thyristor amène rapidement T et T' en saturation; le GTO est alors amorcé avec une tension v proche de 0 et un courant IA fixé par le circuit extérieur.

Ø     Coupons alors le courant de gâchette; on a i_k.(1- a ') = a.i_a et IA = i_k donc a + a ' = 1; les valeurs des rendements quantiques à prendre en compte sont les valeurs en saturation plus faibles qu'en régime linéaire.

Ø     Pour bloquer le GTO, il faut rompre la relation a + a ' = 1; pour cela, on va dériver vers la gâchette le courant collecteur de T et le courant de base de T'.

Les relations IA(1- a) = a '.i_k et i_k.(1- a ') = ig + a.i_a donnent i_g = (1 - a - a ' )IA / a ' = - IA / G. Comme a + a ' > 1 dès que la saturation est rompue, le courant de gâchette doit être négatif. G a une valeur de l'ordre de 5 à 10 donc ig est de l'ordre de -0,1.i_a à -0,2.i_a.

L'extraction d'un courant de gâchette négatif permet le blocage du GTO.

Blocage

lorsque le GTO est amorcé, le courant passe de l'anode de la cathode suivant les lignes de courant dessinées fig.5.a. La tension vg est quasi nulle ainsi que le courant ig, le courant d'anode est continu de valeur I.

A t = 0, nous créons un courant de gâchette négatif pour bloquer le GTO. Ce courant doit atteindre en valeur absolue la valeur I/G de l'ordre de 10 à 20 % de I pour démarrer la phase de blocage; pour un blocage rapide , ig doit varier avec une forte pente de l'ordre de -10 A / µs. A l'instant t1 pris comme référence pour les temps de blocage, le courant ig atteint en valeur absolue 10 % de sa valeur maximale.

v     Dans la première phase de blocage ( fig.5.b) une partie du courant I est dérivée vers la gâchette mais il continue de circuler un courant entre anode et cathode; en t2, le courant i a décru jusqu'à 90 % de sa valeur initiale I. La durée t2 - t1 est le temps de stockage ts. Durant cette phase, de 100 % à 90% du courant I passe dans un étroite zone entre anode et cathode; la chute de tension importante qui en résulte polarise en inverse la jonction entre la couche P et la couche N de cathode. Cette polarisation peut entraîner le claquage de la jonction et empêcher le blocage du GTO car la gâchette n'extrait plus le courant d'anode mais le courant d'avalanche de la jonction. Pour éviter cela, on doit fractionner les îlots de cathode et de gâchette : la couche N de cathode est fractionnée en îlots séparés par des îlots P+ reliés à la gâchette (structure interdigitée de cathode); ceci permet de mieux répartir les lignes de courant dans tout le composant et d'éviter le claquage de la jonction.

v     dans la deuxième phase de blocage, le courant i diminue de 90% de I à 10 % I; la durée de cette phase t3-t2 est le temps de descente tf. Le courant de gâchette diminue en valeur absolue, proportionnellement à i.

v     dans la troisième phase, le courant de cathode est nul; il subsiste un courant entre anode et gâchette i = - ig. Ce courant finit d'extraire les porteurs piégés dans la zone P reliée à l'anode. Nous dirons que le GTO présente au blocage une queue de courant. le blocage se termine en t4 pour i = 0; le temps t4 - t3 est appelé temps de traînage tt.

La forme d'onde de la tension v dépend de la nature de la charge :

v     pour une charge purement résistante R en série avec un générateur continu E, on a v = E - R.i et la variation de la tension est imposée par celle du courant

v     pour une charge inductive avec diode de roue libre, alimentée sous la tension continue E, dès que le courant i décroît, la diode de roue libre conduit pour assurer la continuité du courant dans la charge donc la tension v remonte rapidement à la valeur E dès la fin du temps de stockage; on a alors une commutation dure et le GTO dissipe une forte puissance lors de l'ouverture. Il faudra utiliser un circuit d'aide à la commutation comme avec un transistor.

Pour diminuer la durée de la queue de courant, phénomène qui allonge fortement le temps d'ouverture, on peut modifier la structure du GTO en diffusant des îlots N+ dans la couche P de cathode, appelés courts-circuits d'anode ( fig.6).

La queue de courant est due aux porteurs piégés dans la couche P d'anode après blocage de la jonction de commande; avec la structure modifiée, les trous piégés sont éliminés par la gâchette et les électrons par un courant entre les îlots N+ et la couche P d'anode.

La création des îlots N+ court-circuite la jonction couche P d'anode - zone centrale N qui permettait au GTO de bloquer le courant sous tension inverse. La structure modifiée, polarisée en inverse, se comporte comme une résistance; le GTO conduit donc en inverse un courant proportionnel à la tension avec une forte dissipation d'énergie. La tension inverse maximale doit être limitée à une dizaine de volts pour ne pas détruire le composant.

3.2 Circuits de commande

La commande du GTO doit être conçue comme une commande de transistor bipolaire que comme celle d'un thyristor.

La fig.7 donne un exemple de circuit :

Ø      fermeture : appliquons en entrée un signal e_c positif provoquant la saturation du transistor T donc la création d'un courant de gâchette positif. Pour assurer une fermeture rapide, il faut créer, grâce au circuit RC, une pointe de courant de l'ordre de 5 à 6 fois la valeur limite I_GT du courant de gâchette (fig.8). Il faut ensuite maintenir un courant légèrement supérieur à  pour diminuer la chute de tension directe à l'état passant; en effet la structure interne du GTO rend le maintien en avalanche de la jonction de commande plus difficile que pour un thyristor.

Ø      ouverture : appliquons un signal de commande négatif pour saturer le transistor T' et créer ainsi un courant de gâchette négatif. Pour un blocage rapide, le courant de gâchette doit atteindre rapidement une valeur de 5 à 6 fois -I_GR = - I_A / G puis doit être maintenu à une valeur inférieure à - I_GR durant tout le blocage.

Avant de pouvoir appliquer une tension positive, il faut être sur que le blocage est terminé sinon un ré-amorçage intempestif peut détruire le GTO. Il faut également limiter la vitesse de croissance (dv/dt)max à une valeur de l'ordre de 500 à 1 000 V/µs. Le circuit d'aide à la commutation R' - C' - D' permet de retarder la montée de la tension sur charge inductive tout en contrôlant sa vitesse de croissance.

Le GTO est un interrupteur commandé dont l'utilisation est limité au contrôle de charges de très forte puissance, au moins 10 kW, sous tension élevée, au moins 800 V. Sa fréquence de fonctionnement est limitée à environ 50 kHz.