thyristor et triac

introduction

Dans cette suite de chapitres nous allons traiter des composants pour les applications de puissance et en fin de cet ensemble nous introduirons quelques unes d'entre elles. Il ne s'agit cependant pas ici d'un cours exhaustif sur l'électronique de puissance mais d'une introduction visant, d'une part, à inciter le lecteur véritablement interessé à se connecter sur des sites plus spécialisés et, d'autre part, le lecteur plus concerné par les capteurs et l'instrumentation à cependant posséder le minimum de connaissances de l'homme cultivé du 21ème siècle sur cet important domaine qu'est l'électronique de puissance.

L'époque moderne de l'électronique de puissance commença avec l'introduction du thyristor à la fin des années 50. Aujourd'hui il y a plusieurs familles de composants dévolus aux applications de puissance et de très haute fréquence, on citera les thyristors GTO (gate turn-off thyristor), les transistors Darlington, les MOSFETs de puissance et les IGBTs (insulated gate bipolar transistor). Ces composants qui sont le plus souvent les éléments les plus importants d'un dispositif de puissance sont souvent utilisés en "interrupteurs" commandés pour convertir une forme de puissance électrique en une autre. Les principales applications concernent effectivement les alimentations de puissance, les alimentations ininterruptibles, la transmission de haute tension continue, le chauffage par induction (four à micro-ondes) et nombre d'applications de conversion de puissance destinées à alimenter les machines électrotechniques (moteurs, etc...) vues par ailleurs. Nous consacrerons une page à chacune de ces familles.

thyristor

Le thyristor qu'on appelle aussi SCR (silicon controlled rectifier) dans les pays anglo-saxons est un dispositif basé sur un empilement de quatre zones alternativement p et n constituant donc une suite de trois jonctions pn. Il comporte trois électrodes respectivement dénommées anode, cathode et gate (ou gâchette et parfois grille) et le terme français gâchette est particulièrement significatif du fonctionnement de ce dispositif.

....

En fait on s'aperçoit qu'il est possible de connecter la gâchette en deux endroits différents on aura donc deux types possibles de thyristors dont les fonctionnements seront voisins quoique pilotés par des signaux de contrôle différents puisqu'appliqués sur des zones de type différent, ce qui est schématisé sur la figure ci-dessous, en fait c'est le type du haut qui est le plus exploité.

En appliquant une courte impulsion sur le gate (entre gate et cathode) on injecte un grand nombre de porteurs localement ce qui modifie sensiblement la hauteur de la barrière de potentiel et va donc rendre le dispositif conducteur (turn on), un peu comme dans un transistor. Mais la différence essentielle, résultant de l'existence d'une jonction supplémentaire, c'est qu'à partir de cet instant la gâchette n'a plus aucun rôle. On décrit souvent le thyristor avec une image empruntée à la plomberie en disant qu'il est équivalent à une chasse d'eau. Tant qu'on n'a pas tiré la manette rien ne se passe et une fois qu'elle est tirée on ne peut plus arrêter l'écoulement. Pour interrompre le processus de conduction du thyristor, une fois qu'il est enclenché, il n'y a qu'une solution : c'est inverser le sens du courant et alors la troisième jonction pn qui va se trouver polarisée en inverse va effectivement, comme dans une diode, bloquer tout passage du courant (à l'exception du microcourant inverse typique d'une jonction pn). En conséquence le diagramme caractéristique d'un thyristor sera celui ci-dessous.

On remarquera que selon l'importance du courant de gâchette la valeur de la tension directe pour laquelle se produit le déclenchement est différente.

On imagine qu'il sera donc aisé de piloter précisément l'instant de déclenchement quand le thyristor sera soumis entre anode et cathode à une tension sinusoïdale et donc de contrôler la puissance mise en jeu dans le dispositif en série avec ce thyristor.

On caractérise en fait les deux types de thyristors selon leur temps de commutation : celui qu'on appelle "converter grade" (direct) et celui spécifié "inverter grade" (inverse) dont le temps de basculement est plus court (quelques microsecondes). Le premier type sera réservé aux applications de commutation lentes (contrôle de phase) tandis que le plus rapide va être exploité dans les choppers et les alimentations et sera généralement associé à des composants spécifiques pour le piloter. Notons que la chute de tension directe dans un thyristor est modérée et, même pour des composants acceptant des courants de 500A et plus, elle ne dépassera pas 3V. Cela va cependant induire des effets thermiques non négligeables se traduisant par une détérioration des caractéristiques et donc, de facto, une limitation en fréquence. En fait, la variation de température dépend de di/dt et si celle-ci dépasse un certain seuil le thyistor sera tout simplement détruit. La fréquence limite d'emploi d'un thyristor est sensiblement plus faible que celle d'autres composants plus récents et il faut noter en outre une certaine réactivité en fonction de la variation dv/dt de la tension qui lui est appliquée. Si celle-ci dépasse un certain seuil le thyristor va s'amorcer tout seul sans même que l'on applique d'impulsion de déclenchement sur le gate. Technologiquement les limites actuelles se situent vers 6000V de tension d'avalanche et 3500A pour le courant direct. Au dela de ces limites les dimensions du thyristor ne seraient plus réalistes.

commande de gâchette

Nous donnons ci-dessous quelques éléments définissant la plage convenable de commande de la gâchette pour obtenir un déclenchement du thyristor sans risque de destruction de celui-ci. On notera que la technologie mise en oeuvre dans le boitier d'un thyristor a pour effet de limiter au maximum la résistance thermique et donc de faciliter au mieux l'évacuation des calories dissipées tant au niveau de la gâchette que de la jonction en inverse.

Triac

Fonctionnellement un triac est équivalent à deux thyristors montés tête-bêche mais réalisés en un seul composant intégré. Cette intégration se traduit par une détérioration des performances impliquant de l'employer avec de faibles dv/dt et à des fréquences elles aussi très faibles, typiquement en 50Hz presque exclusivement.

La caractéristique est évidemment symétrique.

Dans le prochain chapitre on va examiner les montages types pour piloter un thyristor ou un triac.

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	4 pages à l'impression			version initiale 2002
	INFORMATION				dernière mise à jour 18 mars 2013

introduction	les composants des alim de puissance
le thyristor classique	le plus vieux
commande théorique de gâchette	comment obtenir l'amorcage
triac	un double thyristor
		une collection d'icônes pour visiter tout le site