Characteristics of Main Power Semiconductor Devices in Relationship with their Drivers
Caractéristiques des composants à semi-conducteur de puissance en vue de leur commande
Résumé
This article describes the electrical characteristics of the main power semiconductor devices, in relationship with their drivers. The possible effects of the driving circuits on the power semiconductor devices are highlighted, covering the drivers’ impacts on conduction and switching transient performances. Three types of power devices are addressed: thyristors and triacs, bipolar junction transistors (BJT) and gate turn off thyristors (GTO), and gate-controlled field effect transistors (MOSFET, IGBT and HEMT). The state of thyristors and triacs is controlled by a reduced peak gate current, with a possibility to improve the uncontrolled turn off thanks to the gate driver. The BJT and GTO require a high gate energy, especially during the turn off transient. The FET power devices are controlled by a potential difference at their gate (capacitive input), possibly requiring high gate transient currents in the case of high switching speeds. This articles also presents the driving specificities of currently available wide bandgap power devices, such as SiC BJT, SiC MOSFET and GaN High Electron Mobility Transistors.
Cet article décrit les caractéristiques électriques des principaux composants à semi-conducteur de puissance en lien avec les grandeurs électriques de commande. Il montre ainsi quels peuvent être les effets des caractéristiques du circuit de commande rapprochée sur les performances en conduction et en commutation des composants à semi-conducteur de puissance. Trois grandes familles de composants sont concernées : les thyristors et triacs qui se commandent principalement par l’injection d’un pic de courant de faible intensité et dont le blocage spontané peut être parfois amélioré par la commande ; les transistors à jonction bipolaire (BJT) et les thyristors ouvrables par la gâchette (GTO) qui nécessitent une commande en courant durant la phase de conduction et une extraction intense au blocage ; et enfin les composants à grille et entrée capacitive (MOSFET, IGBT et HEMT) dont les états de conduction sont déterminés par des niveaux de tension mais qui peuvent nécessiter des courants transitoires importants pour permettre des commutations rapides. L’article présente également les spécificités vis-à-vis de leur commande rapprochée des composants grand gap, disponibles aujourd’hui dans le commerce, à savoir les BJT et MOSFET SiC ainsi que les HEMT GaN.