Les transistors bipolaires de puissance

Les transistors bipolaires de puissance

Les transistors bipolaires de puissance s'utilisent principalement pour de l'amplification et la commutation. Les tensions en jeu vont de quelques dizaines de Volts à quelques centaines de Volts alors que les courants mis en jeu sont de plusieurs Ampères.

Les transistors de puissance sont plutôt de type NPN, même s'il existe une large gamme de tranistors PNP aussi, complémentaires des transistors NPN.

Les principaux défauts des transistors bipolaires de puissance sont :

- tension Vce résiduelle en mode passant (malheureusement pas 0 Volt, donc échauffement et pertes lors du passage du courant)

- pertes de commutation. Entre le moment où le transistor de puissance est coupé (off) et le moment où il est passant (saturé), il existe une petite durée où il bascule d'un état à l'autre. Durant cette phase, il chauffe

- zone de second claquage. Lorsque la tension collecteur émetteur est élevée, la dissipation maximale du transistor est réduite.

- courant de base nécessaire pour piloter le transistor bipolaire

Pour utiliser un transistor bipolaire de puissance, il faut un courant de base, contrairement au transistors Mosfet.

Choisir son transistor bipolaire de puissance

Certains transistors sont rapides et ont un gain plus faible : ils sont adaptés à la commutation (switching applications) et d'autres sont plus adaptés aux applications linéaires (alimentations linéaires, amplis audio). Ceux-ci sont proposés par paire NPN/PNP complémentaire.

Plusieurs éléments sont à prendre en compte :

- le courant collecteur maximal

Le courant collecteur Ic maximal est une donnée du constructeur. Elle est due à la fabrication du transistor (jonction par fil de bonding entre la patte et la puce du transistor elle-même) mais aussi au courant de base Ib maximum. Plus le courant collecteur qu'on souhaite est élevé et plus le gain (rapport Ic/Ib) devient petit.
Pour générer 10A au collecteur, il faudra peut-être 0.5A alors que pour générer 20A au collecteur, il faudra peut-être 2A.

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Gain d'un transistor bipolaire de puissance (2SC5200)

Les datasheets donnent souvent un courant collecteur crête, valeur temporaire qui ne doit pas durer longtemps.

Bref, ne jamais dépasser le courant collecteur maximal, sauf pour des durées très courtes.

- la tension Vce maximale

Il ne faut jamais dépasser la tension Vce maximale du transistor. Ceci est vrai pour tous les transistors bipolaires (de signal faible puissance, ou de puissance). Si la base est reliée à l'émetteur, la tension Vce admissible peut monter jusqu'à la valeur de Vcb qui est souvent parfois plus élevée (voir les datasheets).

- la puissance : attention au second claquage

Le transistor de puissance doit pouvoir dissiper sa chaleur sans dépasser la température interne maximale autorisée (150°C souvent, parfois 200°C). Il s'agit de la température de "jonction". La puissance dissipée est le produit de la tension aux bornes (Vce) par le courant collecteur (Ic). On néglige la dissipation de la jonction base-émetteur. Le transistor peut être en mode linéaire (amplification par exemple) ou en tout ou rien (commutation).

Attention, une restriction intervient à partir d'une certaine tension Vce : c'est la zone de "second claquage" (second breakdown en anglais).


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Zone de second claquage d'un transistor bipolaire de puissance

Physiquement, lorsque la tension Vce est élevée, la répartition du courant n'est plus homogène. Des points chauds apparaissent sur la puce, ce qui limite sa performance.

On voit sur la courbe ci dessus qu'un transistor qui peut dissiper 150W jusqu'à 60V ne pourra plus dissiper que 9.2W à 230V. Cette zone de second claquage est particulièrement critique dans les applications linéaires comme l'amplification (amplis audio de puissance) où les transistors de puissance peuvent être maltraités de cette façon : une tension importante à leurs bornes et du courant à fournir dans les haut-parleurs.

En pratique, il est impossible de faire dissiper la puissance donnée par le fabricant (Ptot à Tc = 25°), cela sous-entendrait que le radiateur reste à 25°C sans s'échauffer du moindre degré ! Autrement dit, la résistance thermique du radiateur (en °C/Watt) serait nulle.

Les transistors Mosfet n'ont pas ce problème de "second claquage" (second breakdown).

- les temps de commutation

Pour des applications en commutation, les temps de commutation sont cruciaux. Les transistors Darlington intégrés (TIP122, TIP142, BDW83, etc) doivent être utilisés avec prudence car ils sont bien plus lents que les transistors bipolaires simples.

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Temps de commutations du transistor MJE13007

Quelques exemples de transistors bipolaires de puissance (amplification)

- 2SC5200 / 2SA1943 (amplis audio de 100W et plus)
- MJ15024 / MJ15025 (idem)
- 2N3055 (un NPN de puissance classique et ancien)
- TIP41 / TIP42
- MJL21193 / MJL21194

Et en transistors dédiés à la commutation :

- MJE13003, MJE13007, BUX80, etc

On rencontre les transistors bipolaires pour la commutation dans les alimentations à découpage : chargeurs de téléphone, transfos électroniques pour lampe halogène 12V, alimentations à découpage diverses et variées.

Boitiers des transistors bipolaires de puissance

Les boitiers des transistors bipolaires de puissance sont prévus pour être montés sur radiateur. Le boitier est relié au collecteur. Voici les principaux :

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Transistors bipolaires de puissance : boitiers TO-3, TO247 et TO220

Sans radiateur, la dissipation d'un transistor en boitier TO247 est de 3W seulement. Dans certains cas, il peut être intéressant de choisir un boitier plus grand (TO247 au lieu de TO220) pour éviter le montage sur un petit radiateur nécessaire à un boitier plus petit. Cela simplifie le montage et la réalisation.

Transistors de puissance : bipolaires ou Mosfet ?

N'hésitez pas à consulter cet article au sujet des transistors de puissance, mais Mosfet

http://www.astuces-pratiques.fr/electronique/les-transistors-mosfet-de-puissance

Les deux technologies de transistors coexistent, même si les transistors Mosfet sont de plus en plus performants.

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Amplificateur audio : transistors bipolaires de puissance montés sur un grand radiateur

Conclusion

Les transistors bipolaires de puissance sont adaptés à la commutation (tout ou rien) et aux applications linéaires (amplification, alimentations linéaires, etc). Il est impératif de respecter leurs caractéristiques électriques et garantir que le circuit où ils seront installés ne les sollicitera jamais au delà de ce qu'ils peuvent donner.

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  Les transistors bipolaires de puissance, publié par nina67 le 5 Mars 2015
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Nina67
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