Symbole IGBT: schéma, broches, types et méthode de lecture

Le symbole d'un IGBT peut ressembler fortement à celui d'un MOSFET de puissance. Il est donc facile de confondre les deux au premier coup d'oeil.

Dans un convertisseur de puissance destiné à un moteur, prendre un IGBT pour un MOSFET peut entraîner des erreurs de connexion du circuit de commande de grille ou des bornes du composant.

Les variantes utilisées dans les conventions IEC et ANSI, les fiches techniques et les bibliothèques EDA compliquent également leur identification.

Dans ce guide, vous apprendrez:

• À comparer les symboles des IGBT à canal N et à canal P
• À repérer la grille, le collecteur et l'émetteur sur un symbole IGBT
• Pourquoi la flèche de l'émetteur pointe dans le sens opposé à celle d'un MOSFET
• Dans quels cas une diode de roue libre antiparallèle apparaît avec l'IGBT
• Comment les conventions IEC et ANSI représentent les symboles IGBT

Référence rapide des symboles IGBT

Ces six variantes courantes couvrent les formes de symbole IGBT que vous rencontrerez le plus souvent.

Figure: représentations courantes des symboles IGBT

La flèche de l'émetteur permet d'identifier le type d'IGBT, tandis qu'une diode antiparallèle indique la présence d'un chemin pour le courant inverse. Pour une présentation plus générale des symboles utilisés dans les schémas électroniques, consultez notre guide des symboles de circuits.

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Que signifie un symbole IGBT?

Le symbole IGBT représente sur un schéma un transistor bipolaire à grille isolée doté de trois bornes: la grille, le collecteur et l'émetteur.

Il ressemble à un MOSFET, mais comporte des bornes de collecteur et d'émetteur ainsi qu'une flèche sur l'émetteur.

• La grille (G) est la borne de commande: elle est représentée par une ligne verticale séparée du corps du composant, à la même position que la grille d'un MOSFET. Elle ne consomme pratiquement aucun courant en régime établi. La puissance nécessaire à sa commande dépend donc de la vitesse à laquelle sa capacité est chargée
• Le collecteur (C) est la borne de courant du côté haut: cette borne supérieure remplit une fonction comparable à celle du drain d'un MOSFET. Sur un boîtier TO-247 ou TO-220, la languette métallique de fixation est reliée électriquement au collecteur et peut donc se trouver à la tension du rail d'alimentation
• L'émetteur (E) est la borne de puissance du côté bas et la référence de la commande de grille: cette borne inférieure porte la flèche. La tension de commande de grille est définie par VGE, entre grille et émetteur. La commande doit donc suivre le potentiel de l'émetteur

Pour comparer l'IGBT aux autres transistors à trois bornes, consultez notre guide complet des symboles de transistors.

Figure: symbole d'un IGBT à canal N avec les bornes G, C et E indiquées

Figure: symbole d'un IGBT à canal N

Anatomie du symbole IGBT: signification de chaque élément

Plusieurs éléments visuels permettent d'identifier un IGBT et ses bornes. L'espace à côté de la grille, le corps du composant, la flèche de l'émetteur et la connexion du collecteur aident à interpréter le symbole et à le distinguer de ceux de transistors similaires.

• L'espace à côté de la grille: la grille est dessinée sous forme d'une ligne séparée du corps du composant, sans connexion directe. Cet espace représente l'isolation électrique entre la grille et le chemin principal de conduction
• La barre verticale de conduction: elle représente le corps du composant sous forme d'une barre continue ou de trois courts segments empruntés au symbole d'un MOSFET à enrichissement. Les deux formes ont la même signification et ne renseignent pas sur le courant nominal
• La flèche sur la connexion de l'émetteur: sa pointe pleine indique le sens du courant conventionnel au niveau de l'émetteur. Sur un composant à canal N, elle pointe vers l'extérieur du corps
• La connexion du collecteur sans flèche: si les deux bornes de sortie portent une flèche, le symbole ne représente pas un IGBT
• La position de la connexion de grille: dans la plupart des bibliothèques, elle arrive horizontalement par la gauche. Certains styles font pivoter le symbole pour qu'elle arrive par le bas. L'espace d'isolation, la flèche et les lettres restent les éléments déterminants pour l'identifier

Symboles des IGBT à canal N et à canal P

Un seul élément distingue les deux symboles. Sur celui d'un IGBT à canal N, la flèche de l'émetteur pointe vers l'extérieur du corps; sur celui d'un IGBT à canal P, elle pointe vers le corps. Tous les autres éléments, y compris les noms des bornes, sont identiques.

Figure: symboles des IGBT à canal N et à canal P

• Canal N, flèche vers l'extérieur: le composant s'active lorsque la grille est positive par rapport à l'émetteur, généralement autour de +15 V. Le courant entre par le collecteur et sort par l'émetteur. C'est le type utilisé dans la grande majorité des variateurs de moteur, des bras d'onduleur et des plaques à induction
• Canal P, flèche vers l'intérieur: le composant s'active lorsque la grille est négative par rapport à l'émetteur. Le courant entre par l'émetteur et sort par le collecteur
• Éléments inchangés: les lettres des bornes, l'espace d'isolation de la grille, la barre de conduction et la connexion du collecteur sans flèche sont représentés de la même manière pour les deux polarités

Symbole IGBT avec diode de roue libre

Une diode de roue libre est représentée en antiparallèle avec l'IGBT, sa cathode étant reliée au collecteur et son anode à l'émetteur. La diode n'est pas intrinsèque à un IGBT classique: elle peut être un composant externe distinct, être intégrée dans le même boîtier que l'IGBT ou être fabriquée sur la même puce semi-conductrice dans le cas d'un IGBT à conduction inverse (RC-IGBT).

Figure: trois variantes du symbole IGBT: un IGBT sans diode, un IGBT avec diode antiparallèle dans le même boîtier et un IGBT à conduction inverse avec diode intégrée.

• IGBT sans diode: le composant ne fournit aucun chemin pour le courant inverse. L'IRG4PF50W, par exemple, est un composant de 900 V et 51 A en boîtier TO-247AC représenté de cette manière. Une charge inductive commandée par ce composant nécessite une diode externe
• IGBT avec diode dans le même boîtier: la diode est fabriquée sur une puce distincte, placée dans le même boîtier. C'est notamment le cas du STGP7NC60HD de STMicroelectronics (600 V, TO-220) et du FGH75T65SQD d'onsemi (650 V, 75 A, TO-247-3). Leurs fiches techniques indiquent une résistance thermique jonction-boîtier distincte pour la diode
• IGBT à conduction inverse (RC-IGBT): la diode est intégrée de façon monolithique sur la même puce

Sans chemin de roue libre adapté, la commutation d'une charge inductive peut produire une surtension excessive et endommager l'IGBT.

La décroissance du champ magnétique peut faire monter la tension du collecteur bien au-delà de la valeur VCES nominale, provoquant la défaillance d'un composant de 600 V en quelques microsecondes. L'orientation de la cathode est un détail souvent inversé. La barre de la cathode doit être reliée au collecteur: la diode reste ainsi bloquée lorsque l'IGBT conduit et ne laisse passer le courant que lorsque la charge l'impose dans le sens inverse.

Consultez notre guide des symboles de diodes pour une explication détaillée de leur polarité.

IGBT, MOSFET et BJT: comparaison

Deux éléments suffisent à distinguer clairement ces trois composants.

La borne de commande indique si le composant est commandé en tension ou en courant, tandis que la position de la flèche permet d'identifier sa famille.

Figure: symboles d'un IGBT, d'un MOSFET et d'un BJT

Figure: circuit équivalent de l'IGBT: un MOSFET à canal N commandant un transistor PNP

La figure ci-dessus montre pourquoi le symbole correspond réellement à un composant hybride.

Selon la note de ROHM sur la structure du composant, le drain du MOSFET à canal N et la base du PNP partagent la même région, la couche de dérive N−, tandis que l'émetteur du PNP constitue le collecteur de l'IGBT. L'entrée est bien un MOSFET et la sortie un transistor bipolaire: le symbole reflète donc ces deux parties.

Conventions IEC et ANSI pour les symboles IGBT

Ni la norme IEC 60617 ni la norme ANSI/IEEE 315 n'imposent un contour unique pour les IGBT. Toutes deux régissent la représentation des symboles sur les schémas et admettent la forme à trois bornes avec grille isolée. Leurs différences visibles relèvent du style, et non de la signification.

La norme ANSI/IEEE Std 315-1975, reconfirmée en 1993, est antérieure à la commercialisation des IGBT. Elle ne comporte donc aucune entrée spécifique à ce composant. Les fabricants ont adapté les symboles de transistors existants de manières légèrement différentes. Ces variantes sont toutes défendables: une fiche technique, un manuel et une bibliothèque EDA peuvent ainsi représenter le même composant de trois façons sans qu'aucune soit nécessairement incorrecte.

Comment lire un symbole IGBT sur un schéma, étape par étape

En examinant toujours les éléments dans le même ordre, vous pouvez identifier le symbole en une dizaine de secondes.

Prenons pour exemple le demi-pont ci-dessous: deux IGBT sont montés entre les rails CC+ et CC−, avec un circuit de commande de grille connecté à chaque composant.

Figure: demi-pont à deux IGBT entre les rails d'alimentation CC, avec leurs deux commandes de grille

1. Repérez l'espace d'isolation: vérifiez que la connexion de grille s'arrête avant la barre de conduction. Cet espace indique une commande en tension, et non un apport de courant à une base.
2. Observez la flèche: si elle pointe vers l'extérieur du corps, il s'agit d'un composant à canal N. Les deux composants de la figure 9 sont à canal N, comme c'est habituellement le cas dans un demi-pont.
3. Identifiez les rails: le collecteur supérieur est relié au rail positif. Son émetteur rejoint le collecteur inférieur; cette jonction constitue le noeud de commutation.
4. Cherchez une diode entre C et E: chaque composant de la figure 9 en possède une, avec la cathode reliée au collecteur. Le courant de roue libre de la charge dispose ainsi d'un chemin dans les deux états de commutation.
5. Repérez la référence de grille: l'émetteur du composant inférieur est à la masse, ce qui facilite la définition de sa tension VGE. Celui du composant supérieur suit le potentiel du noeud de commutation. Son circuit de commande nécessite donc une alimentation bootstrap ou isolée.
6. Vérifiez les broches dans la fiche technique: le symbole n'indique jamais à quelles broches physiques correspondent les bornes.

Le symbole indique que l'émetteur sert de référence. Lorsqu'il passe de 0 V à la tension du rail, un circuit de commande référencé à la masse ne peut plus maintenir l'IGBT passant.

Erreurs courantes dans la lecture des symboles IGBT

• Inverser la flèche de l'émetteur: le dessin représente alors un autre type de composant, sans qu'un contrôle des règles de conception signale nécessairement l'erreur

Pour éviter cette erreur: sur un composant à canal N, la flèche pointe vers l'extérieur du corps.

• Supprimer l'espace d'isolation de la grille: le symbole peut alors être interprété comme celui d'un transistor bipolaire, et un relecteur risque de prévoir une résistance de base pour un composant qui nécessite un circuit de commande de grille

Pour éviter cette erreur: maintenez la ligne de grille séparée de la barre de conduction.

• Supposer la présence d'une diode de corps intrinsèque: un MOSFET de puissance en possède une, mais pas un IGBT standard. Une charge inductive pourrait donc se retrouver sans chemin de roue libre

Pour éviter cette erreur: prévoyez une diode externe, sauf si la fiche technique indique la présence d'une diode dans le même boîtier ou d'un RC-IGBT.

• Appeler les bornes drain et source: la recherche de composants renvoie alors des MOSFET et le circuit de commande de grille risque d'être dimensionné à partir de caractéristiques inadaptées

Pour éviter cette erreur: l'étage de sortie étant bipolaire, ses bornes sont le collecteur et l'émetteur.

• Se fier au symbole pour déterminer l'ordre des broches: KiCad propose à lui seul huit symboles IGBT à canal N qui ne diffèrent que par l'ordre des broches

Pour éviter cette erreur: comparez l'ordre des broches 1-2-3 au dessin du boîtier avant de réaliser le routage.

Conclusion

Plutôt que de mémoriser toutes les variantes du symbole IGBT, adoptez une méthode d'identification constante: vérifiez d'abord l'espace d'isolation de la grille, puis la flèche, la diode et enfin l'ordre des broches. Ces quatre contrôles permettent de distinguer un interrupteur à canal N d'un composant à canal P, un IGBT avec diode en boîtier d'un IGBT sans diode, et une liste de connexions correcte d'une grille mal raccordée.

FAQ sur les symboles IGBT