Support de cours lectronique analogique
Chapitre VIII : Thyristors et triacs
TTHHYYRRIISSTTOORRSS EETT TTRRIIAACCSS
VI.1 LES THYRISTORS
VI.1.1 Constitution
Le thyristor est constitu par la juxtaposition de trois jonctions P-N. C'est un barreau de semi-
conducteur au silicium quatre couches alternativement dop es P et N.
La couche extr me de type P ou couche d'anode porte une lectrode : l'anode (A). Cette couche
et d' paisseur moyenne, son dopage n'est pas uniforme. Tr s faiblement dop e au voisinage de la
jonction d'anode afin d'assurer une bonne tenue en tension en polarisation inverse (JA en inverse),
elle est dop e de fa on plus importante pr s du contact m tallique d'anode pour am liorer la
conductivit en polarisation directe.
La couche extr me de type N ou couche de cathode est munie d'une lectrode : la cathode (K).
Cette couche est tr s mince et tr s fortement dop e. En raison de ce dopage important, la
jonction de cathode pr sente une tr s faible tenue en inverse.
La couche interne de type P ou couche de commande est dot e de l' lectrode dite de commande
: la g chette (G). Cette couche est tr s mince et tr s faiblement dop e.
La couche interne de type N est appel e couche de blocage. Cette couche est tr s paisse et tr s
faiblement dop e. Ce faible dopage permet au thyristor d'avoir une bonne tenue en tension en
polarisation directe (JC en inverse).
Jonction de
cathode JK
Jonction de
commande JC
Jonction
d'anode JA
Cathode
(K)
Couche de
cathode
N
P
N
P
G chette
(G)
Couche de
commande Couche de
blocage
Anode
(A)
Couche
d'anode
A
G
K
Figure VI.1 : Constitution et symbole d'un thyristor
Cette description fait appara tre successivement trois jonctions P-N :
La jonction couche d'anode - couche de blocage dite jonction d'anode JA.
La jonction couche de blocage - couche de commande dite jonction de commande JC.
La jonction couche de commande - couche de cathode dite jonction de cathode JK.
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Chapitre VIII : Thyristors et triacs
Le thyristor sera polaris en direct si la tension VAK = (VA VK) est positive. Les jonctions JA et
JK sont alors en direct et la jonction JC en inverse.
Le thyristor sera polaris en inverse si la tension VAK est n gative. Les jonctions JA et JK sont
alors en inverse et la jonction JC en direct.
VI.1.2 Analyse de fonctionnement
Le montage de la figure VI.2, comprend un circuit de g chette de faible puissance et un circuit
d'anode de forte puissance.
En polarisation directe (EA >0) :
Lorsqu'il n'y pas un signal de commande (k ouvert donc IG = 0) :
Pour EA < VAK0 (VAK0 = 34 V pour le MCR 106) : IA = 0 et VAK EA, le thyristor se comporte
comme un circuit ouvert, on dit qu'il est bloqu .
Pour EA VAK0 : IA = (EA/R) et VAK 0,8 V, le thyristor se comporte comme un court-circuit, on
dit qu'il est amorc .
La tension VAK0 pour laquelle le thyristor s'amorce est appel e tension de retournement ou
tension d'amor age courant de g chette nul.
Le thyristor tant amorc , si on diminue la tension EA, le thyristor reste conducteur jusqu' une
certaine valeur du courant IA not IH est appel courant de maintien, puis il se bloque.
Lorsqu'il y un signal de commande (k ferm donc IG > 0) :
Pour IG = 5 mA, le thyristor s'amorce pour EA = 15 V, et pour IG = IGT, le thyristor s'amorce pour
tout EA positif. Dans tous les cas, lorsque le thyristor est amorc , si l'on ouvre l'interrupteur k (IG
= 0), le thyristor reste conducteur. Pour se bloquer, il est n cessaire, soit de diminuer le courant
IA en dessous de la valeur IH, soit d'inverser la tension d'alimentation EA.
En polarisation inverse (EA < 0) : La pr sence du courant de g chette n'a aucun influence.
Pour EA > 35 V, IA 0 et VAK EA. Le thyristor est bloqu .
Pour EA 35 V, le courant IA croit brusquement, mais la tension VAK reste pratiquement
gale 35 V. Il est n cessaire de limiter le courant IA pour viter une dissipation de puissance
excessive. Le thyristor est alors en r gime de claquage.
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IA
mA
mA
RG
EG
Th
IG
K
VAK
V
RA
EA
mV
VGK
Circuit de g chette
Circuit d'anode
Figure VI.2 : Circuit de polarisation d'un thyristor
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VI.1.3 Caract ristiques du thyristor
Un montage thyristor (figure VI.2) pr sente deux circuits fondamentaux : Le circuit de
puissance ou circuit d'anode et le circuit de commande ou circuit de g chette.
Dans chacun de ces circuits les diff rentes grandeurs sont li es par un r seau de caract ristiques :
R seau d'anode IA = f(VAK), param tre IG.
R seau de g chette IG = f(VGK).
VI.1.3.1 Caract ristiques d'anode
VI.1.3.1.1 Caract ristiques directes
Le courant IA est pratiquement nul avant l'amor age, la tension VAK est tr s faible et quasi
constante ( 0,8 V) en r gime de conduction. Le point pour lequel VAK est maximale est appel
point de retournement dont les coordonn es (VAK0 ; IA0) sont appel es tension et courant de
retournement.
Par convention, courant de g chette nul la
IA (mA)
tension de retournement est not e VDRM (tension
de pointe que peut supporter le thyristor en
40
polarisation directe pour se maintenir l' tat
bloqu ).
20 mA
8 mA
5 mA
IG = 0
La tension de retournement est une fonction
0
15
VAK (V)
d croissante du courant de g chette et de la
Figure VI.3 : Caract ristiques directes d'un thyristor
temp rature.
Pour un courant de g chette IG = IGT, l' tat passant appara t pour tout VAK positif : Le thyristor se
comporte comme une diode.
VI.1.3.1.2 Caract ristique inverse
La caract ristique inverse est analogue celle
d'une diode jonction : Courant tr s faible avant
claquage, caract ristique pratiquement verticale
apr s claquage.
La valeur absolue de la tension VAK pour laquelle
appara t le claquage est not e VRRM (tension
inverse de pointe que peut supporter le thyristor
IA (mA)
18
0
VAK (V)
3
pour se maintenir l' tat bloqu ).
Figure VI.4 : Caract ristique inverse d'un thyristor
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VI.1.3.2 Caract ristiques de g chette
La caract ristique de g chette est la courbe
IG
repr sentative de la relation IG = f(VGK) pour
IGS
IA = 0. C'est la caract ristique de la diode
C0
PGS
g chette - cathode l' tat bloqu .
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En raison de sa configuration, cette diode
diff re d'une diode jonction classique par :
une chute de tension directe plus lev e, un
IGT
IGD
PGAV
Zone d'amor age
certain
'
C0
courant inverse beaucoup plus grand, une
0
VGD
VGT
tenue en inverse, relativement faible et une
tr s grande dispersion pour un m me type de
Zone d'amor age
impossible
Zone d'amor age
possible
VGK
VGS
thyristor.
Figure VI.4 : Caract ristiques de g chette d'un thyristor
Pour traduire cette dispersion, le constructeur ne peut fournir que les caract ristiques C0 et C0
'
des chantillons extr mes d'un m me type.
Les conditions d'amor age sont traduites dans le plan (IG ; VGK) par :
Un domaine, o aucun, chantillon ne s'amorce, limit par les valeurs IGD et VGD.
Un domaine o certains chantillons s'amorcent, limit par les valeurs IGT et VGT.
Un domaine d'amor age certain pour tous les chantillons.
Une zone de destruction limit e par l'hyperbole de puissance.
VI.1.3.3 Caract ristiques dynamiques
VI.1.3.3.1 Temps d'amor age ton
Suite une impulsion de commande sur la g chette, la tension VAK ne d cro t pas
imm diatement. On traduit ce retard l'amor age par le temps ton dit temps d'amor age. Ce
temps se d compose en deux intervalles :
Le temps de retard td (delay-time) : dur e qui s' coule entre le passage de l'impulsion 10% de
sa valeur maximale et le passage de la tension VAK 90% de sa valeur maximale.
Le temps de descente tr (rise-time) pendant lequel la tension VAK passe de 90% 10% de sa
valeur maximale.
VI.1.3.3.2 Temps de blocage ou de d samor age toff
C'est le temps qui s' coule entre l'instant o la tension VAK s'annule et l'instant ou le thyristor
devient susceptible de supporter une polarisation directe sans se r amorcer. En d'autre terme c'est
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le temps n cessaire pour que la jonction de commande redevienne, apr s annulation du courant
d'anode, capable de soutenir une tension inverse lev e.
Ce temps, qui varie de 5 100 s suivant le type, limite la fr quence d'utilisation des thyristors.
Ig
0
VAK
ton
t
td
tr
Bloqu
Amorc
0
t
VAK
Amorc
0
toff
Bloqu
t
Figure VI.5 : Caract ristiques dynamiques d'un thyristor
VI.1.4 Commutation
On appelle commutation d'un thyristor le passage de l' tat passant l' tat bloqu . Suivant la
nature de la tension anode - cathode, cette commutation peut se faire, soit de fa on naturelle, soit
de fa on forc e.
VI.4.1 Commutation naturelle
Lorsque la tension anode cathode aux bornes du thyristor diminue ou passe par z ro, le courant
d'anode devient inf rieur au courant de maintien : le thyristor se bloque. On dit qu'il y a
commutation naturelle.
VI.4.2 Commutation forc e
Lorsque la tension anode cathode aux bornes du thyristor reste toujours positive, apr s amor age
par le dispositif de commande, il est n cessaire de lui adjoindre un dispositif de commutation
forc e.
VI.5 Application des thyristors
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Les applications du thyristor sont essentiellement li es la possibilit de r gler la puissance
dissip e dans une charge. Les utilisations typiques sont essentiellement :
Convertisseurs alternatif continu contr l s complets (redressement command s).
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Convertisseurs alternatif continu semi contr l s (ponts mixtes).
Convertisseurs continu alternatif (onduleurs autonomes).
Convertisseurs continu continu (hacheurs).
VI.6 Choix et limites d'utilisation des thyristors
Le choix du thyristor ad quat pour une application donn e, d pend principalement :
De la tension de retournement courant de g chette nul (VDRM).
De la tension de claquage (VRRM).
Du courant direct moyen maximal (IFAV).
Du courant direct de pointe accidentel maximal (ITSM).
Des temps d'amor age et de d samor age (ton et toff).
Lettre de symboles
Initiale du mot anglais
Traduction fran aise
LETTRES DES SYMBOLES
AV
D
F
G
H
M
N
P
R
1er position
R
2 me position
S
T
W
average
direct
forward
gate
holding
maximum
negative
peak
reverse
recurrent
surge
thyristor
working
moyen
continu
sens direct
g chette
maintien
maximal
n gatif
pointe
inverse
r current
accidentel
thyristor
de service
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Chapitre VIII : Thyristors et triacs
(guide de technicien en lectronique page 93)
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VI.2 LES TRIACS
Le triac (Triode Alternatif Current) est un semi-conducteur conduction bidirectionnelle
command e. En effet, alors que le thyristor ne s'amorce qu'en polarisation directe, le triac est
amor able pour des tensions d'alimentation de signe quelconque. Il est quivalent deux
thyristors mont s en opposition. Il n'existe q'une seule g chette G et deux anodes A1 et A2 non
identiques.
VI.2.1 Constitution et fonctionnement
On peut sch matiser la structure d'un triac par celle d'un thyristor classique dans lequel seraient
diffus es deux zones de type N, l'une dans la couche d'anode, l'autre dans la couche de
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commande.
Deux lectrodes m talliques plac es sur les zones (P1-N4) est (P2-N2) portant le non d'anodes, la
troisi me plac e sur la zone (P2-N3) est appel e g chette.
L'ensemble peut tre assimil deux thyristors (P1N1P2N2) et (P2N1P1N4) mont s en parall le
inverse. Cette analogie ne peut tre prolong e car si la g chette du premier est bien connect e
la couche de commande, il n'en est pas m me pour le deuxi me.
Anode 2
N4
G chette
N3
P1
N1
P2
N2
Anode 1
A2
G
A1
A2
P1
N4
Th1
Th2
N2
P2
A1
Figure VI.8 : Constitution et symbole d'un triac
Le fonctionnement peut tre analys sommairement de la fa on suivante :
VA2A1 positive (polarisation directe), le thyristor Th1 est en direct, une impulsion sur la
g chette permet son amor age (thyristor classique).
VA2A1 n gative (polarisation inverse), le thyristor Th2 est en direct, la jonction N1P1 jouant le
r le de jonction de commande (elle seule est polaris e en inverse). Une impulsion n gative sur la
g chette permet une injection d' lectrons dans la r gion P2, o devenus minoritaires, ils sont
acc l r s par le champ interne dans la r gion N1. Le dopage de la r gion N1 est augment et la
tenue en inverse de la jonction N1P1 diminu e. Il y a claquage.
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VI.2.2 Caract ristiques tension courant et propri t s
Ext rieurement, le triac se comporte comme deux
thyristors mont s en t te-b che. Il en r sulte une
sym trie de sa caract ristique par rapport
l'origine.
Par contre, si dans le montage thyristors, chaque
IG = 0
IA
IG = 0
IG > 0
IG < 0
0
VA2A1
thyristor dispose d'une demi p riode pour se
bloquer lorsqu'il passe en polarisation inverse, le
triac ( l ment bidirectionnel) devra avoir un temps
Figure VI.6 : Caract ristiques courant - tension
de blocage tr s petit devant la demi p riode. L'utilisation en fr quence est en cons quence tr s
vite limit e (300 400 Hz).
En polarisation inverse, le thyristor doit pouvoir supporter la tension maximale pour viter le
claquage (g n ralement destructif). Le triac est, lui, autoprot g puisqu'il s'amorce dans les deux
sens.
VI.2.3 Applications
Principalement les triacs sont beaucoup plus utilis s dans les convertisseurs alternatif alternatif
(gradateurs triphas et monophas ).
VI.2.4 Choix des triacs
Le choix des triacs d pend :
Du courant efficace dans le semi-conducteur (IFAV).
Du courant de pointe r p titif (ITSM).
De la tension directe maximale r p titive (VDRM).
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(m motech page 490)
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