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IGBT vs MOSFET de puissance : lequel choisir et pour quoi

Ce sont deux interrupteurs de puissance commandés en tension par une grille isolée, mais leur conduction diffère. Un MOSFET de puissance transporte le courant avec un seul type de porteurs et se comporte comme une résistance : il est donc rapide et efficace en basse et moyenne tension. Un IGBT ajoute un étage de sortie bipolaire qui inonde le composant de porteurs, ce qui maintient de faibles pertes en conduction à haute tension et fort courant, mais ralentit le blocage. La répartition habituelle : MOSFET en dessous de quelques centaines de volts ou à haute fréquence, IGBT à haute tension et forte puissance.

CritèreMOSFET de puissanceIGBT
StructureUnipolaire : porteurs majoritaires uniquement, commandés par une grille MOSGrille MOS commandant un étage de sortie bipolaire : électrons et trous participent tous deux
Plage de tension typiqueDe quelques volts à environ 900 V (silicium) ; les MOSFET SiC atteignent plusieurs kVD'environ 600 V à plusieurs kV
Pertes à l'état passantRésistives (RDS(on)) ; augmentent fortement avec la tension nominaleTension de saturation quasi fixe (environ 1.5 à 3 V) ; pertes plus faibles à haute tension et fort courant
Vitesse de commutationRapide : quelques dizaines ou centaines de kHz, et plusPlus lente : généralement jusqu'à quelques dizaines de kHz
Courant de traînée au blocageAucunOui : les porteurs minoritaires stockés maintiennent brièvement le courant
Diode intrinsèqueIntégréeAucune : une diode antiparallèle séparée est ajoutée dans le boîtier
Fonctionnement en parallèleFacile : la résistance à l'état passant augmente avec la température, le courant se répartit doncPossible, mais demande plus de précautions
Commande de grilleCommandé en tension, avec une charge de grille à fournir à chaque commutationCommandé en tension, typiquement environ 15 V
Usages typiquesAlimentations à découpage, convertisseurs DC-DC, chargeurs, commande de moteurs basse tensionOnduleurs de véhicules électriques (IGBT silicium), variateurs de moteurs industriels, trains, soudage, équipements de réseau électrique

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

MOSFET de puissance
Lorsque la fréquence de commutation est élevée et que la tension n'est pas trop haute : alimentations, convertisseurs, commande de moteurs sur batterie.
IGBT
Lorsque la tension et le courant sont élevés et la fréquence modérée : onduleurs de traction, variateurs industriels, équipements lourds.
Tendance
Les MOSFET SiC prennent une partie du domaine des IGBT, en offrant la haute tension avec une commutation rapide et de faibles pertes.

Questions fréquentes

Quand choisir un IGBT plutôt qu'un MOSFET ?

À haute tension et fort courant (environ 600 V et plus) avec une fréquence de commutation modérée, là où la tension de conduction faible et quasi fixe d'un IGBT donne des pertes plus faibles.

Pourquoi un IGBT est-il plus lent au blocage ?

Les porteurs minoritaires stockés maintiennent le courant pendant un court instant après le blocage de la grille. Ce courant de traînée limite la fréquence de commutation.

Un IGBT possède-t-il une diode intrinsèque ?

Non. Une diode antiparallèle séparée est ajoutée dans le boîtier pour conduire le courant inverse.

Les MOSFET SiC remplacent-ils les IGBT ?

En partie. Les MOSFET SiC offrent la haute tension avec une commutation rapide et de faibles pertes, ils prennent donc une partie du domaine des IGBT, comme les onduleurs de véhicules électriques.

Vérifier vos connaissances

Quelle description de l'IGBT est correcte ?

  1. AUn composant à deux bornes ne comportant que deux jonctions PN
  2. BUn composant commandé par une grille MOS, qui obtient une faible tension à l'état passant grâce à la modulation de conductivité du fonctionnement bipolaire
  3. CUn thyristor rendu conducteur par éclairement
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Réponse : B. Un composant commandé par une grille MOS, qui obtient une faible tension à l'état passant grâce à la modulation de conductivité du fonctionnement bipolaire

L'IGBT associe l'étage d'entrée d'un MOSFET et l'étage de sortie d'un transistor bipolaire ; sa structure ajoute une couche p+ côté drain. Commandé en tension, il simplifie le circuit de commande ; à l'état passant, les trous injectés depuis la couche p+ abaissent fortement la résistance de la couche de dérive (modulation de conductivité), ce qui permet une faible tension à l'état passant même pour des tenues en tension élevées de 600 V à 6,5 kV. C'est le composant principal des VE, du ferroviaire et des onduleurs industriels, mais son courant de traînée le rend peu adapté aux hautes fréquences.

Quelle répartition générale des usages entre MOSFET et IGBT en silicium est correcte ?

  1. ALe MOSFET convient à la commutation rapide à tension relativement basse, l'IGBT aux tensions élevées de plusieurs centaines de volts et aux forts courants
  2. BL'IGBT convient aux basses tensions et faibles courants, le MOSFET aux hautes tensions et forts courants
  3. CLes deux ne conviennent qu'aux mêmes usages
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Réponse : A. Le MOSFET convient à la commutation rapide à tension relativement basse, l'IGBT aux tensions élevées de plusieurs centaines de volts et aux forts courants

Le MOSFET en silicium, fonctionnant avec les seuls porteurs majoritaires, est rapide, mais sa résistance à l'état passant croît brusquement avec la tenue en tension : on l'utilise jusqu'à quelques centaines de volts environ, en particulier dans les alimentations basse tension. L'IGBT, qui garde une faible tension à l'état passant même en haute tension grâce à la modulation de conductivité, convient aux forts courants à partir de 600 V (VE, onduleurs industriels, ferroviaire), mais son courant de traînée le rend plus lent. Aujourd'hui, le MOSFET SiC remplace progressivement les deux dans cette plage de tenue en tension moyenne à élevée.

Comment appelle-t-on le phénomène par lequel, au blocage d'un IGBT, le courant ne s'annule pas immédiatement mais persiste en traînée à cause des porteurs minoritaires stockés ?

  1. ACourant d'appel
  2. BCourant de traînée
  3. CCourant d'obscurité
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Réponse : B. Courant de traînée

L'IGBT abaisse sa résistance à l'état passant en injectant des porteurs minoritaires (trous) dans la couche de dérive ; au blocage, le courant continue donc de circuler jusqu'à ce qu'ils disparaissent par recombinaison ou extraction. Ce courant de traînée, circulant alors que la tension est déjà élevée, est une cause majeure des pertes au blocage et limite la fréquence de commutation des IGBT à quelques dizaines de kHz au plus. On le raccourcit par contrôle de durée de vie ou structure field stop. Les MOSFET n'en ont pas.

  1. Quelle différence de commande entre transistor bipolaire et MOSFET est correcte ?
  2. Quelle explication relative à la dépendance en température de la résistance à l’état passant justifie la facilité de mise en parallèle des MOSFET de puissance ?
  3. Pourquoi applique-t-on parfois une tension négative (par exemple −3 à −5 V) sur la grille à l'état bloqué lors de la commande de MOSFET SiC ou d'IGBT ?

Questions d'entraînement sur Semi-conducteurs de puissance

Termes clés expliqués

IGBT
Transistor bipolaire à grille isolée. Commandé par une grille MOS, il obtient grâce à la modulation de conductivité une faible tension à l'état passant, même à haute tension de blocage.
MOSFET de puissance
MOSFET conçu pour supporter des courants et des tensions élevés. Commutation rapide ; très utilisé dans les circuits d'alimentation.
MOSFET à superjonction
MOSFET de puissance dont la couche de dérive comporte une alternance de colonnes p et n. La concentration de la couche de dérive peut être augmentée sans perdre en tenue en tension, d'où une résistance à l'état passant inférieure à la limite théorique du silicium.
Pilote de grille (gate driver)
Circuit qui reçoit les signaux du circuit de commande et pilote la grille d'un composant de puissance avec une tension appropriée et un courant suffisant. Beaucoup intègrent une isolation ou une translation de niveau pour commander l'interrupteur côté haute tension.

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