Cent ans de plénitude - Des valves à vapeur de mercure au disjoncteur hybride - ABB Group
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Cent ans de plénitude Des valves à vapeur de mercure au disjoncteur hybride Andreas moglestue – Depuis plus d’un siècle, l’électro- la fréquence ou le niveau de tension, par exemple, sans nique de puissance est indissociable de l’innovation ABB passer par des composants électromécaniques, qui sont et de ses sociétés d’origine. Née avec l’invention des sujets à l’usure et demandent un entretien soigneux. Aux valves à vapeur de mercure, elle s’invite aujourd’hui redresseurs à vapeur de mercure des premiers convertis- partout, des imposantes installations en courant continu à seurs succédèrent, dans les années 1950 et 1960, les haute tension (CCHT), qui transportent des gigawatts sur composants à semi-conducteurs de puissance. La Revue des milliers de kilomètres, aux appareils électroménagers ABB retrace ici un siècle de découvertes, d’inventions et du quotidien. En fait, elle est présente chaque fois qu’il d’applications, au cours duquel ABB a fait œuvre de faut maîtriser et convertir l’énergie électrique, en modifier pionnier et d’innovateur. 7 0 ABB review 2|13
1 Convertisseur à contacts BBC de 5000 kW/200–500 V (années 1950)
Le « moteur-générateur » (moteur et géné- les condensateurs du bus CC de nos
rateur accouplés sur un arbre mécanique convertisseurs électroniques de puis-
commun) est un précurseur de la conver- sance.
sion CA-CC. Le principe pouvait tout
aussi bien s’inverser pour transformer du Les convertisseurs mécaniques ont
L
continu en alternatif (CC-CA) ou convertir pourtant deux inconvénients : la mainte-
a fée électricité voit le jour sur deux fréquences alternatives, comme ce nance des pièces en mouvement (lubrifi-
fond de « bataille des courants » fut souvent le cas
entre les partisans du continu, en traction élec-
avec Thomas Edison, et les dé- trique pour passer Les convertisseurs à contacts
fenseurs de l’alternatif prôné par Tesla ; du 50 Hz au 16,7 Hz
ce dernier en sorti vainqueur. Si le cou- du réseau ferroviaire demandaient beaucoup
rant alternatif (CA) se prête à de nom-
breuses applications, le courant continu
de plusieurs pays
européens (soit le
d ’entretien, alors que l’élec-
(CC) reste indispensable et réclame for- tiers de la fré- tronique de puissance pro-
cément une conversion CA-CC. En quence industrielle).
témoignent l’électrolyse de l’aluminium, Le tandem moteur- mettait les mêmes résultats
la charge de batteries, les transmissions
sans fil et l’électrification des tramways,
générateur pouvait
même étendre son
mais sans travail mécanique.
des métros et de certains chemins de emploi à des appli-
fer, etc. Ces domaines constituent tou- cations de commande variable. Deux cation et changement des balais) et les
jours une part importante de l’activité exemples : le groupe Ward-Léonard, qui fortes sollicitations mécaniques impo-
d’ABB. Et la liste n’en finit pas de s’allon- utilise l’excitation de sa génératrice à sées au montage et aux fixations.
ger avec des applications plus récentes courant continu pour faire varier sa ten-
comme les centres de données informa- sion de sortie, autorisant un réglage Commutation
tiques (datacenters) et le transport élec- souple et robuste de la vitesse des mo- Si les moteurs-générateurs assurent une
trique CCHT. teurs de laminoirs et d’ascenseurs dans isolation galvanique complète de l’entrée
les mines ou les grands édifices, par et de la sortie, l’électronique de puis-
Dès l’ébauche des premiers systèmes exemple ; la machine Scherbius, qui per- sance effectue la conversion en modi-
électriques, les inventeurs s’attaquèrent met le raccordement de réseaux CA non fiant le parcours du courant à des
à deux grands défis : convertir le courant rigoureusement synchronisés avec un moments précis de la commutation.
alternatif en courant continu (principe du léger glissement de phase. Sous sa forme la plus simple, c’est le
redresseur) et vice versa (onduleur), faire principe que l’on observe dans le moteur
varier une sortie à partir d’une grandeur Les moteurs-générateurs ont l’avantage CC où un collecteur inverse le sens du
d’entrée fixe (variation électronique de d’être insensibles aux défauts réseau ; courant circulant dans l’enroulement
vitesse, par exemple). Encore aujour les courtes interruptions d’alimentation rotorique, en fonction de sa position,
d’hui, la plupart des usages de l’électro- sont en effet compensées par l’énergie l’action étant déclenchée par un signal
nique de puissance relève de l’une de cinétique de la masse en rotation. Notons
ces deux fonctions. que cette fonction de stockage tampon Photo p. 70
de l’énergie se retrouve aujourd’hui dans Diode pour applications de traction (années 1980)
Cent ans de plénitude 7 1
2 Puissance de différents types de mutateurs et convertisseurs à contacts BBC 3 Lampe à vapeur de mercure
D’après T. Wasserrab, Mutator Meeting at Baden in 1955, conférence inaugurale (actes publiés par BBC)
production se poursuivit jusqu’à l’avène- émettrice d’électrons dès que s’amorce
En 1954, ASEA ment des convertisseurs statiques. l’arc, ce n’est pas le cas de l’anode
réceptrice qui n’émet pas de particules
construit la première Premières « soupapes électriques » (dans la plage de température de ser-
liaison CCHT com- À l’aube du XIXe siècle, Sir Humphry
Davy, chimiste et inventeur réputé,
vice), si ce n’est des électrons secon-
daires, trop lents pour remonter jusqu’à
merciale au monde d émontre que l’on peut établir un arc
la cathode. La vapeur de mercure est
électrique en faisant circuler un courant ionisée par l’arc et le bombardement
pour relier l’île sué- entre deux tiges mises en contact, puis d’ions de mercure sur la cathode produit
doise de Gotland au écartées ; la rupture du circuit entraîne la
formation d’un gaz ionisé ou « plasma »
assez de chaleur pour entretenir l’émis-
sion d’électrons. La valve à vapeur de
continent. conducteur de courant dans l’espace mercure était née, portant en elle les
entre électrodes. La recombinaison des germes de l’électronique de puissance.
particules ionisées du plasma provoque
externe. Autre exemple, le convertisseur l’émission de lumière tandis que la cha- Les années suivantes virent de nom-
à contacts mécaniques rapides à com- leur dégagée crée de nouveaux ions breux inventeurs et entreprises à vouloir
mande externe ➔ 1 (en fait, un pont en H (excita
t ion) et entretient l’arc. Notons améliorer et commercialiser cet effet
constitué d’interrupteurs mécaniques au que les principes de physique sur les- redresseur.
lieu de valves). Son point faible ? Une quels se fondent aujourd’hui les interrup-
sortie CA dont la forme d’onde est rec- teurs à semi-conducteurs mettent tou- Fabrication des redresseurs à vapeur
tangulaire et non sinusoïdale comme jours en jeu les phénomènes d’excitation, de mercure
celle des groupes moteurs-générateurs. de déplacement d’électrons et de recom- En 1908, l’ingénieur hongrois Béla B.
Un problème partagé par bien des cir- binaison de porteurs de charges. Schäfer entreprend des recherches sur
cuits d’électronique de puissance et les valves à vapeur de mercure pour le
a ssorti de contraintes de maintenance, En 1902, l’inventeur américain Peter compte d’un spécialiste de l’instrumen-
dont la résolution (cf. infra) sera l’un des Cooper Hewitt réalise un montage de tation scientifique de Francfort, Hartmann
grands desseins de l’électronique de deux électrodes, l’une de mercure & Braun (H&B). Un an plus tard, il brevète
puissance moderne : parvenir aux mêmes (cathod e), l’autre de fer ou, ultérieure- une solution pour introduire les fils métal-
résultats mais sans travail mécanique. ment, de graphite (anode), confinées liques dans le verre sans détériorer l’iso-
dans une ampoule de verre vide d’air lation ni l’étanchéité à l’air ; c’est là le
Malgré leurs défauts manifestes, les renfermant du mercure. Il constate que premier d’une longue série de brevets.
convertisseurs à contacts commutaient le flux d’électrons est à sens unique, du En 1911, H&B est la première entreprise
des courants bien supérieurs à ceux des fer au mercure (anode-cathode). Si la allemande à livrer un redresseur, notam-
valves à vapeur de mercure ➔ 2 ; leur cuvette de mercure est rapidement ment à une fonderie de Francfort. Peu
7 2 ABB review 2|13
4 Redresseurs à cuve métallique BBC
Si l’histoire de la
physique des
semi-conducteurs
remonte à 1833,
quand Michael
Faraday remarque
le pouvoir conduc-
teur du sulfure
d’argent, la parfaite
compréhension du
phénomène ne date
que du début des
années 1930.
versé dans le domaine des courants
4a Redresseur HG 5/6 de 1923 (420 A, 650 kW, 4b Imposant redresseur des années 1950 forts industriels, H&B crée en 1913 une
1550 V, 1700 kg) ayant servi à l’électrifica- (2500 A, 2000 kW, 1235 kg, > 3 m de haut) co-entreprise avec le Suisse Brown,
tion de Zweilütschinen (Suisse) ➔ 5.
B overy & Cie (BBC), la société GELAG
(Gleichrichter AG) qui s’établit à Glarus,
en Suisse. GELAG se concentre sur la
5 Électrification du chemin de fer de l’Oberland bernois [2]
recherche-développement tandis que
BBC fabrique les valves à Baden (Suisse)
mais aussi à Mannheim (Allemagne), à
partir de 1916. En 1921, la production
allemande investit le site plus spacieux
de Lampertheim, puis accueille la même
année une acquisition de BBC, la société
berlinoise Gleichrichter GmbH, fondée
en 1919.
Dans les années 1920, BBC reprend
les parts de H&B dans GELAG, dont il
absorbe les activités et qu’il dissout en
1939. En 1995, H&B est acquise par
E lsag Bailey, laquelle passe sous le giron
d’ABB en 1999.
Schäfer quitte GELAG en 1921 pour ou-
vrir un cabinet de conseil. En 1927, il
On doit à BBC l’électrification en 1550 V Notre photographie de 1924 montre la station vend la conception de ses valves au
continu du chemin de fer de l’Oberland (canton de conversion avec, au premier plan, deux groupe de génie électrique suédois
suisse de Berne), en 1913. Le redressement moteurs-générateurs principaux de 220 kW
ASEA (Allmänna Svenska Elktriska Aktie-
était alors assuré par des moteurs-générateurs précédés des deux génératrices auxiliaires de
alimentés en CC par batterie. En 1920, BBC 48 kW à excitation commandable et, en bolaget), qui les produit dès lors à Ludvika.
monte un redresseur à vapeur de mercure en arrière-plan, un seul redresseur à vapeur de Ce sont donc trois entreprises à l’origine
parallèle avec le groupe moteur-générateur mercure de 650 kW, bien moins volumineux. d’ABB qui ont hérité de l’ingéniosité
pour tester sa solution. Ce démonstrateur fait
experte de l’inventeur hongrois.
sensation par son efficacité et sa fiabilité, et [2] Source: « Redresseurs à vapeur de mercure
reste à demeure durant plus de deux ans. Il est de la sous-station de Zweilütschinen, Chemins de
remplacé par une installation permanente en fer de l’Oberland bernois », BROWN BOVERI Conception et mise en œuvre
1923. Review, p. 214, octobre 1925. La faible conductivité thermique du verre
fait que les niveaux de puissance d’une
valve, toujours plus élevés, sont limités
Cent ans de plénitude 7 3
6 Progression exponentielle de la produc- 7 Principe du redressement CA triphasé
tion de mutateurs BBC
R
S
T
CA
Anodes
Cathode
CC
+
–
par la surface de la lampe ➔ 3. Les 1934, BBC forge le terme de « mutateur » pour la plupart isolants. Un groupe de
concepteurs optent alors pour des cuves qu’il préfère à « redresseur » pour dési- non-métaux présente néanmoins une
métalliques à électrodes isolées ➔ 4. Le gner ces nouvelles applications. conductivité intermédiaire : ce sont les
marché des redresseurs à vapeur de « semi-conducteurs », au premier rang
mercure est en pleine ascension ➔ 5 ; la Les fonctions de redresseur et de desquels figurent des éléments simples
production de BBC suit ➔ 6 et hisse convertisseur étant désormais réali- comme le germanium et le silicium, et
l’entrep rise au rang de chef de file de la sables, BBC profite de l’Exposition des composés tels l’arséniure de gallium
technologie. NationaleSuisse de 1939, à Zurich, pour et le carbure de silicium.
présenter en démonstration publique la
Arrêtons-nous sur le circuit d’un redres- première ligne de transport CCHT. Cette Si l’histoire de la physique des semi-
seur ➔ 7 : il s’apparente à un pont en H liaison temporaire de 500 kW 50 kV, ter- conducteurs commence en 1833 avec
dans lequel une enceinte abritant six minée à chaque extrémité par une sta- le savant anglais Michael Faraday, qui
anodes remplit la fonction de six diodes tion de conversion, relie la ville de Wet- observe que le pouvoir conducteur
à semi-conducteurs. tingen au stand BBC ➔ 8, à l’aide d’un d’un corps (en l’occurrence, du sulfate
câble unipolaire de 25 km, le retour se d’argent) varie avec sa température, il faut
Cette valve était capable de fonctionner faisant par la terre. C’est le précurseur attendre le début des années 1930 pour
tant que la température de service restait de la technologie CCHT. comprendre et expliquer le phénomène à
dans les limites fixées et que l’on empê- l’aide de la théorie des bandes d’énergie.
chait l’extinction complète de l’arc, mais Il faudra néanmoins patienter quinze
en l’absence de plasma, elle ne pouvait ans pour voir ASEA réaliser la première On augmente la conductivité des maté-
démarrer sans aide. Il lui fallait une élec- liaison CCHT permanente, entre l’île de riaux semi-conducteurs en implantant
trode auxiliaire à laquelle on appliquait Gotland et la côte suédoise ➔ 9. des atomes correctement sélectionnés
une impulsion à haute tension pour ou « impuretés » dans le réseau cristallin.
amorcer l’arc. La capacité à déclencher La fabrication des redresseurs à vapeur Si ces atomes ont plus d’électrons sur
la conduction arbitrairement, en tout de mercure se poursuit jusqu’au milieu leur couche périphérique, appelée « bande
point de la forme d’onde, présentait des années 1960, laissant place à une de valence », que dans le matériau de
l’intérêt évident de pouvoir commuter de autre « révolution » électronique : les semi- base (semi-conducteur « intrinsèque »),
manière sélective ; un avantage sur les conducteurs. Ces derniers ont pour les électrons libres migrent dans le cris-
valves décrites jusqu’ici, qui étaient avantages une plus grande vitesse et tal, augmentent sa densité en charges
toutes des diodes. Le développement de densité de puissance, une moindre négatives et accroissent sa conductivité :
ces valves commutables, autorisant des masse et de faibles pertes, sans la toxi- c’est le « dopage de type N ». À l’inverse,
commandes amorcées par phase (à cité du mercure. quand les atomes diffusés ont moins
l’image des thyristors actuels), débute d’électrons de valence, le dopage aug-
en 1930. Une fois déclenchée par une Matériaux et composants semi- mente le nombre de trous (type P) dans
impulsion positive sur l’électrode de conducteurs le semi-conducteur intrinsèque. Ces
commande, la conduction dure jusqu’au Les éléments du tableau périodique ou places vacantes sont alors comblées par
prochain passage par zéro du courant. table de Mendeleïev sont généralement les électrons arrachés des atomes voisins,
En connectant plusieurs valves suivant classés en métaux et non-métaux. À déplaçant les trous qui se comportent
un schéma en H, on obtient un conver- l’état pur, les métaux sont conducteurs comme des porteurs positifs et augmen-
tisseur à commutation par le réseau. En d’électricité, quand les non-métaux sont tent aussi la conductivité du matériau.
7 4 ABB review 2|13
8 Stand de démonstration BBC du transport en courant continu à l’aide de redresseurs à 9 L’innovation en héritage
vapeur de mercure (Exposition Nationale Suisse de Zurich, 1939)
1913 BBC commence la production de
redresseurs à vapeur de mercure,
à Baden (Suisse).
1915 BBC équipe le tramway zurichois
(Limmattal Strassenbahn) de redres-
seurs stationnaires.
1921 Lancement de la production BBC
à Lampertheim (Allemagne)
1924 Publication de la théorie de la
commutation par deux ingénieurs BBC,
W. Dällenbach et E. Gerecke
1928 ASEA commence la production
de redresseurs à vapeur de mercure,
à Ludvika (Suède).
1938 BBC équipe une locomotive d’un
redresseur, dans le cadre de l’électrifica-
tion expérimentale allemande en 50 Hz,
à Mannheim.
1939 BBC fait la démonstration du transport
CC 50 kV entre Wettingen et Zurich ➔ 8
1954 Première diode au germanium BBC
1954 Première liaison CCHT, entre l’île baltique
de Gotland et la côte suédoise (ASEA)
1960 Premier thyristor BBC
1961 Liaison CCHT transmanche entre la
Grande-Bretagne et la France (ASEA)
1964 Première locomotive BBC embarquant
Prenons par exemple le plus simple élé- uparavant. Que seraient aujourd’hui
a un redresseur à diodes au silicium pour
ment de la famille des semi-conducteurs, l’informatique en nuage, les réseaux
le chemin de fer suisse du Lötschberg
la diode. La mise en contact d’un semi- sociaux, les microprocesseurs, les data 1967 Première locomotive ASEA embarquant
un redresseur à thyristors pour les
conducteur dopé P et d’un semi-conduc- centers ou services en ligne, par exemple, chemins de fer suédois
teur dopé N au sein d’un même cristal sans circuits électroniques de puissance 1970 Liaison CCHT Pacific Intertie entre Celilo
forme une « jonction P-N » dans laquelle le pour alimenter, commuter, recharger, (Oregon) et Sylmar (Californie du sud),
courant circule de la zone P à la zone N : commander, etc. ? Et que dire de l’essor dernier grand projet mettant en œuvre
des valves à vapeur de mercure
si l’on applique une tension positive dans des énergies renouvelables et leurs pro-
1971 BBC commence la fabrication de
la région P, les porteurs positifs (trous) messes de réduction de la pollution, sans semi-conducteurs à Lampertheim.
sont repoussés et les porteurs négatifs du convertisseurs de puissance capables de 1973 Inauguration d’un centre de recherche
côté N attirés ; arrivés à la jonction, les fiabiliser au meilleur coût leur raccorde- BBC à Dättwil (Suisse)
porteurs se recombinent, chaque électron ment aux grands réseaux électriques ? 1979 Liaison CCHT entre Cabora Bassa
(Mozambique) et Johannesbourg
tombant dans un trou. Inversons la tension : (Afrique du sud) dans le cadre d’un
les porteurs des deux côtés s’éloignent Il aura fallu des décennies de progrès partenariat BBC-AEG-Siemens
de la jonction, bloquant le passage du pour concrétiser ces ambitions. Vers 1981 BBC commence la fabrication de
courant ; la conduction cesse. 1954, BBC et ASEA ouvrent la marche ; semi-conducteurs à Lenzbourg (Suisse).
les premières diodes redresseuses 1984 Liaison CCHT Itaipu–São Paulo, au
Brésil (ASEA)
Pour créer des valves commutables, il fal- 100 V/100 A de BBC sont commerciali-
1987 Premières locomotives BBC à convertis-
lait une méthode de déclenchement sées en 1956. Le matériau de prédilection seurs GTO pour les entreprises
externe de la conduction. Inventé par les de l’époque, le germanium 1, est pourtant ferroviaires suisses BT et SZU
laboratoires Bell en 1947, le transistor jugé inadapté aux applications de puis- 1988 Fusion BBC-ASEA et création d’ABB
bipolaire utilise un champ électrique pour sance du fait de ses contraintes en termes 1993 Début du développement des
transistors BiMOS
contrôler les charges négatives et posi- de tension de blocage et de température.
1996 Lancement de la production d’IGCT
tives dans un monocristal de germanium ; Il est vite supplanté par le silicium.
1998 Ouverture d’une usine BiMOS à Lenzbourg
autrement dit, le passage du courant est
2004 Liaison CCHT des Trois-Gorges (Chine)
tributaire d’une tension de commande. Thyristor
2010 Acquisition du Tchèque Polovodice
Cette découverte de l’« effet transistor » et L’utilisation du transistor dans les amplifi-
2010 Nouvelle usine de semi-conducteurs à
ses prolongements retentissants sur les cateurs analogiques des transmissions Lenzbourg
sciences et les techniques ont bouleversé radio et télécoms, par exemple, est mon- 2012 Lancement de la plate-forme BIGT
l’univers des télécoms et de l’infor naie courante. Mais l’électronique de 2012 Annonce du disjoncteur hybride ABB
matique. Elle s’est accompagnée d’une puissance a d’autres exigences : dans 2013 Lancement de la construction
révolution sans doute plus discrète mais l’idéal, un interrupteur doit commuter à d’un nouveau site de recherche sur les
semi-conducteurs à Dätwill
tout aussi remarquable : la possibilité de l’état passant ou à l’état bloqué, le plus
2013 ABB fête 100 ans d’électronique de
transformer, de convertir et de maîtriser puissance.
l’électricité comme on pouvait difficile- Note
ment l’imaginer quelques décennies 1 D’autres fabricants lui préféraient le sélénium.
Cent ans de plénitude 7 5
10 Évolution de la puissance de commutation des trois principaux 11 Le site suisse de Lenzbourg, fief de la fabrication de semi-
semi-conducteurs de puissance conducteurs ABB ; à droite, la nouvelle usine dédiée aux BiMOS
1,E+08
150 mm
125 mm
100 mm
Puissance de commutation (VA)
Boîtier pressé
IGCT
1,E+07 Boîtier
isolé
GTO
1,E+06
Thyristor
GTO/IGCT
IGBT
1,E+05
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Années
12 Salle blanche ABB à Lenzbourg 13 Vue en coupe d’un boîtier pressé
Dans ce type de boîtier, le courant de charge pénètre par
une surface d et est évacué par le côté opposé. Les
faibles résistances électrique et thermique des contacts
sont garanties par la forte pression mécanique exercée sur
les deux surfaces.
d
b
e c
a
a Radiateur d Cuivre
b Compensation CDT (Mo) e Semi-conducteur
c Boîtier (céramique)
vite possible. On sait en effet que les sens direct si l’on applique une tension Thyristors GTO
pertes dans le dispositif et, par consé- entre l’anode et la cathode. Une fois La production des GTO (Gate Turn-Off
quent, la chaleur dissipée, sont le produit d éclenché, cet effet d’avalanche s’auto- thyristors) débute au milieu des années
du courant et de la tension, ce qui oblige entretient et le courant d’amorçage peut 1980. Le GTO est un thyristor comman-
à rapprocher l’une ou l’autre de ces gran- être supprimé. Le thyristor reste conduc- dable également à l’extinction, par un
deurs de zéro, à la fois pour améliorer teur tant que le courant ne descend pas signal de gâchette de polarité inverse à
l’efficacité énergétique et empêcher la en-dessous d’une valeur critique. Il peut celle nécessaire à l’amorçage. Ce compo
dégradation thermique du composant. alors servir à la conversion commutée sant blocable sans passage artificiel
par le réseau mais pas à l’auto-commu- par le zéro de courant élargit le champ
L’un des premiers semi-conducteurs de tation, sauf à utiliser des composants d’application des semi-conducteurs de
puissance commutables est le thyristor, externes pour forcer artificiellement le puissance en permettant de réaliser, par
dont on doit le principe à William Shockley, passage à zéro de la tension. exemple, des convertisseurs continu-
en 1950. C’est fondamentalement l’équi- continu et des onduleurs auto-commutés.
valent d’une diode PN (cf. supra) dans De 1960 à 1980, la tension de blocage et En outre, ses multiples cycles de com-
laquelle on a intercalé deux autres la puissance maximales par composant mutation au cours d’une demi-alternance
couches semi-conductrices qui empê grimpent presque linéairement : de quasi atténuent la forme d’onde rectangulaire
chent en temps normal la conduction. nulles avant 1960, elles atteignent de la sortie CA. La largeur des impul-
Pourtant, l’injection de courant dans une 6000 V/600 kW vingt ans après ➔ 10. sions de courant varie pour moduler
troisième électrode appelée « gâchette » l’onde et obtenir la forme souhaitée,
inonde cette zone de porteurs de charges, r éduisant les harmoniques.
autorisant le flux d’électrons dans le
7 6 ABB review 2|1314 GTO de différents diamètres 15 Empilement de GTO avec leurs commandes
de gâchette et unités de refroidissement
16 Vue en coupe d’un boîtier isolé 17 Soudage de contacts sur IGBT
Dans ce type de boîtier, le semi-conducteur f est isolé
galvaniquement du radiateur c . Les contacts électriques
dans le module sont réalisés par fils de métallisation.
a
b g
f
d
e
c
a Bornes de puissance d Céramique (en général, AlN)
et de commande e Semelle (en général, AlSiC)
b Fil de métallisation f Semi-conducteur
c Radiateur g Boîtier
Production des diodes, GTO et thyristors. Des culture à Lenzbourg, motivant et respon-
Les premiers semi-conducteurs BBC gammes de produits qui, outre quelques sabilisant sans relâche le personnel. Ces
sont fabriqués à Ennetbaden (Suisse). chevauchements, étaient à l’époque lar- efforts portent leurs fruits : finaliste du
À la fin des années 1960, l’industriel bâtit gement complémentaires. European Quality Award en 1995, le site
une usine ultramoderne à Lampertheim est sacré l’année suivante « Fournisseur
(Allemagne) pour y regrouper toute sa Pour autant, la fabrication des semi- de l’année » par General Electric.
fabrication. Une petite partie de la pro- conducteurs n’est pas reconnue comme
duction d’Ennetbaden, mais aussi le une activité à part entière d’ABB, mais Transistors IGBT
d éveloppement et la présérie sont trans- davantage comme une entité de soutien La plus grande réussite de Nilarp est
férés sur le site de Birr pour s’installer en aux autres lignes de produits comme les sans nul doute l’usine de composants
1981 dans la nouvelle usine de Lenzbourg, variateurs de vitesse ou le CCHT. Déve- BiMOS, inaugurée à Lenzbourg en 1998
toujours en Suisse. loppement des produits et investisse- pour fabriquer tout spécialement des
ments sont alors pour beaucoup tribu- transistors bipolaires à grille isolée (Insu-
En 1988, la fusion d’ASEA et de BBC en taires des besoins des autres pôles de lated-Gate Bipolar Transistors). Leur
« ABB » entraîne la vente de Lampertheim compétence ABB. La situation change avènement accentue la complexité de
à l’Américain IXYS, la fermeture de du tout au tout avec le charismatique la fabrication des semi-conducteurs de
l’usine suédoise d’ASEA à Västeras et le Anders Nilarp. À la tête d’ABB Semi- puissance mais représente aussi un nou-
regroupement de toute la production à conductors, il en fait une activité auto- veau palier technique de performance et
Lenzbourg. ASEA est alors le champion nome qui concurrence directement les de capacité. Un IGBT est, commandé en
des thyristors et des composants redres- autres acteurs du marché. Il entame éga- tension et non en courant. Cette carac-
seurs taillés en biseau négatif, et BBC lement un véritable changement de téristique diminue les exigences de puis-
Cent ans de plénitude 7 718 Modules IGBT en boîtiers moulés HiPak 19 Modules IGBT en boîtiers pressés StakPak
sance et d’espace de la commande de La plupart des gros semi-conducteurs ABB de ces dernières décennies, le
gâchette qui déclenche l’amorçage ou de puissance (thyristors, GTO et IGCT) disjoncteur hybride (p. 6–13).
l’extinction, et permet de réaliser des se caractérise par un boîtier « flottant ».
convertisseurs plus compacts et plus La tranche de silicium est scellée dans Les semi-conducteurs trouvent ici un
légers. L’IGBT surpasse également le
une coque céramique avec les contacts nouveau champ d’action qui confirme
GTO par sa stabilité intrinsèque, qui de cuivre ➔ 13, 14. Ces contacts sont l’inexorable avancée de l’électronique de
l’affranchit des circuits de protection, et plaqués sur le silicium par pression puissance, dans des domaines encore
sa commutation rapide à des fréquences e xterne pour assurer une conductivité
inimaginables il y a quelques années.
plus élevées. électrique et thermique o ptimale. À cette
fin, les composants sont empilés ➔ 15, Ont contribué à cet article : Björn Backlund, Jürgen
Bernauer, Christoph Holtmann, Norbert Lang, Munaf
Thyristors IGCT et les unités de refroidissement habituel-
Rahimo, Marco Rossinelli et Adriaan Welleman.
Pour assurer la commutation « dure » que lement intercalées dans la même pile. Qu’ils en soient vivement remerciés.
réclament les fortes puissances, ABB Ils sont conçus pour court-circuiter en
lance au milieu des années 1990 le thyris- cas de défaillance. Un empilement de
tor intégré commuté par la gâchette (Inte- composants en série offre donc une
grated Gate-Commutated Thyristor). Par- c ertaine redondance pour continuer à
tant d’un GTO, ce dispositif commute fonctionner normalement jusqu’à la pro-
beaucoup plus vite que son aîné, grâce chaine échéance de maintenance.
à une commande de gâchette de faible
inductance. C’est un formidable progrès L’IGBT rompt avec cette pratique. Plutôt
à une époque où d’autres fabricants que d’être implantés sur de grandes
renoncent au développement du GTO,
tranches, les modules IGBT alignent une Andreas Moglestue
décrétant la technologie sans avenir. multitude de petits circuits sur lesquels ABB Review
sont directement soudés les fils de Zurich (Suisse)
En 2010, ABB consolide sa présence sur contact ➔ 16 – 18, Cela évite d’avoir à andreas.moglestue@ch.abb.com
le marché avec l’acquisition du Tchèque empiler les composants et simplifie le
Polovodice qui lui procure un deuxième montage du convertisseur tout en gagnant
Lectures complémentaires
site de production, à Prague, tandis que en légèreté, en compacité et en facilité Zeller, H. R., « Puces savantes : ABB et les semi-
Lenzbourg renforce ses capacités en se de remplacement de chaque m odule en conducteurs de puissance, une révolution silen-
dotant d’une autre usine ➔ 11. maintenance. Les IGBT existent égale- cieuse », Revue ABB, 3/2008, p. 72–78.
ment en boîtier pressé StakPak ➔ 19 Linder, S., « Semi-conducteurs de puissance –
1re partie : fondements et domaines d’application »,
Conception et fabrication pour les applications nécessitant ce type
Revue ABB, 4/2006, p. 34–39.
La fabrication des semi-conducteurs est de montage, comme le CCHT. Linder, S., « Semi-conducteurs de puissance –
des plus délicates. Le substrat de sili- 2e partie : boîtiers et matériaux du futur , Revue ABB,
cium doit être absolument pur et l’opéra- BIGT 1/2007, p. 62–66.
Anwand, E., Kloss, A., « 75 Jahre BBC-Leistungselek-
tion de dopage (P ou N) respecter scru- Le dernier-né de la famille des IGBT est
tronik », Elektroniker, 11/1988.
puleusement les contraintes de durée et le transistor bimode à grille isolée « BIGT » Wetzel, R., Die Geschichte des Quecksilberdampf
de température. C’est pourquoi la fabri- (Bimode Insulated-Gate Transistor), qui gleichrichters bei BBC Deutschland 1913-1963, thèse
cation se déroule dans des « salles intègre la diode en conduction inverse de doctorat de l’université de Stuttgart, 2001.
Haglöf, L., Danfors, P., HVDC Veterans Presentation,
blanches » sous atmosphère contrôlée dans un volume très réduit (lire p.19–23).
Visby Gotland, 2004.
pour minimiser la contamination ➔ 12. Ce transistor va de pair avec l’une des Schiesser, 25 Jahre Brown Boveri Mutator,
plus grandes percées technologiques Brown Boveri Mitteilungen 5/6, 1938.
7 8 ABB review 2|13Vous pouvez aussi lire
