Fonctionnement

Un thyristor possède trois jonctions P-N, nommées J₁, J₂, J₃ à partir de l'anode (voir ci-dessus). Quand V_ak est positive (anode positive par rapport à la cathode), mais qu'aucun courant n'entre par la gâchette, les jonctions J₁ et J₃ sont polarisées positivement (tension positive sur P par rapport à N), tandis que J₂ est polarisée négativement (tension positive sur N par rapport à P). J₂ empêche donc la conduction^[1].

Caractéristique I-V d'un thyristor.

La caractéristique I-V d'un thyristor est présentée ci-contre^[1] :

1. Avalanche, ou tension de claquage négative ;
2. Courant inverse ;
3. Courant de fuite direct ;
4. Tension d'amorçage (tension de « claquage » positive) directe ;
5. Courant de maintien :
6. Courant de conduction.

Si la tension V_ak dépasse la valeur de la tension d'amorçage (4 sur la caractéristique), alors la jonction J₂ se met à conduire, le thyristor aussi (6 sur la caractéristique)^[1].

Si V_gk est positive, alors la valeur de la tension d'amorçage diminue : V_ak doit être plus faible pour que le thyristor conduise. En choisissant judicieusement I_gk, on peut amorcer facilement le thyristor.

Influence du courant de gâchette sur la caractéristique I-V d'un thyristor.

Une fois que l'effet d'avalanche a eu lieu, le thyristor continue à conduire quelle que soit la valeur du courant de gâchette jusqu'à ce que, soit :

1. Le courant I_ak devienne inférieur à la valeur du courant de maintien (5 sur la caractéristique) ;
2. V_ak devienne négative (voir aussi : Défaut de commutation).

V_gk peut donc être délivrée de manière impulsionnelle, par exemple grâce à la tension de sortie d'un oscillateur de relaxation de type transistor unijonction.

Quand le thyristor se trouve dans un système en courant alternatif sinusoÏdal, ce qui est généralement le cas, il est d'usage de définir le retard t₀, entre le moment où V_ak devient positive et le début de l'impulsion de la gâchette, par un angle, appelé « angle de retard à l'amorçage (ou à l'ouverture) » et noté α, tel que α = ω × t₀^[3].

La gâchette est caractérisée par sa tension d'amorçage, notée V_gk, et son courant d'amorçage, noté I_gk ; le circuit de commande doit être tel que la droite de charge du générateur soit placée dans la partie de l'amorçage sûr de la caractéristique tension/courant de la jonction gâchette-cathode^[4]. La durée de l'impulsion dépend de la nature de la charge, en cas de charge inductive l'impulsion doit avoir une durée supérieure^[4] au temps nécessaire pour que le courant I_ak dépasse la valeur du courant de maintien I_H. Le temps total d'amorçage du thyristor (délai d'amorçage plus temps d'amorçage) est dépendant de l'amplitude du courant de gâchette, plus ce courant est élevé plus le temps est court et inversement^[5].

Commutation

Si l'on veut bloquer le thyristor alors qu'il est déjà à l'état conducteur, il faut utiliser un circuit extérieur. La première possibilité est d'appliquer une tension négative à ses bornes, on parle alors de commutation par la ligne (le réseau électrique alternatif, par exemple) ou de commutation naturelle. La seconde consiste à activer un second thyristor qui va alors permettre la décharge d'une capacité à travers la cathode du premier thyristor. On parle alors de commutation forcée^[2].

Défaut de commutation

Un thyristor a besoin d'un temps de blocage t_q pour retrouver sa capacité isolante après l'interruption du courant.

Après l'extinction du courant, un thyristor a besoin d'un temps de repos avant de retrouver son pouvoir bloquant^[6]. On parle de temps de blocage^{[anglais 4]} ou de désamorçage^[6] noté t_q. Son ordre de grandeur est variable selon les types de thyristors (classiquement de 10 à 100 µs)^[6]. Si une tension positive est appliquée à ses bornes avant la fin de ce délai, les porteurs de charge (trous et électrons) ne se sont par encore tous recombinés, et le thyristor se réamorce sans impulsion de gâchette. On parle de défaut de commutation^{[anglais 5],[2]}.

Ainsi, si la fréquence est élevée, un temps de repos faible est nécessaire. Des thyristors rapides peuvent être réalisés par diffusion d'ions de métaux lourds, tels que l'or ou le platine, qui rendent la recombinaison du silicium plus brève. En 2014, d'autres solutions sont privilégiées : soit le silicium est irradié par des électrons ou des protons, soit en implantant des ions. L'irradiation est plus polyvalente que le dopage aux métaux lourds, car le dosage peut être ajusté par petite touche, même à la fin de la fabrication.

Le thyristor peut également devenir passant de manière intempestive si^[2] :

1. Le thyristor est à l'état bloqué et la tension V_ak dépasse un niveau élevé appelé tension de retournement (1 sur la caractéristique), il devient alors passant « sans commande sur la gâchette » ;
2. La vitesse de montée de la tension au blocage V_ak (dv/dt) est trop rapide. Ceci même si la tension est inférieure à la tension de retournement. Ce qui arrive dans le cas d'une tension carrée par exemple.

Afin de limiter la montée en tension, un circuit amortisseur^{[anglais 6]} peut être monté entre l'anode et la cathode du thyristor. Il peut s'agir d'un simple circuit RC.

Enfin, les fabricants de thyristors définissent généralement une plage de tension, de courant et de températures pour le fonctionnement nominal. La puissance maximale de la gâchette est également à prendre en compte^[4]. Le courant I_ak ne doit pas s'établir trop rapidement (di/dt) sous peine de produire un échauffement^[2] localisé trop important du composant pouvant conduire à sa destruction^[6].

Invention

Le Silicon Controlled Rectifier (SCR), plus tard renommé thyristor, a été imaginé par William Shockley en 1950, l'idée a muri ensuite grâce au travail du Bell labs et de Moll en particulier. Finalement, il est construit en 1956 par des ingénieurs de General Electric dirigés par Gordon Hall. Il est enfin commercialisé par Frank W. « Bill » Gutzwiller, un employé de GE^[7].

Étymologie

Un tube à gaz antérieur, appelé thyratron, possédait des capacités électroniques similaires au thyristor. Une faible tension de commande permettant de commuter un courant important. Le mélange des mots « thyratron » et « transistor » donne le terme « thyristor », qui remplace vers 1965 le sigle SCR utilisé par General Electric. Le mot thyratron est lui-même composé du préfixe « thyr- », venant du grec thura signifiant porte, et du suffixe tron signifiant instrument^[8].

Thyristor à conduction inverse

Un thyristor à conduction inverse possède une diode intégrée montée tête-bêche par rapport au thyristor^[2],[9]. Cela permet d'économiser une diode de roue libre dans certains circuits^[9]. Par ailleurs, les deux éléments ne conduisant jamais simultanément, un système de refroidissement commun peut être employé. Ils sont souvent utilisés dans les onduleurs et les changeurs de fréquence.

Thyristor à commande optique

Les thyristors amorcés optiquement (Light triggered thyristor) utilisent la lumière en lieu et place du courant pour activer la gâchette. Cette dernière est alors placée au centre du thyristor. Le faisceau lumineux, en général des infrarouges, est transmis grâce à une fibre optique. Cette solution est utilisée dans les applications très haute tension, typiquement les HVDC, pour ne pas avoir à placer l'électronique de la gâchette au potentiel des thyristors^[11],[12].

Thyristor au carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau pouvant remplacer le silicium dans la construction des thyristors. Il a l'avantage de supporter des températures ambiantes allant jusqu'à 350 °C. Leur utilisation est relativement récente^[13].

Faibles puissances

Les thyristors ou les Triacs, c'est-à-dire deux thyristors montés en tête-bêche, de faible puissance servent à commander la vitesse de rotation des moteurs universels des appareils électroménagers. Ils peuvent aussi servir à tamiser la lumière dans les cinémas notamment, où ils ont remplacé les autotransformateurs et les rhéostats. Ils servent également dans les flashs des appareils photo. À la fin des années 1970, ils ont été employés, également sous forme de Triacs, dans l'alimentation des téléviseurs afin de stabiliser la tension continue délivrée au circuit. En fonction de la tension alternative fournie, l'angle de retard des thyristors est adapté afin de compenser les fluctuations. Plus tard, ils ont été remplacés par les transistors bipolaires et les MOSFET.

Combinés à une diode Zener, ils peuvent servir à protéger les circuits numériques contre les surtensions. En fonctionnement normal, les deux éléments sont bloqués. Si la tension devient supérieure à la tension Zener, le thyristor devient conducteur et provoque un court-circuit qui fait fondre le fusible protégeant l'alimentation. L'avantage de ce dispositif par rapport à un simple interrupteur est de permettre d'évacuer les charges et la surtension vers la terre.

Puissances moyennes

Banc de thyristors de puissance : 11 V et 20 kA. Les thyristors sont refroidis par un circuit d'eau. La sortie du + sont les barres du haut, la sortie du - sont les barres du bas.

Les thyristors sont très utilisés dans l'industrie quand la puissance excède environ 2 kW. Ils servent alors souvent de redresseurs. Ils permettent de commander les moteurs électriques asynchrones à cage d'écureuil en couple et ainsi de limiter les courants de démarrage. Pour les moteurs à courant continu, les thyristors permettent de commander la vitesse en réglant la tension de sortie du redresseur^[14].

Dans le cas de circuit redresseur/onduleur, permettant de changer la fréquence, les thyristors sont utilisés pour régler la tension continue entre les deux éléments.

Pour le domaine de fréquences allant de quelques milliers de Hz à quelques dizaines de kHz où les thyristors étaient auparavant utilisés, on utilise plutôt, depuis les années 2000, des IGBT plus adaptés à ces applications.

• Thyristors et pont de Graetz
• 
  Pont de Graetz triphasé à base de thyristors, monté en redresseur.
• 
  Tension et courant sortant du pont de Graetz, avec l'angle de retard des thyristors égal à zéro.
• 
  Tension et courant sortant du pont de Graetz, avec l'angle de retard des thyristors égal à 20°.
• 
  Tension et courant sortant du pont de Graetz, avec l'angle de retard des thyristors égal à 40°.

Puissances élevées

Valves de la ligne HVDC Nelson River DC Transmission System.

Les thyristors ayant à la fois un courant permanent admissible élevé et une tension de blocage importante, ils sont adaptés aux applications mettant en jeu de grandes puissances électriques. Les lignes haute tension à courant continu (HVDC) tirent tout particulièrement parti de ces propriétés pour redresser le courant alternatif d'une part et l'onduler d'autre part. Ce domaine emploie des thyristors amorcés électriquement (ETT) mais également des transistors amorcés optiquement (LTT) ces derniers permettant d'avoir l'électronique de commande et les thyristors à des potentiels différents, mais leur fabrication et la conception sont globalement plus complexes^[12]. Pour les HVDC, les thyristors sont disposés en valves, c'est-à-dire en interrupteurs. Chacune est constituée de nombreux thyristors en série et en parallèle : en série pour augmenter la tension, en parallèle pour le courant. Les valves sont en général suspendues au plafond pour les isoler électriquement du sol. Pour évacuer leur pertes, les thyristors sont refroidis à l'eau déionisée^[11].

Les FACTS, qui servent à stabiliser et à optimiser les réseaux électriques, et ont une conception proches des HVDC utilisent également les thyristors.

Pour la commande des moteurs électriques grandes puissances, comme en moyenne puissance, les thyristors sont employés. Ainsi les premiers ICE les utilisaient, dans les nouveaux cependant, des GTO et IGCT les ont remplacés.

Les redresseurs à thyristors peuvent aussi servir à l'électrolyse de l'aluminium ou du chlore.

Traductions

Références

• (de) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en allemand intitulé « Thyristor » (voir la liste des auteurs).

Articles connexes

• Triac
• MOS controlled thyristor (MCT)