semi-conducteurs de puissance

7/27/2019 Semi-conducteurs de Puissance

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SEMI-CONDUCTEURSDE PUISSANCE

Jol REDOUTEYRev 10/2010


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2

SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE

Les interrupteurs en lectronique depuissance Les diodes rapides Les transistors bipolaires de puissance Les thyristors et les triacs

Les transistors effet de champ MOS Les IGBT


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3

LINTERRUPTEUR de PUISSANCE


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4


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5


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6

Exemple : La diode


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7

Reprsentation image dune jonction

P N

+

+

+

+ +

+

++

++++

+

+ +++

++

++

++

+

++

+

+

-

--

-

- -- -

---

--- ---

--

-

--

-

--++

+-

-

-

- -

-

-

---- -

- --

-

--

--

-

--

-

-

+

++

+

++

+ ++

++

++++

+ +

+

+

+

+

++

+++

+

++

++++

+

+ +++

++

++

++

+

++

+

+

--

--

- -- -

---

--- ---

--

- --

-

--+

++----

-

-

-

---- -

- --

-

--

--

-

--

-

-

+

++

+

++

+ ++

++

++++

+ +

+ +

+

+

++

++

+

+

++

++++

+

+ +++

++

++

++

+

++

+

+-

---

--- --

--

-

--

--

--

-

-

-

---- -

- --

-

--

--

-

--

-

-

+

++

+

++

+ +

++

+ +

++

+-

- Electron libre

ZCE

recombinaison dlectrons avec des trous

Ion positifIon ngatif

+ Trou


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8

Jonction PN lquilibre


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9

++

++

--

--P N

VR

Eext

Eint

Jonction PN en polarisation inverse


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10

caractristique inverse

VR>6V effet davalanche - CTP VR


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VRRM : Reverse Repetitive Maximum Voltage

Valeur garantie par le constructeur

Limite de tension inverse

VRRM

Reverse

ForwardVa

Va>VRRM


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12

++

++

+

+

---

-- -P N

VF

Eext

Eint

Jonction PN en polarisation directe


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13

Conduction dans une jonction PN+

++

++

+

+

----- -P N

+

Eext

Eint

lectronstrous

IF

VF+ -

- -

IFI0 exp(qV/kT)


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14

Caractristique I-V dune jonction PN


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15

Modlisation de la caractristique directe

A fort niveau de courant

il faut tenir compte de larsistance srie de ladiode


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Puissance dissipedtIV

T

P

T

FFd

=

0

1

dtIIRET

P

T

FFd +=0

00 )(1

dtIRT

dtIET

P

T T

FFd +=0 0

2

00

11

dtIT

RdtIT

EPT T

FFd +=0 0

2

00

11

FF IREV 00 +=

2

00 effmoyd

IRIEP +=


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17


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18

Le courant de fuite en inverse dune diode

jonction PN crot trs vite avec la temprature. risque demballement thermique

La temprature maximale de fonctionnementappele temprature maximale de jonctionest spcifie par le constructeur.

Pour des composants silicium Tj max esttoujours infrieure 200 C.

Temprature maximale de jonction Tj max


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19

Courant maximal admissibleCourant maximal admissible2

00 effmoyd IRIEP +=

En gnral, le terme E0Imoy est nettement suprieur auterme R0 Ieff

On classe donc les diodes par calibre de courant moyenmaximal:Iavg max

Le courant maximal admissible est celui qui permet latemprature de jonction de ne pas dpasser sa valeurmaximale dans des conditions de refroidissement

donnes.


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20

vacuation de la chaleurPUCE

e

Botier

P

RadiateurGraisse thermique

Tj

Tb

Trad

Tamb

Rth j-b

Rth b-rad

Rth rad-amb

P

Loi dOhm thermique: T= Rth . P


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21

Une diode BYT08P est utilise dans un

convertisseur flyback.Le courant qui la traverse est triangulairede valeur crte 20A et de rapport cyclique 0,5.

Le constructeur donne:

E0=1,1V R0=24mCalculer la puissance dissipe dans la diode

Exemple


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22

Calcul de radiateurLe constructeur donne:

Tj max=175CRthj-b=2,5C/W

La diode est monte surun refroidisseur parlintermdiaire dun film

isolant dont la rsistancethermique est

Rthb-rad=0,5C/W


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23

Calcul de radiateurLa temprature ambiante

Tamb est de 50C et parscurit on dsire que latemprature de jonction nedpasse pas 150C.

Calculer la rsistance

thermique du radiateurncessaire et satemprature.


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Le radiateur est fix lextrieur du botier delappareil et on dsire quesa temprature ne dpasse

pas 80C par scurit pourles utilisateurs.

Calculer la nouvelle valeur de la rsistancethermique du radiateur adapt et latemprature de jonction.

Calcul de radiateur


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25

Choix du radiateur

Radiateur en aluminiumanodis noirMontage vertical

Convection naturelle


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Ventilation force

+20%:Montage Horizontal+10%:Aluminium brut

Conditions dutilisationRth

Ventilation force suivant la courbe ci-dessous


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27

Comportement dynamique au blocage

E

K

D

R

VRIF

Phase de conduction, K ouvert

+

+


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28

Comportement dynamique au blocage

E

K

D

R

VR

IR

On ferme K, la diode conduit en inverse un court instant avant de se bloquer

-

+


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29

Recouvrement inverse

trr

trr est le temps de recouvrement inverse (reverse recovery)


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Charge stocke

QS =

IF : dure de vie des porteurs minoritaires

IF : courant direct traversant la diode.

La charge stocke durant la conduction dpend de lintensit du courant

direct et de la dure de vie des porteurs minoritaires (temps statistique pourquun lectron libre et un trou se recombinent)

Pour rduire le recouvrement inverse, il faut diminuer la dure de vie


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31

Diodes rapides

251400Ultra fast200,9200Ultra fast

301,3600Ultra fast501,41200Ultra fast

60010001,22000standard

Trr (ns)typ

VF(V)typ

VRRM(V)max

Catgorie


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Consquence du recouvrementCas du hacheur sur charge inductive en conduction continue

K fermE

K

L

R

D

K ouvert

K ouvert commutation K ferm


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33

En lectronique de puissance les transistors

sont utiliss comme des interrupteurs

Rgime de commutation

Ouvert Fermeture Ferm OuvertureOff Turn on On Turn off


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34

NPN et PNP

Dans la pratique essentiellement des NPN

Transistor bipolaire de puissance

NPN PNP

Collecteur

Emetteur

Base Base


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35

Tenue en tension

B-C

B-E

Collecteur

Emetteur

Base

N

P

N

Vce


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36

Vce.

Vceo R open

Vces R=0 short

Tension collecteurmetteur

maximale

NPN

R

Ic

La tension collecteur metteur base ouverte Vceo est la plus faibletenue en tension


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37

12

3Ib

Ic

Vce

1 : Zone linaire2 : zone de quasi saturation3 : saturation vraie

Caractristique fort niveau de

courant

Lorsque Vce devient faible, le gain en courant =Ic/Ib dcrot fortement


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38

EIC

R

Ib Vce

Droite de charge

A

B

E=Vce + RIc droite de charge

On cherche Vce minimal

Ib=150mA Vce=4VIb=200mA Vce=1,4V point A

Ib=350mA Vce=0,4V point BIb=450mA Vce=0,4V point BLe transistor est satur.On dfinit Vce (sat) (Ic sat, Ib sat), le rapport f =Ic sat/Ib sat est appel gain forc

f<

Tension de saturation

collecteurmetteur Vce (sat)


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39

Pertes de conduction

dtIVT

P

T

CCEd =0

1

dtIT

satVP

T

CCEd 0

1)(

Pertes de conduction

Dans les convertisseurs transistors, le courant collecteur est souventtrapzodal ou triangulaire. En prenant Vce (sat) Ic= Icrte on peut

crire:

Valeur par excs


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40

P = Vce Ic +Vbe Ib Vce Ic

Pmax : puissance dissipe correspondant Tj=Tjmax pour Tboitier=25C

Dans le plan Ic Vce, Pmax=Vce Ic estlquation dune hyperbole appele

hyperbole de dissipation maximale

Puissance maximale dissipable


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41

Aire de scuritOn regroupe les limites du transistor sur un mme diagramme Ic-Vce appelaire de scurit (safe operating area)

Vceo

Vce

Ic

Ic max

Pmax


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42



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43


Collecteur

Emetteur

Base Q1 Q2 Qn

RnR2R1


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44

Second claquage


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45

Localisation des points chauds


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46

Aire de scurit


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47

Temps de commutation


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Hacheur en conduction continue

Durant le temps de commutation (


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49

Vk

Ik

ton

t1t0

Vdiode

I diode

t

t

La diode conduitLinterrupteur est ouvert

Pertes de commutation W = 0,5 E I ton

E

Commutation la fermetureI


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50

Ik

Vk

Commutation louverture

tf

t1t0

V diode

I diode

t

t

Linterrupteur est fermLa diode est bloque

E

I

Pertes de commutation W=0,5 E I tf


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51

Pcommut = (0,5 E I ton + 0,5 E I tf) FF: frquence de commutation

Les pertes de commutation sontproportionnelles la frquence dedcoupage et aux temps decommutation

Pertes de commutation


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52

Puissance dissipePd = pertes de conduction

+ pertes de commutation

Calcul du refroidisseur


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On sait que le fonctionnement en saturation dun transistor estcaractris par un phnomne dlargissement de la base. Tout sepasse comme si une partie du collecteur tait transforme en base.

Cette inversion du type de matriau ncessite une certaine quantitde charges, appele charge stocke, qui sont apportes par lecourant base.

La dcroissance du courant collecteur conscutive linversion ducourant base ne peut avoir lieu que lorsquune partie suffisante de lacharge stocke a t vacue. Le temps ncessaire cettevacuation peut tre assimil au temps de stockage.

Le temps de stockage est fortement dpendant du courant inversede base et il existe des techniques de circuit permettant demaintenir ce temps des valeurs faibles.

Temps de stockage


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54

Anti-saturation

D1

D2

C

E

B

V

V = Vd1 + Vbe = Vd2 + Vce si Vd1Vd2

Vce Vbe


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55

Circuit de commande+10V

-5V

Q3Bta=10

Q4Bta=10

Q5PNP

R18.2

D3

Anti sat

Q6Bta=20

R2

68

R31.5k

R410k

R5470

Q7NPNCommande

C1

100nF

C2100nF

+10V

-5V

Ic=10A

Vce max= 400V


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56

Darlington

Q2

Q1

B1

C1

E1

B2

C2

E2

B

C

E

Ic1 = 1.Ib1Ie1 = Ib2Ie1 = (1+1)Ib1

Ic2 =

2.Ib2Ic2 = (1+1) 2 Ib1

Ic 12 Ib


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57

Puces de transistor bipolaire de puissance


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58

Botiers de transistors depuissance

TO3

TOP3

TO220

ISOTOPD2PAK


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59

Botiers TO220


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60

Cellule de commutation


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61

Modules de puissance

THYRISTOR


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62

THYRISTOR

N

P

P

N

Anode

Cathode

Gchette

THYRISTOR


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63

N N

P

P P

N

Anode

Cathode

Gchette

N N

P

P P

N

Anode

Cathode

Gchette

THYRISTOR

THYRISTOR


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64

THYRISTOR

Q1NPN

Q2PNP

Gachette

Cathode

Anode

Ig Ib1

Ic1

Ib2

Ic2

Ic1 = 1 Ib1Ic1 = Ib2Ic2 = 2 Ib2 = 1 2 Ib1

Au dpart Ib1 = Ig

Si 1 2 >1 Ic2 > IgLe thyristor reste amorc sion annule Ig

Si 1 2


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65

collecteur

Ic

1

Icmin

Ic < Icmin < 1

= Ic/Ib

Conditions damorage


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66

Conditions d amorage

CommandCommand

Ig > Igt pendant un temps suffisant (tgt) Iak > IL pour assurer la condition 1 2 >1

SpontanSpontan Tj > Tjmax Tjmax faible ~ 110C

dVak/dt lev Ncessit dun rseauRC de protection

Caractristique dun thyristor


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67

Caractristique d un thyristor

Conditions dextinction


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68

Conditions d extinction

Rendre 1 2 < 1 Iak < IHIH courant de maintien IL courant daccrochage

Ne pas r-appliquer de tension Vak>opendant un temps tq

Tenue en tension


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69

Tenue en tension

NP

PN

Anode

Cathode

Gchette

Bidirectionnel en tension Direct : VDWM Inverse : VRWM

Calibre en courant


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70

Calibre en courant

Courant moyen max ITav

Courant efficace max ITrmsSpcifis pour un courant sinusodal avec

angle de conduction de 180 Courant de surcharge accidentel ITSM

demi sinusode 10 ms protection parfusible It

Exemple BTW69


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71

Exemple BTW69

Puissance dissipe


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72

Puissance dissipe

On modlise la caractristique

VT

IT

Vt0

Rd

VT = Vt0 + Rd IT

Pd = Vto ITav + Rd ITrms

Commande de phase


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73

Commande de phase

Rseau 230V

THYRISTORCircuit de commande

Charge rsistive

Commutation naturelle


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74

Commutation naturelle

Commutation force


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75

Commutation force

Principe:

Annuler le courant dans lethyristor (IT0 pendant un temps tq

Circuit de commutation force


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76

C cu t de co utat o o ce

U1Thyristor principal

D1

C1 L1 Thyristor auxiliaire D2Diode de roue libre

E

+

-+-

TRIAC


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77

Caractristique du TRIAC


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78

q

Caractristique du DIAC


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79

q

Transistor symtrique sans connexion de base

Gradateur de lumire TRIAC


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80

MOSFET de PUISSANCE


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81

Canal N Canal P

gate

Source Source

Drain Drain

Symboles

MOSFET de PUISSANCE


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82

Structure cellulaire


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Structure en bandes


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84

source

drain

gate

MOSFET basse tension, fort courant

N

PN+

Fonctionnement linaire


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ID

= K VGS

Vth

( )2

Dans la zone de fonctionnement linaire (canal pinc)

Vth : tension de seuil

Caractristiques ID=f(VDS,VGS)


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86

MOSFET de PUISSANCE


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87

Si VDS est trs faible:

ID = 2K (VGS - Vth) VDS

RDS = 2K VGS Vth( )[ ]1

Le MOSFET se comporte comme une rsistance RDS oncontrlable par VGS

Rsistance ltat passant: R DS on


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88

R = f(T)


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89

DS on

Puissance dissipe


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90

Puissance dissipe en conduction

PC = RDS ON x ID2

(RMS)

Toujours calculer avec R DS on chaud

Tenue en tension


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91

Aire de scurit


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92

Capacits internes


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93

Forte capacit grille-source

Commande en tension


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94

RD

S

C ent r e

Le circuit de commande (driver) doit avoir une faible rsistance interne

Temps de commutation


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95

ID

VDS

VGS

tftdtrtd

10%

90%

10%

10% 10%

90%

90%

Sur charge rsistive

IGBT


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96

Schma quivalent


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97

Ic

Bras de pont 1200V 150A


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98

Module pont triphas 600V 400A


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99

Module pont triphas 600V 200A


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100

Wafer


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101

Puce

Sur un wafer il y a une grande quantit de puces

Sciage des wafers


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102

Sparation des puces


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103

Montage


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semi-conducteurs de puissance

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