IGBT et MOSFET de puissance en carbure de silicium

Le carbure de silicium est un composé fréquemment utilisé dans les dispositifs d'électronique de puissance. Il présente diverses propriétés qui permettent d'améliorer les performances par rapport aux dispositifs à base de silicium, notamment une tension de blocage plus élevée et une résistance spécifique à l'état passant plus faible.

Les travaux de recherche menés par Littelfuse sur ces caractéristiques ont débouché sur une nouvelle technologie destinée à améliorer le rendement des systèmes basés sur des AGPU. Littelfuse a mené avec succès des essais approfondis à l'aide de systèmes expérimentaux développés dans le cadre de ce projet de recherche, qui ont démontré l'efficacité de cette technologie.

Coût

Le carbure de silicium, un alliage composé de silicium et de carbone, est utilisé depuis longtemps comme matériau abrasif dans les meules, depuis son apparition dans les meules des années 1920. Il a ensuite été utilisé dans la production de céramiques pour gilets pare-balles et, plus récemment, comme substrat pour la fabrication de semi-conducteurs de puissance. Récemment, cependant, on a découvert qu'il possédait plusieurs propriétés uniques qui le rendent particulièrement adapté à la fabrication de composants électroniques, notamment à la production de semi-conducteurs de puissance.

Le SiC, ou carbure de silicium, pourrait révolutionner l'électronique de puissance en tant qu'alternative aux composants à base de silicium, grâce à ses propriétés électriques uniques qui lui confèrent des avantages significatifs par rapport aux IGBT et aux MOSFET en silicium.

Grâce à leur champ électrique de claquage élevé, les semi-conducteurs à base de nitrure permettent de créer des couches de grille et de dérive bien plus fines que celles réalisables avec le silicium, ce qui se traduit par des tensions de fonctionnement plus élevées et des temps de commutation plus courts ; de plus, les températures de fonctionnement peuvent être bien supérieures à celles des semi-conducteurs classiques à base de silicium.

Tous ces facteurs se combinent pour donner naissance à un semi-conducteur offrant des performances supérieures dans de nombreuses applications, ce qui a conduit à son utilisation généralisée dans les conceptions d'électronique de puissance, telles que les chargeurs de véhicules électriques, les onduleurs solaires et les onduleurs de traction.

Le carbure de silicium peut supporter des niveaux élevés de transitoires sans subir de dégradation, ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les topologies de commutation « dure » et « douce », telles que les topologies LLC et ZVS.

Les modules de puissance WolfPACK de Wolfspeed constituent un choix idéal pour ce type d'applications et offrent de nombreuses fonctionnalités qui les rendent parfaitement adaptés aux chargeurs de véhicules électriques haute performance, aux onduleurs solaires, aux onduleurs de traction et à la distribution électrique dans les centres de données. Pour en savoir plus sur cette technologie et découvrir comment elle peut vous aider à optimiser le rendement et les performances de votre prochaine conception, téléchargez notre livre blanc :

Performances

Le carbure de silicium, communément appelé SiC, est devenu un matériau de plus en plus utilisé dans l'électronique de puissance en raison de ses propriétés uniques. Le SiC présente une intensité de champ électrique exceptionnelle qui permet d’améliorer considérablement les performances des MOSFET et offre aux concepteurs la possibilité de développer des dispositifs capables de gérer des transitoires de puissance qui provoqueraient normalement la défaillance des IGBT traditionnels ou des MOSFET de puissance standard.

Le carbure de silicium peut fonctionner à des températures plus élevées que le silicium, ce qui réduit la production de chaleur au sein des circuits de puissance, améliore le rendement et diminue les pertes thermiques, permettant ainsi de préserver davantage d'énergie et de réaliser des économies sur le gaspillage d'énergie. De plus, le SiC offre une meilleure protection contre les arcs électriques et les surtensions, ce qui est avantageux tant dans le secteur automobile que dans le secteur industriel.

Le SiC présente un autre avantage : ses faibles pertes de commutation, notamment par rapport aux transistors au silicium ; les MOSFET en SiC affichent des pertes de puissance par conduction plus faibles et peuvent s'activer et se désactiver plus rapidement, ce qui améliore les performances globales du système – ce qui s'avère particulièrement utile dans les applications où les commutateurs de puissance doivent s'activer et se désactiver fréquemment.

Les modules de puissance en carbure de silicium sont capables de gérer des courants élevés, ce qui les rend parfaits pour les applications exigeantes. Ils peuvent supporter jusqu'à 40 ampères en continu ou de brèves pointes de 100 ampères, ce qui est nettement supérieur aux IGBT traditionnels en silicium, qui ne supportent qu'un fonctionnement continu à 10 ampères.

Afin d'évaluer les performances des IGBT au SiC, plusieurs systèmes expérimentaux ont été mis au point. Il s'agissait notamment d'un système AGPU, d'un test à impulsion unique (SPT) et de systèmes d'onduleurs triphasés. Ces trois systèmes ont démontré que les IGBT au SiC surpassaient leurs homologues en silicium tant en termes de caractéristiques de commutation « dure » et « douce » qu'en termes de rendement.

Toutefois, lors de l'utilisation d'un IGBT au SiC, il est nécessaire de tenir compte des exigences relatives à son circuit de commande de grille. En particulier, son inductance doit être aussi faible que possible afin d'éviter les oscillations et les interférences électromagnétiques (EMI), et il doit également supporter la tension de grille requise lors des opérations de mise sous tension et de coupure.

Sécurité

Le carbure de silicium est un matériau émergent qui présente de nombreux avantages par rapport à ses homologues en silicium. Entre autres caractéristiques, le carbure de silicium se distingue par une meilleure dissipation thermique, tout en offrant une résistance critique à la rupture plus élevée (jusqu’à 10 fois supérieure) et une plus grande fiabilité dans les environnements à haute température. De plus, les pertes de commutation et de conduction sont plus faibles, ce qui se traduit par un meilleur rendement ; ces qualités font du carbure de silicium un matériau idéal pour les applications de conversion de puissance.

Le carbure de silicium (SiC) est un composé de silicium et de carbone doté de caractéristiques électriques exceptionnelles qui le rendent particulièrement adapté aux applications dans le domaine des semi-conducteurs de puissance. La sécurité, le respect de l'environnement et les excellentes performances du SiC en font un matériau particulièrement adapté aux onduleurs, aux chargeurs embarqués, aux convertisseurs CC/CC et aux convertisseurs CC/CA ; de plus, cette nouvelle technologie pourrait potentiellement augmenter l'autonomie des véhicules électriques de près de 6 %.

Les MOSFET de puissance en SiC se caractérisent par une résistance de commutation plus faible et des temps de mise sous tension et de coupure plus courts que leurs équivalents IGBT en silicium, ce qui leur permet d'offrir une capacité de courant élevée dans un boîtier compact, avec un nombre réduit de composants externes, ce qui se traduit par des économies et une fiabilité accrue.

Le SiC constitue un excellent choix de matériau en raison de sa capacité à résister à des transitoires de tension soudains, ce qui offre une sécurité supplémentaire en cas de défaut. Cette caractéristique permet également de gérer les courants de court-circuit, garantissant ainsi une meilleure protection contre ces derniers.

Les IGBT au SiC constituent un choix idéal pour les modules de puissance hybrides, car leur plage de températures de fonctionnement dépasse celle des IGBT standard – cette caractéristique est particulièrement importante dans les environnements industriels où les composants peuvent être exposés à des conditions difficiles. De plus, leur amplitude de tension grille-émetteur plus importante leur permet de fonctionner à des niveaux de courant plus élevés sans problèmes de dépassement ou de sous-dépassement.

Applications

Les semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium sont de plus en plus plébiscités pour diverses applications. Leur rendement énergétique dépasse de loin celui de leurs homologues traditionnels en silicium et ils peuvent supporter des températures plus élevées sans subir de dommages. De plus, leurs pertes de commutation réduites permettent d'atteindre des fréquences plus élevées que les transistors en silicium classiques, ce qui les rend parfaits pour les topologies de commutation « dures » et résonnantes. De plus, leur résistance critique à la rupture, bien supérieure à celle des MOSFET standard, les rend encore plus robustes face aux charges à haute tension.

Des chercheurs ont récemment utilisé la technique SPT pour mesurer les caractéristiques de commutation des IGBT au silicium et des IGBT au carbure de silicium sous des charges résistives et RL. Leurs mesures ont révélé que les IGBT au carbure de silicium présentaient des pertes de commutation plus faibles en raison d'une résistance collecteur-émetteur plus faible et de temps de commutation plus courts, ce qui se traduisait par un meilleur rendement de conversion.

Bien que les IGBT soient généralement considérés comme la solution idéale pour les convertisseurs de tension industriels, ils ne constituent pas toujours la solution optimale dans toutes les applications. Leurs pertes de commutation plus élevées, comparées à celles d’autres types de semi-conducteurs de puissance, peuvent entraîner une élévation significative de la température dans les systèmes, augmenter la dissipation thermique et réduire le rendement ; heureusement, les récentes avancées dans le domaine des semi-conducteurs permettent aux concepteurs de réduire ces pertes de commutation.

Les MOSFET de puissance au carbure de silicium présentent une résistance critique à la rupture bien supérieure à celle des IGBT et fonctionnent de manière fiable à des températures bien plus élevées, ce qui leur permet de résister aux transitoires rencontrés dans les réseaux électriques et, par conséquent, d'améliorer la fiabilité globale.

Infineon propose des technologies IGBT et au carbure de silicium destinées à des applications allant des onduleurs de traction aux onduleurs solaires, ainsi que des circuits d'attaque pour IGBT et des MOSFET de puissance au carbure de silicium qui offrent des performances et un rendement optimaux dans les topologies à commutation dure, ainsi que des fréquences de commutation accrues, ce qui permet de réduire la taille et le poids des systèmes tout en augmentant leur densité de puissance.