Les composants semi-conducteurs de puissance à large bande interdite (WBG) tels que le SiC (carbure de silicium) sont essentiels pour les applications modernes, notamment dans les domaines de l'automobile et des énergies renouvelables, en particulier en ce qui concerne la densité de puissance et les aspects thermiques. Alors que notre monde se tourne vers des sources d'énergie durables (principalement électriques), l'importance du rendement est plus grande que jamais.
Ajay Sattu, directeur de la gamme de produits d’alimentation industrielle chez Onsemi, examine comment les composants SiC évoluent pour répondre aux défis des applications les plus récentes, et également, comment une chaîne d'approvisionnement intégrée et robuste est essentielle pour assurer un succès durable.
Principaux marchés : l'industrie et l'automobile
Si nous considérons deux des principaux marchés, l'industrie et l'automobile, les principales tendances dominantes sont l'augmentation du rendement, le format et l'amélioration de la détection grâce à la détection d'images.
Dans le secteur industriel, les progrès des Mosfet et des modules de puissance sont mis à disposition pour améliorer le rendement énergétique et le coût d'un large éventail de systèmes industriels. Les infrastructures de recharge des véhicules électriques et les applications d'énergie alternative/renouvelable telles que l'énergie solaire sont deux domaines qui présentent un avantage particulier.
Le coût et la performance sont des éléments communs à de nombreuses applications industrielles. Les concepteurs doivent relever le défi de fournir plus de puissance à partir d'onduleurs solaires sans augmenter la taille ou de réduire les coûts de refroidissement associés au stockage de l'énergie. La recharge abordable est considérée comme une passerelle vers la prolifération des véhicules de tourisme électrifiés. Toutefois, il est essentiel de permettre une capacité de charge plus rapide par le biais d'une boîte murale à courant continu (CC) ou d'une charge rapide CC, sans nécessiter de refroidissement supplémentaire.
Amélioration des performances des véhicules électriques et hybrides
Dans le domaine automobile, le rendement est inextricablement lié à l'autonomie du véhicule ainsi qu'à la taille, au poids et au coût de l'électronique embarquée. Le déploiement de solutions SiC par rapport aux modules d'alimentation IGBT dans les véhicules électriques et hybrides permet d'améliorer considérablement les performances, tout en bénéficiant d'une meilleure gestion de l'énergie dans les unités centrales de traitement, l'éclairage Led et l'électronique de carrosserie.
L'onduleur de traction est un élément clé car il a un impact sur l'efficacité globale du véhicule et définit donc son autonomie. Compte tenu du profil de conduite, un véhicule de tourisme léger fonctionne la plupart du temps dans des conditions de faible charge et, à ce titre, les avantages en termes d'amélioration de l'efficacité des solutions SiC par rapport aux solutions IGBT sont avérés. En outre, le chargeur embarqué (OBC) doit être aussi petit que possible. Des formats plus petits ne peuvent être obtenus qu'avec des dispositifs WBG qui permettent une fréquence de commutation plus élevée. Chaque pourcentage d'énergie économisé permet au véhicule d'améliorer le kilométrage global et d'atténuer l'anxiété liée à l'autonomie.
Avantages de la technologie SiC dans les applications modernes
Chaque conversion d'énergie dans les applications automobiles et industrielles repose sur l’utilisation de transistors de commutation et de diodes à base de semi-conducteurs pour être efficace et réduire les pertes de conversion. Par conséquent, l'industrie semi-conducteurs s'est efforcée d'améliorer les performances des semi-conducteurs à base de silicium utilisés dans les applications de puissance, en particulier les IGBT, les Mosfet et les diodes. Cette évolution, associée à l'innovation dans les topologies de conversion énergétique, a permis d'obtenir des performances plus élevées que jamais.
Les matériaux à large bande interdite (WBG) tels que le SiC et le nitrure de gallium (GaN) sont très prometteurs pour l'avenir. La demande des systèmes électriques en matière de performances, de densité et de fiabilité accrues pousse la technologie SiC à devenir de plus en plus performante.
Mosfet et diodes à base de SiC
Qu'il s'agisse des profils de mission de la traction automobile, des onduleurs solaires ou des chargeurs de véhicules électriques, les Mosfet et diodes à base de SiC offrent de meilleures performances et de meilleurs coûts au niveau système que les IGBT et les redresseurs à base de pur silicium. Le côté large bande interdite du SiC permet des champs critiques plus élevés que ceux du silicium, ce qui se traduit par une capacité de tension de blocage plus élevée, telle que 1700V et à l’avenir 2kV ou plus. En outre, le SiC présente une mobilité électronique et une vitesse de saturation intrinsèquement plus élevées que les composants en silicium, ce qui permet de fonctionner à des fréquences et à des températures de jonction nettement plus élevées, ce qui est très avantageux. En outre, les dispositifs SiC peuvent commuter avec des pertes relativement faibles autorisant des fréquences plus élevées, ce qui réduit la taille, le poids et le coût des composants passifs associés, y compris les composants magnétiques et les condensateurs.
Les pertes de conduction et de commutation nettement plus faibles signifient que les solutions de puissance SiC génèrent moins de pertes. Associé à la capacité de fonctionner à des températures de jonction (Tj) allant jusqu'à 175°C, le besoin en dissipation thermique, comme les ventilateurs et les radiateurs, est considérablement réduit, ce qui permet de diminuer la taille, le poids et le coût du système et d'assurer une plus grande fiabilité, même dans les applications difficiles où l'espace est réduit.
Besoin de dispositifs à plus haute tension
La large bande interdite du SiC permet des champs électriques dans le matériau SIC plus élevés que ceux du silicium, ce qui se traduit par une capacité de tension de blocage plus élevée, telle que 1700V et 2000V. Pour une puissance donnée, l'augmentation des tensions permet de réduire les exigences en matière de capacité en courant pour une puissance identique et donc les pertes globales dans le cuivre ou de conduction. Dans les applications d'énergie renouvelable telles que les systèmes solaires photovoltaïques (SSP), la tension du bus continu des panneaux PSP est passée de 600 V à 1500 V pour améliorer l'efficacité. De même, les véhicules légers passent d'un bus de 400 V à un bus de 800 V (et dans certains cas de 1000 V) afin d'améliorer l'efficacité et de réduire les temps de charge. Dans le passé, des dispositifs de 750 V étaient utilisés pour des tensions de bus de 400 V, mais aujourd'hui, avec des tensions plus élevées, des valeurs de tension de blocage telles que 1200 V et même 1700 V sont nécessaires pour assurer un fonctionnement fiable dans ces applications.
Dernière technologie
Pour répondre à ce besoin de tensions de blocage plus élevées, Onsemi a développé une gamme de Mosfet Planar EliteSiC M1 1700V optimisés pour les applications de commutation rapide. L'un des premiers composants disponibles est le NTH4L028N170M1 qui a une VDSS de 1700 V et une VGS étendue de -15/+25 V. Le composant a une excellente valeur RDS(ON) typique de seulement 28 mꭥ.
Les Mosfet 1700 V peuvent fonctionner avec des températures de jonction (Tj) allant jusqu'à 175°C, ce qui permet de réduire considérablement le dissipateur thermique, voire de l'éliminer complètement. Le NTH4L028N170M1 est disponible dans le boitier (TO247-4L) offrant une quatrième broche qui est la source de commande (dite Kelvin) qui améliore l’efficacité lors des commutations et les oscillations sur la tension de grille. La configuration D2PAK-7L (NTBG028N170M1) est également disponible, ce qui réduit encore plus les inductances parasites du boîtier.
Parallèlement aux Mosfet, Onsemi a une gamme de diodes Schottky SiC de 1700 V. Avec cette valeur, les dispositifs de la famille D1 offrent une plus grande marge de tension entre VRRM et la tension inverse répétitive maximale de la diode. En particulier, ces diodes offrent une tension de chute plus faible et un excellent courant de fuite inverse, même à haute température - permettant aux concepteurs d'obtenir un fonctionnement stable à haute tension et à des températures élevées.
Les diodes (NDSH25170A & NDSH10170A) sont disponibles en boîtier TO-247-2L et sous forme de puce nue, ainsi qu'une version 100 A indisponible en boîtier.
Considérations relatives à la chaîne d'approvisionnement
En raison de la disponibilité des composants qui entrave les chaînes de production dans certains secteurs, il est très important, lors de la sélection de composants ou technologies, de prendre en compte la capacité d'approvisionnement. Afin d'assurer un approvisionnement fiable pour les clients et de soutenir une croissance rapide, Onsemi a acquis GTAT. Non seulement cela renforce sa chaîne d'approvisionnement, mais cela permet également à Onsemi de tirer parti de l'expérience technique de GTAT.
Les usines de fabrication de Onsemi sont conçues pour une production à grande échelle et une maîtrise de la qualité tout au long de la chaine de fabrication, incluant la croissance des boules de SiC, la découpe des substrats, la croissance de la couche d’épitaxie, la diffusion des composants, l’encapsulation en modules intégrés ou en boîtiers discrets.
Pour soutenir la croissance anticipée du SiC au cours des prochaines années, Onsemi a annoncé ses plans pour établir une unité de fabrication de SiC entièrement intégrée et à la pointe de la technologie en République tchèque. Cela soutiendra les installations américaines existantes de l'entreprise et l'expansion récemment achevée de sa plus grande usine de fabrication de SiC au monde à Bucheon, en Corée du Sud.
