Ces dernières années, on a constaté l'adoption croissante de semi-conducteurs à large bande, tels que le carbure de silicium (SiC), dans les onduleurs des véhicules électriques, en remplacement des transistors bipolaires à grille isolée en silicium (IGBT Si). L'utilisation du SiC permet d'obtenir des modules de puissance plus denses et fonctionnant à des températures plus élevées, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives en matière de gestion thermique et des matériaux pour l'électronique de puissance des véhicules.
La transition vers le SiC
Malgré le coût croissant des transistors MOSFET (transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) en carbure de silicium (SiC), leur pénétration du marché des véhicules électriques a été considérable. Selon une étude d'IDTechEx, en 2020, les onduleurs à MOSFET SiC représentaient près de 30 % du marché mondial des véhicules électriques. Tesla a lancé cette tendance en 2018, et d'autres constructeurs comme BYD commercialisent déjà des véhicules de cette technologie. Des géants tels que Stellantis et Hyundai intègrent des composants électroniques de puissance en SiC dans leurs modèles d'entrée de gamme afin d'optimiser le fonctionnement de leurs plateformes haute tension (800 V).
Défis de la gestion thermique
L'électronique de puissance des véhicules électriques présente des défis importants en matière de gestion thermique, et l'adoption du carbure de silicium (SiC) modifie plusieurs aspects de la conception des modules et des boîtiers, ainsi que le choix des matériaux. Dans un boîtier d'électronique de puissance traditionnel, plusieurs points de défaillance potentiels apparaissent lors des cycles thermiques. Lorsque le boîtier chauffe et refroidit, la différence de dilatation thermique entre les matériaux entraîne la dégradation de diverses connexions, notamment les épissures de fils, les jonctions de puces et les jonctions de substrat. Dans les boîtiers en SiC, la densité de puissance et la température de fonctionnement peuvent être considérablement augmentées, ce qui rend certaines solutions traditionnelles inadaptées.
Aujourd'hui, les épissures de fils d'aluminium constituent la technologie d'interconnexion dominante ; cependant, elles représentent un point faible fréquent. Ceci a conduit à une utilisation accrue d'épissures de fils en alliages d'aluminium, en cuivre, voire par liaison directe. Les matériaux utilisés pour la fixation des matrices sont également critiques. Cette fixation est généralement réalisée par brasage traditionnel, mais à des températures de fonctionnement élevées (en particulier avec le SiC), le brasage SAC (étain-argent-cuivre) standard peut s'avérer peu fiable, ce qui a favorisé l'émergence d'alternatives telles que le frittage d'argent, offrant des performances nettement supérieures lors des cycles thermiques. Le boîtier Tesla de STMicroelectronics utilise une combinaison d'épissures de rubans de cuivre et d'épissures de fils d'aluminium frittés à l'argent pour sa fixation à la matrice. Nous portons un grand intérêt à ces technologies alternatives émergentes. À l'avenir, nous sommes convaincus que ces options seront de plus en plus adoptées dans les boîtiers d'onduleurs, permettant ainsi une fiabilité accrue dans des formats plus compacts et avec une efficacité améliorée.
À plus grande échelle, à l'instar de nombreuses batteries de véhicules électriques, l'électronique de puissance automobile est généralement refroidie par liquide. Le liquide de refroidissement circule typiquement à travers les ailettes du dissipateur thermique situé sous le module. Bien que cet aspect de la gestion thermique de l'électronique de puissance ne soit pas aussi novateur que les nouveaux matériaux intégrés, il offre néanmoins des perspectives intéressantes pour l'intégration complète au véhicule. De nombreux véhicules utilisent le même circuit de refroidissement pour l'électronique de puissance et le moteur électrique. Par exemple, sur certains modèles, la chaleur résiduelle du groupe motopropulseur peut être récupérée pour chauffer l'habitacle, contribuant ainsi à réduire les pertes et à améliorer l'autonomie globale du véhicule, notamment par temps froid.
L'évolution de l'électronique de puissance, notamment vers les semi-conducteurs à large bande, transforme la gestion thermique et, par conséquent, le paysage des matériaux dans ce domaine. Le rapport d'IDTechEx intitulé « Gestion thermique des véhicules électriques 2021-2031 » couvre divers cas d'utilisation au sein des boîtiers d'électronique de puissance pour véhicules électriques et analyse les tendances en matière d'épissure de fils, de fixation de puces et de matériaux de substrat. Au-delà de l'électronique de puissance, le rapport explore les stratégies de gestion thermique des batteries, des moteurs et de l'électronique de puissance, et propose des prévisions de marché jusqu'en 2031.
