Cet article décrit la conception et les performances électriques du module d'alimentation hybride SiC.
Shigeru Hasegawa *, Kazuhiro Morishita *, * Yukimasa Hayashida, Shinichi Iura *, Kazuhiro Kurachi *, Isao Umezaki *, * Hiroshi Yamaguchi, Yoshinori Matsuno *, * Tatsuo Harada, Hiroshi Watanabe *, * Yasushi Nakayama, Takayoshi Miki *, Mitsutaka Iwasaki *, * Takeshi Oi, Tatsuo Oomori *, Hiroaki Sumitani *, Eugen Stumpf **
* Mitsubishi Electric Corporation, Japon
** Mitsubishi Electric Europe BV, Allemagne
1. Introduction
La conservation de l'énergie est une préoccupation majeure pour l'environnement de la planète. Les modules semi-conducteurs de puissance sont des dispositifs clés pour l'efficacité de l'électronique de puissance.
Aujourd'hui, les modules IGBT en silicium sont largement utilisés dans les équipements électriques tels que les systèmes ferroviaires, automobiles et les systèmes de commande de moteurs industriels. Récemment, les dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC) ont été étudiés comme une amélioration par rapport aux dispositifs en silicium conventionnels. Nous avons déjà présenté les caractéristiques électriques d'un prototype de module de puissance hybride en SiC [1]. Nous avons maintenant développé un module de puissance hybride en SiC de 1,7 kV, à courant élevé et à faibles pertes, composé d'un IGBT en silicium de conception nouvelle et d'une diode Schottky en SiC (SiC-SBD) faisant office de diode de roue libre. Cet article décrit la conception et les performances électriques de ce nouveau module de puissance hybride en SiC.
2. Conception du module de puissance hybride SiC 1,7 kV.
2.1. Diodes Schottky SiC et IGBT Si.
Le carbure de silicium (SiC) présente une résistance de claquage électrique environ dix fois supérieure à celle du silicium (Si). L'épaisseur d'une puce de puissance SiC peut donc être inférieure à celle d'une puce Si. Ceci permet une réduction significative des pertes de puissance dans les dispositifs de puissance SiC, notamment pour les semi-conducteurs haute tension. Le SiC permet l'utilisation de diodes Schottky (SiC-SBD) pour les applications haute tension, ce qui est impossible avec les diodes Schottky au silicium (SBD) en raison de leur tension de fonctionnement élevée. La diode Schottky est un dispositif unipolaire et ne présente pas de récupération inverse lors de sa coupure. En l'absence de porteurs accumulés dans une diode Schottky, les pertes par récupération inverse conventionnelles sont réduites à un niveau négligeable par rapport à une diode Si conventionnelle.
De plus, les pertes à l'amorçage de l'IGBT sont également réduites car la charge de récupération de la diode ne chevauche pas le courant d'amorçage de l'IGBT.
Le module de puissance hybride SiC de 1,7 kV est composé d'IGBT en silicium et de diodes Schottky en silicium. La figure 1 présente une photographie de la puce SiC-SBD de 1,7 kV. Ses dimensions sont de 6,58 mm × 6,58 mm.
Une structure de terminaison délimitant en forme d'anneau a été choisie, conçue pour obtenir un champ électrique uniforme, et atteint une tension de blocage supérieure à 1,9 kV à température ambiante.
La dernière génération d'IGBT Si 1,7 kV utilisée dans notre module IGBT haute tension (HV-IGBT) série N est la CSTBT™ de 5e génération. Une nouvelle CSTBT™ 1,7 kV de 6e génération a été développée, intégrant des améliorations au niveau de la conception de la cellule IGBT et de la structure verticale. Le compromis entre la tension nominale et les pertes à l'extinction a également été optimisé par rapport au module Si série N conventionnel.
2.2. Conception du module hybride SiC
Le schéma du nouveau module de puissance hybride SiC de 1,7 kV est présenté sur la figure 3. Ce schéma est compatible en termes d'emballage avec le module Si conventionnel de la série N.
La figure 4 présente le schéma du circuit interne. Deux bras sont intégrés dans un seul module. Le courant nominal d'un bras est de 1,2 kA. Ce module est donc un module double de 1,2 kA.
La figure 5 présente la conception interne du module. Un module est composé de quatre substrats, comme illustré sur la figure 6. Chaque bras de dérivation de 1,2 kA comprend deux substrats.
Chaque substrat est composé de quatre IGBT en silicium et de huit diodes Schottky en carbure de silicium (SiC-SBD). Le nombre et la taille des IGBT en silicium sont identiques à ceux du module en silicium conventionnel, mais la taille des diodes SiC-SBD est plus petite et leur nombre plus élevé. Ceci est dû aux faibles performances de la puce SiC de grande taille ; une amélioration de la qualité de la plaquette de SiC est donc souhaitable.
La température de fonctionnement maximale d'un module SiC conventionnel de la série N est de 125 °C. Grâce à un chipset de conception nouvelle, un gel haute température durable et une conception de puce optimisée, notre nouveau module SiC hybride peut fonctionner à une température de jonction (Tj) de 150 °C.
Plusieurs puces SiC-SBD sont connectées en parallèle. De ce fait, le module SiC hybride développé offre une capacité de courant double élevée de 1,2 kA grâce à la conception optimisée de la puce et de la structure du module.
3. Performances électriques du module hybride SiC
3.1. Caractéristiques statiques
La figure 7 présente les courbes de tension active du Si-IGBT et du module hybride SiC, mesurées à Tj = 25 °C et 150 °C. La courbe de tension active du SiC-SBD est présentée figure 8. À Tj = 150 °C, la chute de tension active à un courant nominal de 1,2 kA est de VCEsat = 2,30 V pour l'IGBT et de Vec = 2,30 V pour le SiC-SBD.
Le Si-IGBT et le SiC-SBD présentent tous deux un coefficient de température positif, ce qui constitue un avantage pour les modules à courant élevé composés de nombreuses puces en parallèle.
3.2. Caractéristiques de commutation au courant nominal.
La figure 9 présente la forme d'onde de commutation à l'extinction de la diode Schottky SiC-SBD mesurée dans les conditions nominales : IF = 1,2 kA, Vr = 850 V et Tj = 150 °C. La diode Si conventionnelle est un composant bipolaire avec une charge de récupération inverse lors de l'extinction. La diode SiC-SBD est un composant unipolaire sans charge de récupération inverse ; le bruit est uniquement dû à la capacité de jonction. La perte à l'extinction de la diode Si (perte par récupération inverse), avec le même rapport que pour une diode Si de la série N au courant nominal, est de 0,22 J/impulsion à Tj = 125 °C. La perte à l'extinction de la diode du module hybride SiC développé, au courant nominal, est de 0,01 J/impulsion à Tj = 150 °C. Comparée au module Si conventionnel, la perte à l'extinction du nouveau module hybride SiC est réduite de 95 % malgré la température de fonctionnement élevée.
La figure 10 illustre la forme d'onde de commutation à l'amorçage du Si-IGBT à courant nominal (1,2 kA) et à Tj = 150 °C. La diode flyback est une diode Schottky en SiC sans charge de récupération inverse ; par conséquent, les pertes à l'amorçage du Si-IGBT sont également réduites. Les pertes à l'amorçage d'un IGBT série N conventionnel, pour le même rapport et le même courant nominal, sont de 0,40 J/impulsion à Tj = 125 °C. Les pertes à l'amorçage de l'IGBT du module hybride SiC développé, à courant nominal, sont de 0,18 J/impulsion à Tj = 150 °C. Comparées à celles d'un module Si conventionnel, les pertes à l'amorçage de l'IGBT du module hybride SiC sont réduites de 55 %, malgré une température de fonctionnement plus élevée.
La figure 11 présente la forme d'onde de coupure du Si-IGBT de 6e génération nouvellement développé, sous courant nominal (1,2 kA) à Tj = 150 °C. La tension à l'état passant VCEsat est de 2,30 V et les pertes à la coupure sont de 0,34 J/impulsion à Tj = 150 °C. Pour le module Si conventionnel, la tension à l'état passant (VCEsat) est de 2,60 V et les pertes à la coupure sont de 0,37 J/impulsion dans les conditions nominales à Tj = 125 °C. Généralement, la tension à l'état passant VCEsat et les pertes à la coupure de l'IGBT sont inversement proportionnelles. En comparant les performances de l'IGBT du module hybride SiC nouvellement développé avec celles du module Si conventionnel (série N), la VCEsat est inférieure d'environ 0,3 V, 
tandis que les pertes à la coupure sont quasiment identiques, voire inférieures. De plus, la température de fonctionnement est plus élevée.
Le tableau 1 compare les caractéristiques mesurées du module hybride SiC développé et du module Si conventionnel de série N de même rapport.
Malgré une température de fonctionnement plus élevée (Tj = 150 °C) pour le module hybride SiC, comparée à Tj = 125 °C pour le module Si, une réduction significative des pertes de puissance est obtenue.
3.3. Capacité de commutation du SOA.
Bien que le module hybride SiC présente un courant nominal élevé et une température de fonctionnement maximale de Tj = 150 °C, sa capacité de commutation est étendue. Ce module possède une grande capacité de coupure.
La figure 12 illustre la forme d'onde de coupure de l'IGBT sous courant élevé à Tj = 150 °C et une tension de buse CC de Vcc = 1,2 kV. Lors de ce test, un courant de 4,1 kA, soit plus de trois fois le courant nominal, a été coupé en toute sécurité. La figure 13 présente la tenue en court-circuit du module hybride SiC à Tj = 150 °C et Vcc = 1,2 kV. Malgré une tension de grille standard de 15 V, le module hybride SiC présente une tenue en court-circuit sous VGE = 18 V.
4. Conclusion.
Nous avons développé un module de puissance hybride double de 1,7 kV et 1,2 kA, composé d'un IGBT en silicium (Si-IGBT) et d'une diode Schottky en carbure de silicium (SiC-SBD) de conception nouvelle. L'utilisation de la SiC-SBD permet une réduction significative des pertes de puissance lors de la coupure de la diode et de l'amorçage de l'IGBT. De plus, l'emploi d'un IGBT de 6e génération réduit encore les pertes à la coupure de l'IGBT. Grâce à ce nouveau chipset, à un gel haute température durable et à une conception de puce adaptée, ce module hybride SiC peut fonctionner à une température de jonction (Tj) de 150 °C, alors que la température de fonctionnement maximale des modules Si de la série N classiques est de 125 °C.
Comparé à un module Si de la série N de même rapport, le module de puissance hybride SiC nouvellement développé présente une perte à l'extinction des diodes réduite de 95 % et une perte à l'amorçage des IGBT réduite de 55 %, malgré une température de fonctionnement plus élevée.
La tension à l'état passant des IGBT du module hybride SiC est inférieure de 0,3 V à celle d'un module Si conventionnel, mais la perte à l'extinction est quasiment identique, voire inférieure, malgré la température de fonctionnement plus élevée. Bien que le module hybride SiC présente un courant nominal élevé et une température de fonctionnement maximale de Tj = 150 °C, il se caractérise par une large plage de commutation, un courant d'extinction élevé et une bonne tenue aux courts-circuits. Les avantages du module de puissance hybride SiC 1,7 kV nouvellement développé sont ainsi confirmés.
Littérature
1. Y.Nakayama, T.Kobayashi, R.Nakagawa, K.Hata-naka, S.Hasegawa : Estimation du fonctionnement des moteurs ferroviaires par onduleur avec SIC-SBC, Actes de la réunion annuelle 2010 de l’IEE Japon, 4-139
