Ces dernières années, la prolifération des véhicules électriques de nouvelle génération (xEV) a accéléré le développement de systèmes électriques plus compacts, plus légers et plus performants. Plus précisément, l'amélioration du rendement et la réduction de la taille de l'onduleur principal, élément central du système de propulsion, demeurent un enjeu majeur et nécessitent de nouvelles avancées dans le domaine des dispositifs de puissance.
La capacité des batteries embarquées augmente afin d'améliorer l'autonomie des véhicules électriques. Parallèlement, l'utilisation de batteries haute tension (800 V) progresse également pour répondre à la demande de temps de charge plus courts.
Pour relever ces défis variés, les concepteurs ont un besoin urgent de composants de puissance en carbure de silicium (SiC) capables de fournir une tension élevée et stable avec de faibles pertes. ROHM, pionnière dans le domaine du SiC, a lancé la production en série de MOSFET SiC en 2010, se positionnant ainsi à l'avant-garde du secteur. Dès ses débuts, ROHM a enrichi sa vaste gamme de produits pour y inclure des produits conformes à la norme AEC-Q101, ce qui lui a permis d'acquérir une part de marché significative dans le secteur des chargeurs embarqués automobiles (OBC).
Dans le domaine des semi-conducteurs de puissance, il existe souvent un compromis entre une faible résistance à l'état passant et la tenue en court-circuit. Ce compromis est nécessaire pour obtenir un équilibre et, par conséquent, une résistance à l'état passant plus faible dans les MOSFET SiC. ROHM a optimisé ce compromis en réduisant la résistance à l'état passant par unité de surface de 40 % par rapport aux produits conventionnels, sans compromettre la tenue en court-circuit, grâce à l'amélioration d'une structure originale à double tranchée. De plus, la réduction significative de la capacité parasite (un problème qui survient lors de la commutation) permet de réduire de moitié les pertes de commutation par rapport à notre génération précédente de MOSFET SiC.
De ce fait, les nouveaux MOSFET SiC de 4e génération de ROHM offrent une faible résistance à l'état passant et des performances de commutation à haute vitesse, contribuant ainsi à une miniaturisation accrue et à une consommation d'énergie réduite dans de nombreuses applications, notamment les onduleurs automobiles et les alimentations à découpage. Des échantillons de puces non encapsulées sont disponibles depuis juin 2020 ; des boîtiers spécifiques seront proposés prochainement.
Dans une prochaine étape, ROHM s'engage à élargir sa gamme de dispositifs de puissance en SiC, en combinant des technologies de modularisation avec des périphériques tels que des circuits de commande intégrés conçus pour optimiser les performances et contribuer à l'innovation technique des véhicules de nouvelle génération. Parallèlement, ROHM fournira des solutions pour répondre aux besoins de ses clients, notamment des outils de simulation en ligne qui réduisent les délais de développement des applications et facilitent l'évaluation.
Caractéristiques principales
1) La structure à tranchées améliorée offre la plus faible résistance de conduction du marché.
En 2015, ROHM a lancé la production en série des premiers MOSFET SiC à tranchées du secteur, grâce à une structure originale. ROHM a ainsi réussi à réduire la résistance de conduction de 40 % par rapport aux produits conventionnels sans compromettre la tenue aux courts-circuits, et a encore perfectionné sa structure à double tranchées d'origine.
(Fig. 1)
2) Réduction des pertes de commutation grâce à une diminution significative de la capacité parasite.
En général, une faible résistance à l'état passant et des courants élevés tendent à accroître les différentes capacités parasites des MOSFET, ce qui peut limiter les performances de commutation rapide intrinsèques du SiC.
Cependant, ROHM a réussi à réduire les pertes de commutation de 50 % par rapport aux produits conventionnels en diminuant significativement la capacité grille-drain (Cgd).
(Fig. 2)
Aperçu terminologique : Les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) sont les plus couramment utilisés dans les transistors à effet de champ (FET). Ils sont souvent employés comme éléments de commutation.
La durée de tenue en court-circuit indique le temps nécessaire à un MOSFET pour tomber en panne suite à un court-circuit. Généralement, lors d'un court-circuit, un courant important circule, dépassant la capacité maximale. Ceci peut entraîner une surchauffe, un emballement thermique et, à terme, la destruction du composant. Une durée de tenue en court-circuit plus longue se traduit par de meilleures performances, notamment une résistance à l'état passant plus élevée.
Structure à double tranchée (Trench) :
Il s’agit de la structure à tranchée originale de ROHM. Si l’adoption d’une structure à tranchée pour les MOSFET SiC s’est avérée efficace pour réduire la résistance à l’état passant, il était nécessaire d’atténuer le champ électrique généré dans la section de grille de la tranchée afin de garantir la fiabilité à long terme du composant. En réponse, ROHM a adopté une structure unique à double tranchée qui minimise la concentration du champ électrique, ce qui lui a permis de devenir le premier fournisseur à produire en série des MOSFET SiC de type tranchée en 2015.
La capacité parasite est la capacité intrinsèque due à la structure physique des composants électroniques. Dans le cas d'un MOSFET, on distingue une capacité grille-source (Cgs), une capacité grille-drain (Cgd) et une capacité drain-source (Cds). Cgs et Cgd sont déterminées par la capacité de la couche d'oxyde de grille, tandis que Cds correspond à la capacité parasite de la jonction de la diode.
Structure à tranchée :
Le terme « tranchée » désigne une excavation ou une rainure étroite. Cette conception consiste à former une rainure dans la surface de la puce et la grille dans la paroi latérale du MOSFET. Contrairement à un MOSFET planaire, les résistances JFET sont absentes, ce qui permet une structure plus fine que les topologies planaires et une résistance à l'état passant proche des performances du matériau SiC d'origine.
