Du bâtiment au transport de passagers et de marchandises, nous sommes confrontés à des changements profonds dans tous les aspects de notre vie quotidienne. Dans ce contexte, un nouveau concept émerge : l’électromobilité. Constructeurs automobiles, industriels et instituts de recherche collaborent étroitement au développement de véhicules entièrement électriques et des infrastructures nécessaires. Les attentes concernant les véhicules électriques ont considérablement augmenté au cours de l’année écoulée. De nouveaux concepts de traction ont été étudiés et testés par différentes entreprises ces dernières années. Les premiers modèles de véhicules hybrides et électriques sont déjà disponibles sur le marché. De nouveaux composants, absents des véhicules diesel/essence classiques, tels que les systèmes d’alimentation électroniques, sont désormais intégrés aux automobiles.
Voici quelques exemples de ce type de système :
- Onduleurs pour la commande de moteurs (jusqu'à 300 kW)
- Chargeurs de batterie (chargeurs embarqués) de 3,6 kW à 22 kW
- Recharge par induction (recharge sans fil) de 3,6 kW à 22 kW
- Convertisseur CC/CC jusqu'à 5 kW
- Onduleur pour unités auxiliaires telles que les systèmes de climatisation, la direction assistée, les pompes à eau, etc.
Dans les systèmes mentionnés ci-dessus, l'électronique de puissance joue un rôle déterminant pour assurer le bon fonctionnement des véhicules hybrides et électriques.
Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur performant.
Les exigences des constructeurs automobiles en matière de systèmes d'électronique de puissance représentent un défi majeur pour les développeurs. L'encombrement, le poids et le rendement sont des critères essentiels. De plus, le coût global du système et les efforts requis lors de la conception doivent être réduits, tout en garantissant la qualité du produit et un fonctionnement sûr.
Le rendement de l'électronique de puissance conventionnelle, basée sur les technologies de semi-conducteurs au silicium, se situe généralement entre 85 % et 95 %. Cela signifie qu'environ 10 % du courant électrique est dissipé sous forme de chaleur lors de chaque conversion d'énergie. De manière générale, le rendement de l'électronique de puissance est fortement limité par les performances des semi-conducteurs de puissance. Grâce à ses propriétés physiques, le SiC présente un potentiel considérable pour répondre aux exigences du marché.
Comparé aux dispositifs semi-conducteurs au silicium, le champ électrique du SiC est près de dix fois supérieur (2,8 MV/cm contre 0,3 MV/cm). Cette résistance élevée permet l'application de couches minces, appelées couches épitaxiales, sur la structure en SiC. Cela équivaut à un dixième de l'épaisseur des couches épitaxiales de silicium. La concentration de dopage du SiC peut être deux ordres de grandeur supérieure à celle du silicium à tension de blocage égale. Par conséquent, la résistance de surface (RonA) du composant est réduite, ce qui entraîne une diminution considérable des pertes de phase.
La conception thermique joue un rôle crucial dans les systèmes de puissance électronique pour obtenir une densité de puissance élevée et, de ce fait, des systèmes compacts. En tant que matériau semi-conducteur, le SiC est excellent pour ces applications car sa conductivité thermique est presque trois fois supérieure à celle des dispositifs semi-conducteurs en silicium. Le SiC convient également à des températures de fonctionnement plus élevées que les semi-conducteurs en silicium.
Dissipation d'énergie des dispositifs semi-conducteurs :
Lors du fonctionnement des systèmes d'alimentation électronique, de l'énergie est dissipée lors du passage du courant et de la commutation des composants semi-conducteurs. La perte d'énergie totale dans ces systèmes se compose de pertes statiques et de pertes de commutation. Les pertes statiques surviennent principalement lorsque le composant de puissance est conducteur. Les pertes de commutation résultent de la commutation des semi-conducteurs. Plus la fréquence de commutation est élevée, plus ces pertes sont importantes.
La fréquence de commutation des systèmes d'alimentation électronique est souvent définie en fonction de l'application et des limitations spécifiques du système. Par exemple, la fréquence de commutation d'un variateur de vitesse électrique est déterminée par la fréquence de sortie requise par le moteur. D'autres facteurs, tels que le comportement résonant de l'ensemble du système, la compatibilité électromagnétique (CEM) et la gestion thermique, doivent également être pris en compte pour déterminer la fréquence de commutation appropriée. Outre les pertes d'énergie dans le dispositif semi-conducteur de puissance, des pertes se produisent également dans les composants passifs tels que les transformateurs, les inductances et les condensateurs présents dans le circuit. L'interaction entre les semi-conducteurs de puissance et les composants passifs, comme les inductances et les transformateurs, est déterminante pour l'obtention d'une densité de puissance élevée dans le système. Par conséquent, les propriétés physiques des composants passifs et des semi-conducteurs doivent être prises en compte lors de la conception des systèmes d'alimentation électronique.
Les pertes statiques et de commutation, ainsi que celles des composants passifs, contribuent aux pertes d'énergie totales du système, lesquelles peuvent être converties en chaleur. Cette chaleur générée doit être dissipée par un fluide de refroidissement approprié afin de garantir la fiabilité des composants et du système. En principe, les pertes de commutation surviennent lors d'une seule commutation, par exemple lors de la commutation des semi-conducteurs. Une augmentation de la fréquence de commutation entraîne une augmentation des pertes de commutation totales, ce qui a un impact significatif sur les pertes d'énergie totales. Dans certains systèmes d'alimentation électronique de véhicules, une fréquence de commutation élevée est préférable pour répondre aux exigences ou aux spécifications du système. Dans un tel système, les pertes de commutation représentent une part importante des pertes d'énergie totales. Si des semi-conducteurs en silicium sont utilisés dans ces applications à haute fréquence de commutation, la forte dissipation de puissance et la chaleur qui en résulte contraignent les concepteurs à garantir la fonctionnalité et la fiabilité du système. Autrement dit, une fréquence de commutation élevée implique une consommation d'énergie plus faible. Cependant, si des courants de charge élevés sont essentiels dans ces applications, la taille globale du système doit être augmentée en conséquence. Cette mesure serait inévitable à ce stade, mais elle ne répond pas aux attentes des utilisateurs finaux. On peut affirmer que les semi-conducteurs en silicium ont presque atteint leurs limites.
En comparant un MOSFET SiC et un IGBT en silicium dans des applications caractérisées par des fréquences de commutation élevées, on constate que le courant de sortie doit être réduit en raison des pertes de commutation importantes de l'IGBT en silicium et de la chaleur qui en résulte. C'est le seul moyen d'éviter de dépasser la température de fonctionnement maximale de la puce et de garantir le bon fonctionnement du semi-conducteur.
Texte du graphique : Concurrent ; Fréquence de commutation (kHz). Le SiC offre un courant de charge plus élevé aux fréquences de commutation élevées. Courant de charge (A).
L’utilisation du SiC change la donne. Ce semi-conducteur offre de meilleures performances de commutation que l’IGBT en silicium. Par conséquent, le SiC engendre moins de pertes de commutation aux fréquences élevées. Il en résulte un courant de charge plus élevé pour les applications à hautes fréquences de commutation, comparé à un IGBT en silicium.
La figure 2 fournit une comparaison entre un module demi-pont SiC (BSM300D12P2E001) et quatre modules IGBT différents d'un même fabricant.
Cette image montre clairement que, pour les hautes fréquences de commutation, le MOSFET SiC est plus efficace que l'IGBT en silicium. Avec un module IGBT de 300 A et une fréquence de commutation de 40 kHz, le courant de charge ne dépasse pas 80 A. En revanche, un courant de charge de 200 A est possible avec un module SiC Rohm de 300 A, soit une augmentation de 120 % par rapport à l'IGBT en silicium.
Pour développer des systèmes d'électronique de puissance compacts, un refroidissement optimal est indispensable. Ces dernières années, plusieurs nouveaux concepts de refroidissement ont été commercialisés pour répondre à ces exigences ; cependant, ces solutions sont généralement très coûteuses et peuvent parfois engendrer des problèmes d'application. Ces problèmes surviennent non seulement lors du développement, mais aussi pendant la production et l'exploitation. L'utilisation d'un matériau semi-conducteur performant comme le SiC permet de s'affranchir de ce processus de refroidissement complexe, réduisant ainsi les coûts et simplifiant l'exploitation du système.
Miniaturisation des systèmes d'électronique de puissance :
Les constructeurs automobiles imposent diverses exigences aux systèmes d'électronique de puissance, en prenant pour référence les applications des véhicules électriques. Ces exigences incluent, par exemple, la résistance aux variations de température et aux vibrations, un fonctionnement fiable à différentes températures et une longue durée de vie. De plus, une densité de puissance élevée dans les systèmes intégrés est désormais considérée comme essentielle par les constructeurs. Cependant, toutes ces exigences représentent un défi de taille pour l'électronique de puissance.
L'autonomie des batteries haute tension constitue l'un des principaux obstacles au déploiement des véhicules hybrides et électriques. Afin de convaincre le client final (c'est-à-dire le propriétaire du véhicule) de l'intérêt de la mobilité électrique, certains constructeurs automobiles misent actuellement sur des systèmes de recharge rapide conçus pour simplifier l'utilisation des voitures électriques. Toutefois, d'un point de vue technique, la recharge rapide implique la nécessité d'une puissance de charge plus élevée en un temps réduit pour recharger complètement la batterie. L'espace disponible à bord d'un véhicule étant toujours limité, le système de recharge de la batterie doit présenter une densité de puissance élevée. C'est la seule façon d'intégrer ces systèmes au véhicule tout en répondant aux exigences du marché.
Les chargeurs embarqués sont des systèmes complexes composés de divers composants pour la conversion d'énergie. Ces systèmes intègrent plusieurs composants, tels que des semi-conducteurs (diodes et MOSFET), des composants passifs (inductances et condensateurs) et un transformateur dont le rapport de transformation est adapté à la charge de la batterie à la tension requise. Le transformateur assure également le découplage galvanique de la batterie haute tension pendant la charge.
La miniaturisation de l'électronique de puissance passe notamment par la réduction de la taille des composants passifs, comme les inductances et les transformateurs. Ceci n'est généralement possible que si les semi-conducteurs utilisés dans le circuit peuvent être commandés à haute fréquence de commutation. Dans le cas des semi-conducteurs en silicium, la charge thermique générée par ces hautes fréquences limite cette approche. En revanche, le MOSFET en carbure de silicium (SiC) est idéal pour ces applications grâce à ses excellentes caractéristiques de commutation.
La figure 3 illustre ce point par un exemple : pour un convertisseur CC/CC utilisant des semi-conducteurs en silicium, la fréquence de commutation est limitée à 25 kHz. L'utilisation d'un MOSFET en SiC permet d'atteindre une fréquence de 160 kHz. Il en résulte une miniaturisation significative de l'enroulement global du système, ainsi qu'une densité de puissance élevée et une réduction importante du poids total.
Poids – système semi-conducteur silicium – système semi-conducteur SiC
Volume – taille de la puce
Les avantages des semi-conducteurs SiC sont enfin reconnus par les constructeurs automobiles. Les premiers produits, notamment les diodes SiC de Rohm, sont utilisés pour la recharge embarquée dans plusieurs véhicules de grande série à travers le monde. Rohm proposera également prochainement le premier MOSFET SiC de qualité automobile au monde. Outre les systèmes de charge de batteries, les semi-conducteurs SiC offrent un potentiel considérable pour des applications telles que les convertisseurs DC/DC et les onduleurs. Rohm propose des solutions spécifiques pour ces applications. La
deuxième génération de diodes Schottky SiC (SBD) de Rohm comprend actuellement des produits 650 V de 5 à 100 A, ainsi que des produits 1200 V et 1700 V avec une capacité de courant jusqu'à 50 A. La gamme de MOSFET SiC de Rohm est encore plus étendue, l'entreprise proposant deux technologies différentes : planaire et à double tranchée. La technologie planaire propose déjà des produits et modules discrets dans les gammes de tension 650 V, 1 200 V et 1 700 V, avec une capacité de courant allant jusqu’à 300 A.
ROHM lance la production en série de MOSFET SiC de troisième génération pour composants discrets, ainsi que des modules SiC complets intégrant sa technologie exclusive à double tranchée, élargissant ainsi la gamme de produits MOSFET existante et contribuant au développement d’une électronique de puissance efficace et fiable.
Auteur : Aly Mashaly, responsable du département des systèmes d’alimentation chez ROHM Semiconductor GmbH
