Contrairement aux véhicules électriques grand public, qui privilégient l'autonomie par charge, d'autres applications dans le secteur des transports peuvent avoir des priorités différentes, auxquelles répondent les améliorations apportées aux groupes auxiliaires de puissance (GAP). Par exemple, l'espace pour les passagers est primordial dans les métros légers, car la hauteur sous plafond permet d'accueillir davantage de passagers payants. La fiabilité sur le terrain est essentielle pour les engins miniers, où les temps d'arrêt se chiffrent en millions de dollars par jour. Et dans tous les cas d'utilisation, le confort des passagers est crucial sur un marché dominé par des constructeurs automobiles concurrentiels ciblant une clientèle exigeante.
Les pertes de commutation élevées des IGBT en silicium ont freiné les progrès des GAP pour les transports. En limitant la fréquence de commutation, les IGBT imposent la taille minimale des principaux composants physiques du GAP : le transformateur d'isolement et le dissipateur thermique. Avec le carbure de silicium (SiC), la taille du transformateur d'isolement peut être considérablement réduite grâce à des fréquences de commutation plus élevées ; et avec des pertes de commutation réduites de 80 % ou plus, la taille des dissipateurs thermiques peut également être réduite. De plus, les fréquences de commutation du GAP peuvent s'étendre au-delà de la gamme audible, éliminant ainsi le sifflement aigu gênant pour les passagers. Enfin, l'efficacité est essentielle car le GAP fonctionne en continu, souvent à faible charge. Les pertes par conduction des MOSFET SiC sont inférieures à celles des IGBT concurrents dans des conditions de faible charge.

Le SiC est-il à la hauteur ?
La robustesse des MOSFET en SiC dans un large éventail de conditions est essentielle pour les groupes auxiliaires de puissance (GAP) alimentant les charges de confort et de secours. Il est nécessaire de vérifier : 1) la stabilité de l’oxyde de grille du MOSFET, un problème connu pour les MOSFET en SiC ; 2) la durée de vie de l’oxyde de grille ; 3) la stabilité de la diode de corps du MOSFET ; et 4) les mesures de résilience aux défauts, telles que la résistance aux avalanches et la tenue aux courts-circuits.

Intégrité de l'oxyde de grille :
Si la tension de seuil se décale, les performances du dispositif sont altérées (par exemple, la résistance à l'amorçage augmente), ce qui peut entraîner un comportement erratique du système et une défaillance potentielle de l'APU. La figure 1 montre que les données Vth des MOSFET SiC de production ne devraient présenter aucune variation significative après 1 000 h de contrainte à 175 °C.
Figure 1. Tension de seuil des MOSFET SiC de production avant et après application d'une tension de polarisation de grille positive (à droite) et à haute température.
La durée de vie de l'oxyde de grille peut être prédite en accélérant la dégradation des échantillons par l'application d'une température et d'un champ électrique élevés. L'énergie d'amorçage est extraite pour chaque mode de défaillance, et une équation d'Arrhenius est utilisée pour extrapoler la durée de vie de l'oxyde (voir figure 2). L'oxyde de grille d'un MOSFET SiC de qualité industrielle peut durer plus de 100 ans sous haute tension, garantissant ainsi le fonctionnement fiable et régulier de l'APU au-delà de sa durée de vie nominale.

Figure 2. Exemple de la durée de vie extrapolée de l'oxyde du MOSFET SiC de qualité production de Microchip.

Stabilité de la diode de corps :
Contrairement à l’IGBT, le MOSFET SiC peut conduire un courant inverse grâce à sa diode de corps intrinsèque. Dans certains dispositifs, cette diode se dégrade avec le temps, entraînant une augmentation de la RDSon et un échauffement supérieur à la normale. La figure 3 présente les courbes I-V de la diode de corps et la résistance drain-source à l’état passant (RDSon) du MOSFET après plusieurs heures de tension directe constante [1]. Une grande variabilité a été observée entre les différents fournisseurs. Chez l’un d’eux, la dégradation était marquée ; chez un autre, le dispositif est devenu inutilisable. Les dispositifs sélectionnés ne doivent présenter aucune variation perceptible. L’utilisation d’un MOSFET SiC doté d’une diode de corps stable améliore la fiabilité et réduit les coûts en éliminant la diode antiparallèle.

Figure 3. Résistance à l'état passant (RDSon) avant et après application de la tension aux MOSFET SiC disponibles dans le commerce, révélant les différences de qualité intrinsèque de la diode de corps entre trois fournisseurs ^[1].

Survie sur le terrain :
Les APU de transport en court-circuit et en avalanche sont sensibles à une grande variété de défaillances, ce qui exige que les MOSFET SiC soient conçus pour résister en toute sécurité à ces événements et maintenir des performances constantes avant et après les défaillances.

La tenue aux courts-circuits mesure la capacité d'un MOSFET à résister à un court-circuit instantané du bus continu entre ses bornes drain-source. Les canaux des MOSFET sont optimisés, permettant à un composant correctement conçu de répartir en toute sécurité les courants de crête sur la surface de la puce. La figure 4 illustre les temps de tenue aux courts-circuits (SCWT) des MOSFET SiC de production ; chez Microchip, ces temps varient de 3 à 14 microsecondes et dépendent de la tension du bus continu et de la tension VGS appliquée. Cette tenue est suffisante pour de nombreux circuits de commande de grille disponibles dans le commerce. Un circuit de commande plus performant, tel que celui décrit dans la section suivante, améliore la détection des courts-circuits.

Figure 4. Durée de tenue en court-circuit des MOSFET SiC de production.
La tenue en avalanche est encore plus exigeante : le courant de charge est injecté brutalement dans le MOSFET, provoquant une chute de tension drain-source jusqu'au claquage. Contrairement à un court-circuit, les canaux du MOSFET ne sont pas renforcés ; le courant d'avalanche surcharge le bord de la puce, conduisant rapidement le composant à ses limites thermiques.
La commutation inductive répétitive non écrêtée (R-UIS) est utilisée pour évaluer la tenue en avalanche d'un composant. La figure 5 montre le temps de claquage diélectrique (TDDB) des MOSFET SiC commerciaux avant et après 100 000 cycles R-UIS. De nombreux fournisseurs maintiennent la tenue en oxyde, mais la possibilité de tester jusqu'à quatre fois cette tenue, ainsi que la stabilité de la RDSon et du courant de fuite drain-source [2], renforcent la capacité des MOSFET SiC à supporter en toute sécurité les conditions de surcharge électrique les plus extrêmes.

Figure 5. Claquage diélectrique dépendant du temps avant et après une défaillance par avalanche répétitive pour les MOSFET SiC disponibles dans le commerce de quatre fournisseurs.

Commutation plus rapide grâce aux boîtiers à faible inductance.
Associées à des rapports de commutation élevés, les inductances problématiques dans un système d'alimentation entraînent une augmentation des pertes de commutation, des surtensions excessives, des interférences électromagnétiques non conformes et potentiellement des défaillances de l'APU. Les mesures préventives que les concepteurs doivent prendre pour réduire la vitesse des MOSFET peuvent les amener à s'interroger sur l'intérêt du SiC.
Le boîtier SP6LI à faible inductance de Microchip illustre comment résoudre ces problèmes. La configuration à étage de phase insère moins de 3 nanohenrys d'inductance parasite dans la boucle de puissance. Des optimisations internes ont été apportées pour garantir une synchronisation et un partage de courant identiques. Les performances thermiques peuvent être améliorées grâce à l'utilisation de céramique de nitrure de silicium (le nitrure d'aluminium est également disponible), et les options de plaque de base incluent le cuivre et l'AlSiC. Les bornes d'alimentation externes permettent une connexion à faible inductance au bus CC et un parallélisme optimal dans deux orientations. Le SP6LI permet aux concepteurs de piloter des MOSFET SiC à des vitesses plus élevées avec une efficacité maximale et une réduction des interférences électromagnétiques, réduisant ainsi la taille des APU tout en évitant les pannes liées aux interférences électromagnétiques.

Les circuits de commande de grille garantissent le bon fonctionnement des APU.
Les performances et la fiabilité des APU peuvent être optimisées grâce à des circuits de commande de grille numériques programmables, permettant un ajustement précis et dynamique de la tension de débordement et des pertes de commutation. Les concepteurs d'APU peuvent ainsi réduire leur coût et leur taille grâce à des composants basse tension et des dissipateurs thermiques plus compacts, et s'affranchir des longues heures de travail liées au soudage et à l'
L'impact de la commutation augmentée est visible sur la figure 6. Contrairement à la coupure conventionnelle (à gauche), la coupure augmentée débute avec une tension d'activation de 20 V, passe à un niveau intermédiaire programmé par l'utilisateur pendant une durée spécifiée, puis atteint l'état de coupure à -5 V. Les effets sont modérés en raison de l'inductance exceptionnellement faible du SP6LI ; des résultats montrant une influence plus marquée ont été rapportés ailleurs ^[2,3]. De plus, les courts-circuits sont rapidement stoppés, réduisant la tension et le courant de crête de 60 % et 10 %, respectivement (figure 7).

Figure 6. Interface utilisateur graphique pour le contrôleur de porte programmable AgileSwitch™ et formes d'onde d'arrêt utilisant (à gauche) la commutation conventionnelle et (à droite) la commutation augmentée.

Figure 7. Démonstration de la façon dont la commutation augmentée (à droite) peut réduire la tension et le courant de crête lors d'un court-circuit par rapport à la commutation conventionnelle (à gauche).

de solutions système SiC complètes
souhaitant passer rapidement de l'évaluation à double impulsion à la production en série auront besoin de kits de développement accélérés intégrant les trois composants d'une solution système SiC complète pour les APU de transport : des dispositifs de puissance SiC robustes, un boîtier de puissance à faible inductance et un circuit de commande de grille intelligent. La figure 8 illustre l'intégration de la solution de Microchip dans un circuit d'APU.

Figure 8 : Implémentation proposée du déphasage en pont complet ASDAK+ de Microchip dans la section DC-DC d'un APU de transport. ^[4]

Résumé :
L’utilisation de MOSFET en carbure de silicium (SiC) dans les groupes auxiliaires de puissance (GAP) pour véhicules de transport offre des avantages considérables par rapport aux IGBT en silicium en termes de taille, de poids, de rendement et de bruit. Cependant, ces avantages ne peuvent être pleinement exploités qu’avec une fiabilité élevée sur le terrain, grâce à l’utilisation de MOSFET en SiC robustes, d’un boîtier à faible inductance et d’un circuit de commande de grille suffisamment intelligent pour tirer parti des performances exceptionnelles du SiC. Les concepteurs peuvent désormais relever les défis de la conception des GAP pour véhicules de transport grâce à des solutions système SiC complètes qui réduisent simultanément la taille, le bruit et les défaillances sur le terrain de ces GAP.

Références
[1] Agarwal, A. et Kang, M., communication privée, 2020.
[2] Speer, K., Satheesh, N., Kashyap, A. et Bontemps, S., « Développement SiC rationalisé avec une solution système complète », IEEE Power Electronics Magazine, vol. 28-35, 2020.
[3] Satheesh, N., Robins, C. et Fender, A., « État des lieux des pilotes de grille MOSFET SiC intelligents », Bodo's Power Systems, p. 30-33, février 2018.
[4] Satheesh, N., « MOSFET en carbure de silicium : à manipuler avec précaution », dans Proc. Conférence sur l'électronique de puissance appliquée (APEC), San Antonio, Texas, États-Unis, 2018.
[5] Hayashiya, H. et Kondo, K., « Tendances récentes dans les applications de l'électronique de puissance en tant que solutions dans les chemins de fer électriques », IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 15 : 632-645, 2020.

Auteur : Par Kevin Speer, Nitesh Satheesh et Marc Rommerswinkel, Microchip Technology