Les convertisseurs et onduleurs CC/CC et CC/CA traditionnels se révèlent inadaptés ou inefficaces pour les applications les plus critiques et exigeantes, telles que les satellites de nouvelle génération, les drones et les aéronefs électriques. Les modules de puissance haute densité constituent une solution efficace pour relever ces défis et atteindre des niveaux élevés de fiabilité, de densité de puissance et de flexibilité.
La troisième génération de semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) représente un progrès sans précédent pour toutes les applications de puissance aérospatiales. Le carbure de silicium (SiC) inaugure une nouvelle ère pour les alimentations électriques aérospatiales, caractérisée par des solutions plus efficaces, plus compactes et plus légères.
Propriétés du SiC :
Bien que les propriétés du SiC soient connues depuis la fin du XIXe siècle, ce matériau à large bande interdite (WBG) n’est utilisé comme semi-conducteur que depuis peu. Comparés aux dispositifs de puissance traditionnels à base de silicium, les MOSFET en SiC présentent un champ électrique de claquage élevé (3 à 5 MV/cm, près de 10 fois supérieur à celui du silicium) et une bande interdite environ trois fois plus large (3,26 eV contre 1,11 eV). De plus, la gestion thermique est améliorée grâce à la conductivité thermique du SiC, environ trois fois supérieure à celle du silicium (4,9 W/cmK contre 1,5 W/cmK), tandis que sa résistivité est bien inférieure (0,3 mΩ/cm² contre 400 mΩ/cm² pour une tension de claquage de 1 200 V à température ambiante). La résistance à l'état passant (RDS(on)) des transistors de puissance en SiC disponibles dans le commerce peut être 300 à 400 fois inférieure à celle d'un transistor en silicium équivalent présentant la même tension de claquage.
Comparés à leurs homologues en silicium, les MOSFET en silicium peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées avec des pertes par conduction et des pertes de puissance réduites, permettant ainsi l'utilisation de composants passifs plus petits dans les systèmes d'alimentation et la conception de solutions d'alimentation plus compactes et légères. Ceci a permis, par conséquent, le remplacement des IGBT existants par des MOSFET en SiC dans des applications de forte puissance à espace restreint, comme dans le secteur aérospatial.
Applications du SiC dans le secteur aérospatial :
Le circuit de commande de grille des MOSFET SiC requiert une tension de grille positive élevée (environ 20 V) et, selon l’application, une tension de blocage de grille négative de −2 V à −6 V (pour l’immunité aux variations de dV/dt et pour obtenir la vitesse de coupure la plus rapide). Associées à une faible capacité de sortie et à une faible RDS(on), ces caractéristiques rendent les composants SiC particulièrement intéressants pour les applications de commutation telles que les alimentations, les onduleurs triphasés, les amplificateurs et les convertisseurs de tension (AC/DC et DC/DC). L’utilisation de composants SiC permet également de réduire considérablement le coût et la taille des composants magnétiques (transformateurs et inductances) utilisés dans de nombreuses applications de puissance aérospatiales.
Le concept d’avion plus électrique (MEA) s’est largement répandu dans l’industrie aérospatiale, visant à électrifier les systèmes auxiliaires des aéronefs auparavant alimentés par des moyens mécaniques, hydrauliques et pneumatiques. L’approche MEA offre des avantages significatifs tels qu’une efficacité accrue, des coûts réduits et une fiabilité renforcée.
Par conséquent, de nouveaux dispositifs de puissance sont conçus pour répondre aux exigences des MEA, comme c'est le cas pour les systèmes d'alimentation AC/DC qui nécessitent des convertisseurs électroniques pour fonctionner.
Plusieurs fonctions de conversion de puissance requises par un système d'alimentation MEA sont assurées par des convertisseurs DC/AC, telles que le démarrage des moteurs, la commande des pompes et des générateurs, et les actionneurs de commandes de vol. Pour satisfaire ces exigences élevées, des convertisseurs DC/AC à haute densité de puissance et capables d'atteindre des fréquences de commutation élevées sont nécessaires. L'efficacité est également un facteur clé, car elle permet de réduire la taille et le poids du convertisseur, simplifiant ainsi la gestion thermique. Grâce à leurs faibles pertes par conduction et par commutation, les dispositifs de puissance en SiC apparaissent comme des candidats prometteurs pour remplacer les IGBT et MOSFET à base de silicium dans les convertisseurs de puissance des aéronefs.
Vers une aviation propre et durable :
L’ensemble du secteur aérospatial vise le zéro émission, et développe donc de nouvelles technologies capables de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de promouvoir l’utilisation de carburants durables.
En Europe, le Clean Sky Consortium, une alliance entre la Commission européenne et l’industrie aérospatiale européenne, ambitionne de développer des technologies de transport aérien plus propres, capables de réduire les émissions de CO₂, de NOx et le bruit. L’IATA (Association du transport aérien international) mène une initiative similaire et a adopté en octobre dernier une résolution visant à ce que le secteur du transport aérien mondial atteigne la neutralité carbone d’ici 2050.
Pour répondre à ces exigences élevées, les systèmes de commande pneumatiques et hydrauliques doivent être progressivement remplacés par des systèmes de commande électriques et électroniques à haut rendement. Une plus grande efficacité est essentielle pour réduire la consommation de carburant, le poids et l’encombrement.
Microchip
Technology a récemment lancé une série de modules d'alimentation AC/DC et DC/DC compacts et légers, offrant un rendement de conversion de puissance supérieur grâce à l'utilisation du carbure de silicium (SiC). Les familles BL1, BL2 et BL3, capables de fournir une puissance de 100 W à 20 kW, ont été développées en collaboration avec le consortium européen Clean Sky afin de répondre aux exigences de propreté de plus en plus strictes de l'industrie aéronautique. Elles sont notamment conformes à la procédure de test RTCA DO-160G (« Conditions environnementales et procédures de test pour les équipements aéronautiques, version G »). Un dispositif conforme à la norme DO-160G garantit un fonctionnement fiable et précis dans toutes les conditions de vol.
Les nouveaux modules d'alimentation (figure 1) présentent une structure modifiée qui réduit le poids de 40 % et le coût de 10 % par rapport aux solutions conventionnelles qui intègrent des plaques de base métalliques et nécessitent un dissipateur thermique. De plus, leur boîtier compact à faible inductance peut être soudé directement sur le circuit imprimé, ce qui accélère le développement et améliore la fiabilité.
Figure 1 : Module d'alimentation BL3 compact et léger.
Cette famille de dispositifs, les premiers modules de puissance compacts et légers certifiés pour les applications aérospatiales, se compose de trois tailles (BL1, BL2 et BL3). La configuration standard intègre des topologies tout SiC de 1,2 kV avec ou sans diodes de roue libre. Ces modules sont disponibles avec des sorties MOSFET SiC de 75 A et 145 A, des IGBT de 50 A et des diodes de redressement de 90 A. Des solutions personnalisées à base d'IGBT, compatibles avec des tensions de 700 V à 1 700 V, sont également proposées. Selon la version, elles prennent en charge différentes topologies : pont complet, pont asymétrique, déphasage, double source commune, abaisseur et élévateur.
La figure 2 illustre la topologie déphasée prise en charge par le module de puissance BL1 (1 200 V, 79 A, RDS(on) typique de 25 mΩ). Le MOSFET de puissance SiC se distingue par sa faible RDS(on) et sa fréquence de commutation élevée, tandis que la diode Schottky SiC offre une récupération inverse et directe nulle et une commutation indépendante de la température.
Figure 2 : Topologie de branche de phase prise en charge par le module d'alimentation BL1.
Les modules de puissance BL2 et BL3 prennent en charge la topologie en pont complet illustrée à la figure 3. Ces modules se caractérisent par une tension drain-source de 1,2 kV, un courant de drain continu jusqu'à 150 A à température ambiante (jusqu'à 300 A en mode pulsé) et une résistance drain-source à l'état passant à partir de 16 mΩ. Le MOSFET SiC intègre une source Kelvin pour une commande simplifiée, et les diodes Schottky SiC offrent une récupération directe et inverse nulle. La puissance maximale est de 560 W, tandis que la tension grille-source maximale est de -10 V (à l'état bloqué) et de 24 V (à l'état passant).
Figure 3 : Topologie en pont complet (branche biphasée) disponible dans les modules BL2 et BL3.
Tests de validation :
Tous les modules de puissance BL1, BL2 et BL3 ont été soumis à des tests de validation par Microchip afin de démontrer leur adéquation aux applications aérospatiales, conformément aux niveaux requis de fiabilité, de performance et d’efficacité. La procédure de test, basée sur la norme RTCA DO-160G et conforme aux conditions environnementales de l’aviation civile, comprenait des tests paramétriques sur toute la plage de tension, de courant et de température (-55 °C, 25 °C et 125 °C), des tests de décharge partielle (10 pC max. à 1 200 V CA), des tests de haute tension (3 kV CA) et des tests de résistance d’isolement (> 100 MR à 500 V CC).
Ces tests ont été réalisés par Microchip Technology :
• Test de polarisation de grille à haute température. Ce test, effectué à VGS = 20 V et
VGS = –8 V, vise à vérifier que les performances du composant ne sont pas affectées par une polarisation de grille à haute température. À une température de jonction de 175 °C, les mesures de Vth avant et après 1 000 heures de polarisation de grille à haute température présentent des variations négligeables.
• Cyclage thermique. Ce test vise à évaluer la résistance du dispositif aux températures extrêmes, hautes et basses. L’analyse par diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage, réalisée après 1 000 cycles (voir figure 4), ne révèle aucune dégradation au niveau de la soudure ou du substrat susceptible d’affecter les performances du dispositif.
• Vibrations et chocs. Après fixation des modules de puissance sur une carte montée sur un générateur de vibrations, le niveau de vibrations et de chocs a été contrôlé sur les trois axes.
• Polarisation en mode hacheur (CMB). Ce test a pour but de vérifier la robustesse du dispositif en fonctionnement en mode hacheur à haute température. Les conditions de test étaient les suivantes : VGS = –5 V, fréquence de commutation = 20 kHz, rapport cyclique = 0,5, T = 150 °C, durée du test = 1 000 heures. La figure 5 présente le graphique du test CMB après 1 000 heures (200 V/div).
• Décharge partielle. Ce test vise à vérifier l’état d’isolation du dispositif testé et est important pour les modules de puissance SiC, qui fonctionnent à haute tension et à forte variation de tension (dV/dt).
• Simulations et mesures thermiques. La simulation thermique détermine les valeurs de résistance et d’impédance thermiques du dispositif testé, tandis que la mesure thermique confirme la résistance thermique entre la jonction et le dissipateur thermique calculée lors de la simulation. L’interrupteur de test, préalablement préparé avec une encapsulation modifiée (voir figure 6), a été activé, et un générateur de courant constant a provoqué une élévation de la température de jonction afin de calculer la résistance thermique. Les résultats de mesure ont confirmé les simulations thermiques.
Figure 4 : Analyse par rayons X avant et après 1 000 cycles de température.
Figure 5 : Graphique du test CMB.
Figure6 : Configuration pour les mesures thermiques.
Tous les tests effectués par Microchip ont été réussis, démontrant ainsi la fiabilité des modules de puissance compacts et légers, ainsi que l’adéquation de cette technologie aux applications aéronautiques les plus exigeantes.
Auteur : Alain Calmels, ingénieur concepteur, Microchip Technology
