Les semi-conducteurs à large bande interdite redéfinissent les transports

L'ensemble du secteur des transports connaît une transformation radicale, les véhicules à moteur à combustion interne (ICE) laissant progressivement la place aux voitures électriques et hybrides moins polluantes et aux solutions de transport collectif plus propres (trains, avions et bateaux). Des solutions capables de maximiser le rendement et de réduire l'impact environnemental sont nécessaires pour contenir les émissions de gaz à effet de serre (GES) et atténuer le réchauffement climatique.

Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) présentent plusieurs propriétés qui les rendent attractifs pour les applications de transport. Leur utilisation peut se traduire par des véhicules plus efficaces, plus rapides et plus légers avec une autonomie améliorée et un impact environnemental réduit.

Propriétés des matériaux WBG

Les matériaux à large bande interdite transforment rapidement le domaine de l'électronique de puissance grâce à leurs avantages par rapport au silicium (Si) fréquemment utilisé. Alors que le silicium a une bande interdite de 1,1 électronvolt (eV), les matériaux WBG ont une bande interdite de 2 eV à 4 eV. De plus, le champ électrique de claquage de la plupart des semi-conducteurs WBG est nettement supérieur à celui du silicium. Cela signifie qu'ils peuvent fonctionner à des températures et des tensions nettement plus élevées, offrant des niveaux de puissance supérieurs et des pertes inférieures. Le Tableau 1 répertorie les principales propriétés du carbure de silicium (SiC) et du nitrure de gallium (GaN), les deux matériaux WBG les plus populaires, par rapport au silicium.

Tableau 1 : Comparaison des propriétés Si, SiC et GaN.

Les principaux avantages des dispositifs de puissance SiC, par rapport à leurs homologues silicium, sont les suivants :

• Faibles pertes de commutation : les MOSFET SiC sont des dispositifs unipolaires qui présentent de très faibles pertes de commutation à l'activation et à la désactivation. Cette propriété permet des fréquences de commutation plus élevées avec des pertes plus faibles, permettant de réduire les composants passifs et magnétiques.
• Faibles pertes par conduction : en raison de l'absence de jonction bipolaire, les dispositifs SiC peuvent également réduire les pertes en fonctionnement à faible charge ou à charge partielle.
• Hautes températures de fonctionnement : le carbure de silicium offre des propriétés thermiques supérieures par rapport au silicium. Le SiC présente de faibles courants de fuite sur une large plage de températures, permettant un fonctionnement au-delà de 200°C. Cette propriété permet un refroidissement simplifié et une excellente gestion thermique.
• Diode de substrat intrinsèque : grâce à cette caractéristique, les MOSFET SiC peuvent fonctionner en mode diode dans le troisième quadrant offrant d'excellentes performances dans les applications de puissance.

La combinaison des propriétés ci-dessus permet d'obtenir des dispositifs SiC avec une densité de puissance, un rendement et des fréquences de fonctionnement plus élevés, et une empreinte réduite.

Les principaux avantages des dispositifs de puissance GaN, par rapport à leurs homologues Si et SiC, sont les suivants :

• Les dispositifs GaN peuvent fonctionner dans le troisième quadrant sans charge de recouvrement inverse même sans diode de substrat intrinsèque. Par conséquent, aucune diode anti-parallèle n'est requise.

• Faible charge de grille Q_g et faible résistance à l'état passant R_DS(ON), se traduisant par des pertes de commande inférieures et des vitesses de commutation plus élevées.
• Aucun recouvrement inverse, résultant en des pertes de commutation inférieures et un bruit EMI réduit.
• Valeur Dv/dt élevée : le GaN peut commuter à très hautes fréquences et a un temps d'activation 4 fois plus rapide et un temps de désactivation 2 fois plus rapide que les MOSFET SiC avec une résistance R_DS(ON) similaire.

Applications des dispositifs WBG

Comme illustré à la Figure 1, il existe des applications où le SiC et le GaN offrent les meilleures performances et d'autres où leurs caractéristiques coïncident avec celles du silicium. Souvent, les dispositifs GaN constituent le meilleur choix pour les applications haute fréquence, tandis que les dispositifs SiC ont un potentiel élevé à haute tension.

Figure 1 : Applications potentielles des dispositifs Si, SiC et GaN. (Source : Infineon)

Véhicules hybrides et électriques

Les véhicules hybrides/électriques utilisent plusieurs systèmes électroniques de puissance pour transformer l'énergie du réseau ou du moteur en une forme adaptée à l'alimentation du moteur et des dispositifs auxiliaires. La plupart des véhicules hybrides/électriques utilisent également le freinage régénératif, dans lequel les roues font tourner le générateur pour charger la batterie.

L'onduleur de traction est un composant crucial de ces véhicules, convertissant la haute tension continue des batteries en courant alternatif pour alimenter le moteur triphasé (voir Figure 2). En raison de la puissance élevée impliquée, les dispositifs SiC sont privilégiés dans cette application, avec des valeurs de 650 V ou 1,2 kV, selon la topologie de l'onduleur. Le SiC aide à réduire les pertes, la taille et le poids, pour des solutions à petits facteurs de forme.

Figure 2 : Principaux composants d'un véhicule hybride/électrique. (Source : ROHM Semiconductor)

Le chargeur embarqué (OBC) se connecte au réseau, convertissant la tension CA en tension CC pour charger la batterie. La puissance de sortie du chargeur embarqué est généralement comprise entre 3,3 kW et 22 kW et repose sur des dispositifs d'alimentation haute tension (600 V et plus). Bien que le SiC et le GaN conviennent tous les deux à cette application, les caractéristiques du GaN, telles que la fréquence de commutation élevée, les faibles pertes par conduction, et le poids et la taille réduits, en font la solution idéale pour l'implémentation des chargeurs embarqués.

Une autre application WBG dans les véhicules hybrides/électriques est le convertisseur CC/CC basse tension, responsable de l'abaissement de la tension de la batterie (200 V dans les véhicules électriques hybrides, au-dessus de 400 V dans les véhicules électriques) à la tension CC de 12 V/48 V requise pour alimenter les systèmes auxiliaires. Doté d'une puissance typique inférieure à 1 kW, le convertisseur basse tension peut atteindre des fréquences plus élevées en utilisant des dispositifs GaN et SiC.

Le Tableau 2 résume comment le Si, le SiC et le GaN répondent aux exigences des applications de véhicules hybrides/électriques mentionnées précédemment.

Tableau 2 : Applications WBG dans les véhicules hybrides/électriques et comparaison des performances avec le Si.

Transport ferroviaire

Les trains électriques obtiennent leur alimentation du réseau électrique via une ligne caténaire ou un troisième rail, la convertissant en une forme adaptée aux moteurs et aux systèmes auxiliaires. Si le train fonctionne sur une ligne CA, un transformateur et un redresseur doivent abaisser et conditionner la tension en CC. La tension CC est ensuite divisée et fournie via des onduleurs pour répondre aux besoins des systèmes auxiliaires et de traction.

L'onduleur de traction transforme le courant continu en courant alternatif pour alimenter les moteurs et reconditionne l'électricité produite par le freinage régénératif. Par conséquent, ce convertisseur est conçu pour un flux d'énergie bidirectionnel. Au lieu de cela, l'onduleur auxiliaire fournit l'alimentation pour les systèmes de refroidissement, le confort des passagers et d'autres besoins non liés au mouvement.

La taille de l'électronique de puissance dans l'onduleur de traction dépend de la classe de trains :

• Trains de transit : 1,2 kV à 2,5 kV
• Trains de banlieue : 1,7 kV à 3,3 kV
• Trains intercités : au-dessus de 3,3 kV

Cependant, la plupart des trains utilisent soit 3,3 kV soit 1,7 kV.

Le freinage régénératif, qui réinjecte une partie de l'électricité dans le réseau électrique local, le système de distribution d'alimentation ferroviaire ou le stockage d'énergie, rend le système plus complexe que les applications mentionnées précédemment. L'énergie régénérée doit être stockée ou utilisée immédiatement ; sinon, elle est perdue.

Les IGBT bipolaires basés Si et les diodes de roue libre, traditionnellement utilisés dans les modules d'alimentation pour les applications de traction ferroviaire, peuvent être remplacés par des diodes et des MOSFET SiC unipolaires, augmentant ainsi la fréquence de commutation et la densité de puissance.

Les pertes par conduction et de commutation doivent être diminuées et la température de jonction maximum doit être augmentée pour réduire le poids et le volume des équipements électroniques de puissance utilisés dans les applications de traction ferroviaire. Pour les dispositifs de puissance silicium bipolaires largement utilisés, l'augmentation des pertes par conduction et la diminution des pertes de commutation ont des effets opposés. Un dispositif unipolaire ne subit pas le compromis entre les pertes par conduction et les pertes de commutation comme cela est le cas avec les dispositifs bipolaires. En conséquence, les pertes de commutation peuvent être réduites tout en minimisant les pertes par conduction.

Les pertes de puissance dans le rail électrique peuvent être considérablement réduites grâce à l'électronique de puissance WBG. Par conséquent, moins d'énergie sera prélevée sur le réseau et plus d'énergie sera restituée via le freinage régénératif. Outre l'augmentation du rendement, les dispositifs WBG offrent d'autres avantages qui soutiennent considérablement le transport ferroviaire, notamment :

• Le poids réduit a des impacts significatifs sur le rendement.
• Une température de fonctionnement plus élevée permet un système de refroidissement plus petit.
• La fréquence de commutation accrue permet des dimensions passives inférieures, réduisant le poids des onduleurs de traction et auxiliaires. L'onduleur et le moteur peuvent réagir plus rapidement aux variations de la demande grâce à la fréquence de commutation plus élevée, augmentant ainsi le rendement. Enfin, étant donné que la fréquence plus élevée est moins audible et que les ventilateurs de refroidissement peuvent être désactivés, les haltes ferroviaires sont moins bruyantes.

Applications maritimes et aéronautiques

Les innovations en électronique de puissance profitent depuis longtemps au secteur maritime. Sur un navire, l'électricité de niveau CA moyenne tension des générateurs synchrones alimentés par des moteurs diesel est fournie à diverses charges. Les commandes de propulsion (un mélange de convertisseurs CA/CC et CC/CA) et d'autres charges en font principalement partie.

Les tendances récentes dans le secteur maritime tentent de remplacer les réseaux de distribution électrique CA par des réseaux de distribution CC. Cette solution supprime le besoin de synchroniser les générateurs à la distribution électrique CA, à condition qu'ils puissent fonctionner à des vitesses variables, et permet de réaliser des économies de carburant. D'autre part, elle nécessite l'introduction de circuits redresseurs (convertisseurs CA/CC) entre les générateurs CA et le réseau de distribution électrique CC.

Les variateurs de vitesse de propulsion maritimes sont des composants essentiels des navires qui doivent fonctionner avec une extrême fiabilité. Ils sont fréquemment répertoriés de quelques watts à quelques dizaines de mégawatts. Souvent, ces variateurs sont les blocs de conversion de puissance les plus importants dans un navire avec une distribution d'alimentation électrique CA. Leur rendement élevé est donc essentiel.

Une fois de plus, les dispositifs de puissance Si conventionnels sont remplacés par des dispositifs SiC et GaN, qui augmentent le rendement tout en réduisant la taille et le poids. Les dispositifs WBG remplaceront bientôt les dispositifs basés Si en tant que leaders du marché, apportant des solutions de systèmes d'électronique de puissance de pointe impossibles à atteindre avec la technologie silicium.

Les futurs générateurs électriques alimentés par turbine à carburant seront le moteur principal des systèmes de propulsion avionique hybrides et tout électriques. L'électronique de puissance sera ensuite utilisée pour connecter le générateur et le moteur. Des bus à très haute tension CC sont nécessaires pour garantir qu'une puissance suffisante est disponible. Ces bus peuvent avoir une tension s'étendant de quelques kV pour les véhicules légers à la plage MV pour les avions. De plus, un bus à haute tension CC permet d'utiliser des machines synchrones à aimants permanents comme générateurs, ce qui abaisse la puissance réactive et la valeur de l'électronique de puissance. Les convertisseurs de puissance nécessitent un équipement capable de fonctionner à des fréquences de commutation élevées en raison de la vitesse de rotation rapide du générateur, ce qui se traduit par des éléments de filtre plus petits et plus légers.

Le carbure de silicium est le composant semi-conducteur le plus prometteur pour répondre à toutes les exigences tout en garantissant un haut rendement de conversion. Pour les aéronefs dans la plage de puissance inférieure, les dispositifs MOSFET SiC de 3,3 kV et 6,5 kV nouvellement créés présentent un intérêt considérable. Ils peuvent également être utilisés dans les topologies de convertisseurs de puissance modulaires pour répondre aux exigences de tension/puissance plus élevées des plus grands aéronefs.

Conclusion

Les semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), offrent plusieurs avantages par rapport aux semi-conducteurs traditionnels dans leur capacité à gérer les hautes tensions et les hautes températures avec une perte de puissance moindre. Ces caractéristiques les rendent particulièrement bien adaptés à l'électronique de puissance utilisée dans diverses applications, dont le transport.

Les semi-conducteurs WBG sont utilisés dans l'industrie des transports pour développer des véhicules électriques et hybrides plus efficaces et plus fiables. La faible perte de puissance des semi-conducteurs à large bande interdite permet des fréquences de commutation plus élevées, réduisant ainsi la taille et le poids de l'électronique de puissance. Cela, à son tour, peut entraîner une plus grande autonomie du véhicule, des temps de charge plus rapides et une amélioration des performances globales.

Les semi-conducteurs à large bande interdite permettent également le développement de groupes motopropulseurs plus compacts et plus efficaces, notamment des entraînements de moteur et des onduleurs pour les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides. En réduisant la taille et le poids de ces composants, les concepteurs de véhicules peuvent libérer de l'espace pour d'autres composants ou améliorer l'aérodynamique globale du véhicule.

Outre les véhicules électriques et électriques hybrides, les semi-conducteurs à large bande interdite sont également utilisés dans d'autres modes de transport, tels que les avions et les trains. Dans ces applications, les capacités haute température et haute tension des semi-conducteurs à large bande interdite peuvent améliorer le rendement et la fiabilité de l'électronique de puissance, entraînant une réduction des coûts de fonctionnement et une sécurité améliorée.