Réduire les pertes dans les systèmes d'alimentation à découpage haute tension avec des MOSFET en carbure de silicium

Le nombre et la diversité des applications d'électronique de puissance, qu'il s'agisse de véhicules électriques (VE), d'onduleurs photovoltaïques (PV) ou de bornes de recharge et de stockage, ne cessent d'augmenter. Ces applications exigent des tensions de fonctionnement plus élevées, une plus haute densité de puissance, des pertes inférieures, un rendement supérieur et une fiabilité accrue. Vous pouvez répondre à ces exigences en utilisant des dispositifs de puissance basés sur des technologies à large bande interdite (WBG) comme le carbure de silicium (SiC), une technologie qui ne cesse de s'améliorer.

Pourquoi choisir le carbure de silicium ?

Par rapport au silicium (Si), les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite comme le carbure de silicium offrent des fonctionnalités qui en font d'excellents choix de conception pour les systèmes d'alimentation à découpage. La bande interdite fait référence à l'énergie requise pour faire passer un électron de la bande de valence d'un matériau à sa bande de conduction. La bande interdite plus large du SiC permet une tension de fonctionnement plus élevée. D'autres caractéristiques importantes incluent la conductivité thermique, la résistance à l'état passant, la mobilité des électrons et la vitesse de saturation.

La conductivité thermique mesure la vitesse à laquelle la chaleur est transférée de la jonction du semi-conducteur à l'environnement extérieur. La conductivité thermique du SiC est presque trois fois supérieure à celle du Si. Il est ainsi plus facile de refroidir les dispositifs SiC, ce qui leur confère des températures nominales plus élevées et permet aux semi-conducteurs SiC d'être plus fins qu'un dispositif Si équivalent avec une tension nominale similaire. Il en résulte des dispositifs plus petits pour une tension et une puissance nominales données.

Le SiC permet aux concepteurs d'augmenter la surface de conduction du courant pour une même taille de puce, ce qui réduit la résistance du dispositif. Il en résulte l'avantage le plus significatif des dispositifs SiC : une diminution de la résistance à l'état passant (R_DS(ON)) de canal pour des dispositifs avec les mêmes tensions nominales. Cette résistance R_DS(ON) inférieure se traduit par des pertes par conduction plus faibles, entraînant un rendement plus élevé.

Les semi-conducteurs SiC offrent une plus grande mobilité des électrons, ce qui leur permet de fonctionner à des fréquences plus élevées que les dispositifs Si. L'utilisation de circuits de puissance à une fréquence de commutation plus élevée permet de réaliser d'importantes économies grâce à la réduction de la taille des composants passifs comme les transformateurs, les selfs, les inductances et les condensateurs. Cette réduction de la taille permet également de réduire le volume de ces composants, ce qui se traduit par une densité de puissance globale plus élevée.

La vitesse de saturation est la vitesse maximale d'un électron dans un champ électrique élevé. Dans les semi-conducteurs SiC, la vitesse des électrons est deux fois supérieure à celle des semi-conducteurs Si, ce qui se traduit par des temps de commutation plus rapides et des pertes de commutation plus faibles.

Exemples de MOSFET SiC récents

En s'appuyant sur les avantages fondamentaux du SiC, Vishay a lancé la série MaxSiC de MOSFET SiC 1200 V. La série utilise une technologie de MOSFET propriétaire pour offrir des valeurs R_DS(ON) de 45, 80 et 250 mΩ dans des boîtiers standard pour les applications industrielles telles que les onduleurs de traction, la conversion et le stockage d'énergie photovoltaïque, les chargeurs embarqués et les bornes de recharge. La série présente des vitesses de commutation rapides et un temps de résistance aux courts-circuits (SCWT) de 3 µs.

Les MOSFET MaxSiC sont des dispositifs à canal N répertoriés pour une tension drain-source (V_DS) maximum de 1200 V et ils peuvent fonctionner à des températures comprises entre -55°C et +150°C. Pour chaque valeur R_DS(ON), les dispositifs sont disponibles dans deux boîtiers standard à montage traversant. La dissipation de puissance et le courant de drain maximum varient en fonction du numéro de modèle, avec une dissipation de puissance et un courant de drain continu (I_D) de 227 W et 49 A, respectivement (Tableau 1).

Les MOSFET MaxSiC listés sont disponibles en boîtier TO-247AD à trois ou quatre sorties (Figure 1).

Figure 1 : Les MOSFET MaxSiC sont disponibles en boîtiers TO-247AD à trois et quatre sorties. (Source de l'image : Vishay)

Le boîtier à quatre sorties ajoute une sortie à connexion Kelvin pour la connexion d'attaque de grille afin de réduire le couplage de la chute de tension du courant de drain dans les connexions de sortie source.

Les MOSFET MaxSiC sont adaptés aux applications exigeant une commutation supérieure à 600 V et des niveaux de puissance jusqu'à 227 W, comme les systèmes de batteries automobiles de 400 V et 800 V, les sources d'énergie photovoltaïques et les bornes de recharge.

Conclusion

Les MOSFET MaxSiC de Vishay sont des dispositifs haute puissance innovants pour les secteurs de l'automobile et de l'énergie. Ils offrent des spécifications de tension plus élevées que les dispositifs Si standard et une résistance de canal plus faible, et constituent une option idéale pour les conceptions exigeant de faibles pertes et un haut rendement.