Les semi-conducteurs SiC et GaN contribuent à l'électronique de puissance

Le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) sont en passe de devenir les technologies privilégiées en matière de large bande interdite (WBG) pour la nouvelle génération de conception d'alimentation dans les véhicules électriques, les alimentations industrielles et les systèmes d'énergie solaire. Étudions la situation actuelle et les raisons pour lesquelles les technologies WBG peuvent offrir un moyen alternatif de progresser, tout en examinant certaines solutions WBG de pointe qui nous permettent d'y parvenir.

Des véhicules hybrides et électriques aux data centers et à l'électronique de puissance militaire, des matériaux semi-conducteurs SiC et GaN ont émergé en tant que solutions viables pour améliorer la conversion de puissance et les économies d'énergie dans l'électronique de puissance haute tension.

Par exemple, les onduleurs de groupe motopropulseur dans les véhicules électriques (EV) s'appuient depuis longtemps sur des IGBT silicium, mais les concepteurs de véhicules électriques utilisent de plus en plus des MOSFET SiC qui fonctionnent à des fréquences plus élevées et conviennent à des applications à haute tension de claquage. Par conséquent, les dispositifs SiC connaissent une croissance solide dans les véhicules hybrides et électriques grâce à la disponibilité des diodes Schottky (SDB) SiC, des MOSFET SiC, des transistors à effet de champ à jonction (JFET) SiC et d'autres composants discrets SiC. La prochaine étape logique serait le lancement de modules SiC complets.

De leur côté, les semi-conducteurs GaN promettent des coûts inférieurs, ils sont plus faciles à fabriquer que les plaquettes SiC et ils rattrapent les volumes SiC. Avec les conceptions automobiles telles que les onduleurs, les dispositifs GaN sont également de plus en plus populaires dans les convertisseurs CC/CC de data center, les alimentations haute tension et l'électronique de puissance militaire.

SiC : fiabilité et densité de puissance supérieures

Les matériaux SiC présentant une large bande interdite de 2,86 électronvolts (eV)¹, leur conductivité thermique est donc supérieure à celle du silicium, à 1,11 eVs. Ils peuvent ainsi gérer des tensions élevées pour les applications haute puissance. Leur capacité à offrir une densité de puissance, une durabilité et une fiabilité supérieures en font des éléments adaptés aux systèmes de conversion de puissance pour l'électrification des véhicules, les onduleurs solaires et d'autres applications haute puissance.

Par exemple, la série E de MOSFET SiC de Wolfspeed, une société de Cree, est optimisée pour les chargeurs de batterie de véhicules électriques et les convertisseurs CC/CC haute tension. La série E est basée sur la technologie planar robuste de troisième génération de Wolfspeed et est intégrée à la conception de référence des chargeurs embarqués bidirectionnels de 6,6 kilowatts (kW) de la société.

Wolfspeed positionne les MOSFET SiC de la série E comme présentant les pertes de commutation les plus faibles et le facteur de mérite (FOM) le plus élevé du secteur. En effet, ils présentent une valeur R_DSon de seulement 65 milliohms (mΩ), et le facteur de mérite, qui tient compte des pertes de puissance électrique et des limitations thermiques pour les dispositifs de puissance WBG, peut donc être le meilleur, ou l'un des meilleurs, au moment de la rédaction du présent document.

En outre, pour les systèmes d'énergie solaire fonctionnant dans des environnements extrêmement difficiles, ces dispositifs SiC sont conformes à la caractéristique HV-H3TR. Ils restent conformes tout en étant à 80 % de la tension de blocage nominale dans une chambre climatique à une température ambiante constante de 85°C avec une humidité relative de 85 %.

Rohm Semiconductor a également mis à disposition la troisième génération de ses diodes Schottky SiC dans divers caractéristiques de courant et boîtiers. Les diodes Schottky améliorent de manière significative les caractéristiques Vf et offrent une plus grande résistance au courant de pointe tout en réduisant la fuite. De ce fait, les dispositifs peuvent présenter une perte de commutation plus faible que les diodes à récupération rapide en silicium (SiFRD).

De plus, Rohm a lancé des modules d'alimentation qui intègrent des MOSFET et des diodes Schottky SiC dans un boîtier industriel standard (Figure 1).

Figure 1 : La valeur R_DS(ON) très réduite est une raison clé pour laquelle les modules d'alimentation utilisant des MOSFET SiC de troisième génération ont des pertes de commutation inférieures. (Source de l'image : Rohm Semiconductor)

Les modules d'alimentation en demi-pont « Full-SiC » présentent des pertes de commutation considérablement inférieures à celles des modules IGBT traditionnels et permettent un fonctionnement haute fréquence au-delà de 100 kHz.

GaN : plus petit et plus rapide que le silicium

Le GaN offre une bande interdite encore plus élevée de 3,4 eVs et une mobilité des électrons doublée par rapport au silicium. De plus, les caractéristiques sans chutes de courant des dispositifs GaN réduisent la taille et améliorent le rendement des systèmes de conversion de puissance.

Le dispositif EPC2206 d'EPC (Figure 2) en est un exemple. Faisant partie de la gamme FET eGaN^®, l'EPC2206 est destiné aux véhicules utilisant un bus de distribution de puissance de 48 V afin de faciliter la mise en œuvre de fonctionnalités telles que le système start-stop électrique, la direction assistée électrique, la suspension électronique et la climatisation à vitesse variable. Les FET eGaN EPC2206 sont uniquement fournis sous la forme de matrices passivées avec métal d'apport en baguette. La matrice mesure 6,05 millimètres (mm) x 2,3 mm.

Figure 2 : Les FET eGaN EPC2206 d'EPC sont uniquement fournis sous la forme de matrices passivées avec métal d'apport en baguette. La matrice mesure 6,05 mm x 2,3 mm. (Source de l'image : EPC)

Les transistors GaN en demi-pont EPC2100 d'EPC font également partie de la gamme de FET eGaN (Figure 3, haut). Pour simplifier l'intégration de FET de puissance dans des conceptions de convertisseur, EPC propose également la carte de développement EPC9036 (Figure 3, bas).

Figure 3 : Le transistor GaN en demi-pont EPC2100 est fourni sous la forme d'une matrice passivée avec perles de soudure (haut). La matrice mesure 6,05 mm x 2,3 mm. Deux d'entre elles sont placées en parallèle sur la carte de développement EPC9059 (bas). (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La carte de développement EPC9036 est dotée de deux circuits intégrés eGaN EPC2100 de 30 V en parallèle avec un seul circuit d'attaque de grille intégré pour des courants de sortie supérieurs. Elle présente la configuration et tous les composants critiques pour offrir des performances de commutation optimales.

Enfin, Transphorm a lancé le premier transistor GaN automobile qualifié AEC-Q101 en 2017. Selon Transphorm, ses FET GaN haute tension vous offrent une vaste marge thermique lorsque vous développez un système d'alimentation. Le TP65H035WSQA est le dispositif GaN Gen III qualifié AEC-Q101 de la société et les limites thermiques du FET sont été étendues jusqu'à 175°C. Il s'agit de 25°C de plus que les MOSFET silicium haute tension qualifiés AEC-Q101.

Les solutions ci-dessus prouvent que les dispositifs de puissance SiC et GaN ont pleinement émergé commercialement. À mesure qu'ils continueront à relever des défis de conception critiques dans des domaines d'application clés, le volume et la facilité d'utilisation augmenteront, ce qui réduira les différences avec leurs homologues en silicium en termes de remplacement direct.

Références :

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1