Avantages des MOSFET de puissance en carbure de silicium

Les composants de puissance en carbure de silicium (SiC) suscitent un vif intérêt dans le secteur en raison de leurs performances supérieures à celles des IGBT à base de silicium. Les composants en SiC se caractérisent par une résistance à l'état passant, des pertes de commutation et une température de fonctionnement plus faibles, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de la puissance.

Cree/Wolfspeed, Microsemi, Infineon, GeneSiC, ROHM et ST comptent parmi les nombreux fournisseurs proposant à la fois des MOSFET planaires et des MOSFET à tranchée.

Caractéristiques de tension améliorées

Les MOSFET de puissance en SiC se caractérisent par une bande interdite plus large qui leur permet de fonctionner à des tensions plus élevées, ce qui les rend adaptés à des applications telles que les chargeurs de véhicules électriques, les onduleurs de secours (UPS) et les onduleurs de chaînes solaires. Cela se traduit par une baisse des coûts d'exploitation et une réduction des pertes d'énergie qui contribuent à la dégradation de l'environnement, tout en améliorant simultanément le rendement grâce à la diminution du nombre de composants passifs et des pertes de commutation. Ces composants sont donc idéaux pour les applications exigeantes telles que les chargeurs de véhicules électriques, les onduleurs de secours (UPS) et les onduleurs de chaînes solaires, où le rendement est primordial.

Les dispositifs de puissance en SiC bénéficient également d'une intensité de champ électrique de claquage élevée, ce qui leur permet de supporter des niveaux de courant plus élevés tout en réduisant la taille et le coût des résistances de grille externes – un avantage particulièrement appréciable pour les convertisseurs CC/CC résonants LLC, où la relation entre leur capacité de commutation et la tension (COSS/VDS) est nettement plus linéaire que celle d'autres types de dispositifs.

Les MOSFET de puissance au SiC offrent des tensions de blocage élevées, ce qui les rend plus sûrs dans les environnements à haute tension que leurs homologues en silicium, qui présentent des tensions de blocage plus faibles. Cela rend les MOSFET au SiC plus fiables, car ils peuvent supporter les conditions difficiles rencontrées dans les systèmes d'entraînement automobiles ; de plus, les MOSFET au SiC peuvent supporter des conditions de di/dt plus élevées et des valeurs de diode de corps plus élevées, offrant ainsi une commutation robuste tout en permettant des valeurs de tension de blocage (BV) plus élevées dans les diodes de corps pour une commutation fiable et une utilisation optimale de ces dernières.

Faibles pertes par conduction

La large bande interdite des dispositifs en carbure de silicium (SiC) leur permet d'atteindre des tensions nominales plus élevées avec des pertes de puissance moindres par rapport aux dispositifs classiques en silicium, ce qui se traduit par un meilleur rendement énergétique, une réduction du nombre de composants, des boîtiers plus petits et une conception globale plus compacte.

Les MOSFET au SiC offrent aux convertisseurs de puissance modernes des fréquences de commutation élevées, ce qui en fait un composant essentiel. Malheureusement, ces MOSFET peuvent toutefois être sujets à des dépassements et à des oscillations qui nuisent à la compatibilité électromagnétique ou entraînent une défaillance prématurée du dispositif. Pour réduire ces effets indésirables, il est essentiel d’optimiser les paramètres de commande de grille et de réduire les inductances parasites aussi rapidement que possible.

À mesure que le secteur de l'énergie se tourne vers des sources d'énergie plus écologiques, la demande en équipements haute tension a explosé, ce qui a conduit au développement de matériaux de nouvelle génération, tels que le SiC, afin de répondre à ce besoin croissant. Le SiC permet des applications de l'ordre du mégawatt, telles que les convertisseurs de traction ferroviaire et les variateurs industriels moyenne tension – des domaines pour lesquels le SiC est particulièrement adapté.

Les MOSFET au SiC bénéficient de températures de fonctionnement plus élevées et de bandes interdites plus larges, ce qui leur permet de supporter des tensions bien plus importantes, réduisant ainsi la résistance à l'état passant et augmentant la densité de puissance. La gamme CoolSiC G2 de weEn offre les meilleures valeurs de RDS(ON) de sa catégorie, tant à 650 V qu’à 1 200 V, grâce à une technologie planaire assistée par tranchée ainsi qu’à des diodes haute performance garantissant fiabilité et performances. Elle convient aux applications allant de quelques dizaines de kW à plusieurs MW dans les secteurs ferroviaire, de la recharge rapide des véhicules électriques et aux applications industrielles, solaires et éoliennes.

Commutation à haut débit

Les MOSFET de puissance au SiC offrent des capacités de commutation rapides, avec des pertes de conduction minimales et une plage de températures de fonctionnement réduite, ce qui présente des avantages considérables pour la conception de nouveaux circuits électroniques.

La commutation rapide peut apporter de nombreux avantages à la conception des circuits, notamment un encombrement réduit, un rendement accru et une distorsion harmonique totale (THD) réduite. Mais cette méthode présente également de nombreux défis ; parmi ceux-ci figure la nécessité de disposer d'équipements de test à haute vitesse, tels que des sondes de tension passives offrant une bande passante et des performances dynamiques adéquates, ainsi que des résistances de mesure de courant présentant une très faible capacité de charge.

L'un des défis liés au bon fonctionnement des systèmes complexes réside dans l'atténuation des effets parasites, tels que les imprécisions de mesure, l'oscillation de courant, les pics de tension/courant lors des transitions et l'isolation galvanique du circuit d'attaque de grille et du FET SiC par rapport aux circuits basse tension ; cela peut nécessiter la mise en œuvre efficace de techniques d'isolation optique, par transformateurs d'impulsions ou par isolation capacitive.

La large bande interdite du carbure de silicium permet aux électrons de se déplacer rapidement le long de son canal, ce qui se traduit par des vitesses de commutation plus élevées, une résistance à l'état passant réduite, une zone d'appauvrissement plus fine et une augmentation de la tension de blocage. De ce fait, les MOSFET au SiC sont idéaux pour les applications nécessitant une commutation rapide avec de faibles pertes, notamment les onduleurs triphasés, les alimentations sans coupure (UPS) et les onduleurs photovoltaïques.

Faible résistance à l'enclenchement

Les MOSFET au SiC présentent une résistance à l'état passant inférieure à celle de leurs homologues en silicium, ce qui les rend adaptés aux applications haute tension. Cela est rendu possible grâce à la bande interdite plus large du SiC, qui se traduit par des zones d'appauvrissement plus fines permettant aux électrons de se déplacer plus facilement entre les bornes de source et de drain du dispositif. De plus, sa conductivité thermique supérieure et sa vitesse de dérive des électrons à saturation plus élevée contribuent à des opérations de commutation plus rapides, ce qui réduit la résistance à l'état passant jusqu'à 15 % par rapport aux dispositifs en silicium.

La faible résistance spécifique à l'état passant des MOSFET de puissance en SiC permet également de réduire la taille des diodes et les pertes globales du système, ce qui rend ces composants particulièrement adaptés aux onduleurs de traction électrique et aux applications d'alimentation sans coupure (UPS).

Face à la demande croissante en composants de puissance haute tension, les fabricants cherchent des moyens d’améliorer les performances en matière de résistance à l’état passant afin de réduire davantage les pertes du système et d’optimiser le rendement des systèmes d’alimentation. Les MOSFET de puissance au SiC constituent la solution idéale grâce à leurs propriétés électriques supérieures, telles qu’une tension de claquage critique élevée, une bonne conductivité thermique et une concentration intrinsèque en porteurs élevée, ce qui en fait une excellente solution.

Les MOSFET de puissance au SiC sont de plus en plus utilisés en raison de leurs caractéristiques améliorées en état conducteur, ce qui permet de concevoir des circuits de commutation plus efficaces dans diverses applications haute tension. Malheureusement, ces composants présentent encore certains problèmes de fiabilité, tels que la dégradation de l'oxyde de grille, les défaillances sous polarisation inverse à haute température lors des essais de durée de vie accélérée (ALT-HTRB) et les dommages causés par les neutrons.