Carbure de silicium et électronique de puissance

Le carbure de silicium (SiC) est un composé chimique durable composé de silicium et de carbone qui présente des propriétés de semi-conducteur à large bande interdite pour les appareils électroniques à haute tension.

Cela permet d'améliorer la tension de tenue, la densité de puissance et les capacités de tolérance à la température.

Haute densité de puissance

La densité de puissance dans les conceptions d'alimentation électrique est souvent déterminée par la performance des dispositifs semi-conducteurs utilisés pour alimenter les convertisseurs et les onduleurs. Le silicium (bande interdite : 1,1eV) était autrefois considéré comme un matériau optimal pour les transistors à haute performance ; cependant, à mesure que les conceptions progressent vers des températures, des fréquences et des tensions de fonctionnement plus élevées, les limites du SiC commencent à apparaître clairement. C'est là que les semi-conducteurs à large bande interdite tels que le SiC peuvent entrer en jeu.

La bande interdite plus large du SiC (3,3 eV) permet à davantage d'électrons de migrer de sa bande de valence vers sa bande de conduction, ce qui en fait un semi-conducteur plus efficace que le silicium. En outre, cela permet d'obtenir des couches de dérive plus fines, ce qui réduit considérablement la résistance par zone et augmente les tensions de résistance tout en diminuant la résistance à l'enclenchement en fonction des fluctuations de température et de courant.

L'une de ces alimentations de polarisation DC/DC isolées de Texas Instruments, appelée UCC12050, peut fournir une puissance isolée de 500 mW dans un boîtier SOIC de 2,65 mm de large ; les ingénieurs peuvent concevoir des alimentations plus petites et plus légères adaptées à diverses applications, y compris la recharge des batteries de véhicules électriques, avec une conversion d'énergie plus rapide résultant de la fréquence de commutation élevée des transistors SiC, ce qui se traduit par une conversion d'énergie rapide et donc une efficacité énergétique plus élevée.

Résistance aux températures élevées

La capacité du SiC à résister aux températures élevées en fait un excellent choix de matériau pour de nombreuses applications d'électronique de puissance nécessitant des performances fiables dans des températures extrêmes. La résistance à la température plus élevée du SiC permet d'améliorer la dissipation thermique, ce qui contribue à minimiser la perte de puissance due à la dissipation thermique tout en augmentant la durée de vie des dispositifs dans des environnements thermiques difficiles.

Le silicium SiC offre une résistance exceptionnelle au fluage et à la corrosion par rapport à d'autres matériaux semi-conducteurs, ce qui permet de l'utiliser dans des applications à haute température où la stabilité est essentielle, comme les tuyères de fusées, les moteurs de véhicules électriques ou les turbines à gaz.

L'intensité supérieure du champ électrique de claquage du SiC offre aux dispositifs de puissance à haute tension des tensions de tenue plus élevées et une résistance à l'enclenchement plus faible que le silicium, en raison de sa couche de dérive beaucoup plus fine et de sa concentration d'impuretés plus élevée. Par conséquent, les dispositifs à porteurs majoritaires tels que les diodes à barrière Schottky et les MOSFET peuvent être configurés pour offrir cette tension de tenue élevée avec une résistance à l'enclenchement réduite sur une large plage de températures.

La large bande interdite du SiC permet des fréquences de commutation plus élevées avec des pertes de commutation réduites pour une meilleure efficacité énergétique dans des boîtiers plus petits - créant ainsi de nouvelles possibilités dans la conception des dispositifs.

Conductivité thermique élevée

La conductivité thermique élevée du SiC lui permet de dissiper la chaleur générée par les semi-conducteurs et d'autres dispositifs électroniques, ce qui en fait un élément indispensable de l'électronique de puissance. En outre, sa capacité à résister à des températures plus élevées le rend idéal pour la production d'énergie dans les applications aérospatiales telles que les moteurs à réaction à haute performance et les missiles.

Le SiC est un semi-conducteur composé organique dont la bande interdite électronique est nettement plus grande que celle du silicium (1,1eV). Ce grand écart permet de faire passer plus de courant à une tension plus faible et d'améliorer la vitesse de commutation et la fiabilité, ce qui fait du SiC une option intéressante pour remplacer le silicium dans les applications à haute température.

Les revêtements PFA offrent une excellente résistance à la corrosion, à l'oxydation, à l'usure et à la rupture, même à des températures élevées, ce qui permet de les utiliser comme protection contre la corrosion sur les pièces en acier, les implants médicaux et les composants automobiles tels que les rotors de frein et les garnitures mécaniques.

Le SiC est disponible sous différentes formes, du polycristallin CVD et lié par réaction au monocristallin 3C-SiC fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur. Sa grande pureté en fait une alternative supérieure aux qualités frittées et liées par réaction qui se caractérisent généralement par une faible pureté et une composition atomique variable.

Stabilité élevée

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau dur synthétique combinant le silicium et le carbone, connu sous le nom de SiC. Troisième substance la plus dure sur Terre après le diamant et le carbure de bore, la capacité du SiC à résister aux températures élevées, aux chocs chimiques et thermiques ainsi qu'aux contraintes mécaniques en fait un matériau adapté aux applications technologiques et industrielles de pointe qui exigent une durabilité et une résilience extrêmes.

La stabilité exceptionnelle du silicium sicilien peut être attribuée à sa structure cristalline cubique en forme de diamant, la moitié des carbones étant remplacés par des atomes de silicium. Cette structure de réseau est connue pour offrir une conductivité thermique phononique supérieure en raison de rayons atomiques similaires qui facilitent la diffusion des phonons. Combiné à son champ électrique de rupture 10 fois supérieur à celui du silicium, le silicium sic rend la création de dispositifs d'alimentation à plus haute tension plus facile que l'utilisation de dispositifs standard à base de silicium.

L'entreprise allemande Semikron Danfoss a mis au point un procédé d'amélioration des fibres SiC de petit diamètre dopées au bore, disponibles dans le commerce, qui améliore leurs performances thermostructurelles et leur résistance à l'environnement, en renforçant les fibres individuelles tout en inversant simultanément les contraintes de tissage, de sorte qu'elles peuvent être formées plus facilement dans les formes souhaitées. Les tests montrent que ces fibres améliorées présentent une excellente résistance à la traction, au fluage et à la rupture jusqu'à 2700°F, ainsi qu'une résistance à la dégradation thermique considérablement accrue.