Les transistors en carbure de silicium ont rapidement gagné du terrain dans les applications d'électronique de puissance qui exigent des dispositifs semi-conducteurs à plus haute tension, en raison de plusieurs propriétés clés qui leur permettent d'offrir des niveaux de performance inégalés par les dispositifs fabriqués à partir d'autres matériaux.
Le carbure de silicium est un matériau solide qui possède des propriétés de semi-conducteur à large bande interdite. Il est formé par la combinaison de silicium et de carbone avec des liaisons covalentes fortes pour former cette substance robuste.
Champ électrique de rupture élevé
Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur composé dont l'intensité du champ électrique de rupture est supérieure à celle du silicium. Cela lui permet de fonctionner dans des conditions où d'autres matériaux semi-conducteurs ne le peuvent pas, ce qui en fait un candidat intéressant pour les applications d'électronique de puissance.
Bien que le carbure de silicium pur agisse comme un isolant électrique, il peut être rendu conducteur d'électricité par l'ajout contrôlé d'impuretés telles que des dopants d'aluminium, de bore et de gallium qui créent des régions de type P et de type N nécessaires à la fabrication des dispositifs. .
Le carbure de silicium possède non seulement une capacité de tension élevée, mais aussi une large plage de température de fonctionnement et une excellente conductivité thermique, ce qui le rend adapté aux applications de commutation à haute température. En outre, le carbure de silicium présente une largeur de bande interdite trois fois supérieure à celle du silicium, ce qui permet de réduire les niveaux de concentration des porteurs et d'améliorer les performances de commutation.
Les MOSFET SiC diffèrent considérablement de leurs homologues en silicium en ce sens qu'ils présentent une résistance à l'enclenchement et des pertes de commutation plus faibles tout en étant très efficaces, offrant des temps de réponse plus rapides et une capacité de remplacement dans diverses applications d'électronique de puissance. Ils peuvent remplacer les IGBT et les MOSFET de puissance standard dans les applications à haute fréquence tout en gérant des transitoires de niveau supérieur qui causeraient autrement des dommages.
Fonctionnement à haute température
La large bande interdite des transistors en carbure de silicium leur permet de supporter des températures de fonctionnement plus élevées que celles de leurs homologues en silicium, grâce à leur capacité à canaliser les électrons. Des températures élevées forceraient autrement les électrons à sortir de la bande de conduction et provoqueraient des courants qui perturberaient les opérations logiques - un problème qui ne se pose pas avec la large bande interdite du carbure de silicium, qui déplace les électrons plus efficacement que dans les transistors en silicium.
Des chercheurs de la Case Western Reserve University ont récemment mené une expérience impressionnante, au cours de laquelle des MOSFET en carbure de silicium ont fonctionné pendant plus de 105 heures dans un four extrêmement chaud, à des températures proches de 550 degrés Celsius, dépassant de loin toute température minimale de fonctionnement requise dans la plupart des applications d'électronique de puissance.
Les chercheurs ont créé un MOSFET avec une couche de dérive N, une région de source N+, une grille en tranchée, des électrodes de drain et d'alimentation métalliques, ainsi qu'une région de source N+ ; cette configuration est souvent appelée dispositif DMOS planaire. Ils ont ensuite testé un circuit de bascule D à déclenchement par front négatif qui détecte les transitoires négatifs d'un signal CA et les compare aux transitoires positifs pour créer un circuit de bascule D à déclenchement par front négatif qui capture les transitoires négatifs mesurés par rapport aux transitoires positifs en temps réel.
Ils ont constaté que la puce fonctionnait exceptionnellement bien dans des conditions extrêmes, avec un seul bit défaillant après 95 heures de fonctionnement à 470 degrés Celsius. Cela suggère qu'elle pourrait être utilisée dans diverses applications nécessitant des températures élevées, notamment les chargeurs de véhicules électriques et les équipements fonctionnant à des températures élevées.
Faibles pertes de commutation
Les dispositifs en carbure de silicium (SiC) sont devenus un choix de plus en plus populaire dans les applications clés de l'électronique de puissance, notamment les onduleurs qui convertissent les panneaux solaires photovoltaïques en courant continu, les convertisseurs industriels de courant alternatif en courant continu pour le stockage de l'électricité et les chargeurs de véhicules électriques. Cette tendance peut être attribuée à la capacité des dispositifs SiC à gérer des tensions plus élevées avec des pertes réduites par rapport à leurs homologues fabriqués à partir de semi-conducteurs en silicium traditionnels, ce qui augmente considérablement l'efficacité des systèmes de conversion de l'énergie.
Le SiC pur est un isolant, mais lorsqu'il est dopé avec des impuretés telles que l'aluminium, le gallium ou le bore, il devient conducteur d'électricité et peut conduire l'électricité plus facilement. Ces dopants peuvent ensuite être cultivés sur des substrats de silicium pour produire des transistors à effet de champ en carbure de silicium métal-oxyde-semiconducteur (SiC MOSFET).
L'intensité élevée du champ électrique de rupture des MOSFET SiC les rend idéaux pour les topologies à commutation dure telles que LLC et ZVS, dans lesquelles les dispositifs s'allument et s'éteignent à des fréquences élevées. En outre, les MOSFET SiC présentent de faibles pertes de commutation, ce qui permet aux concepteurs de réduire la taille des condensateurs et des inductances tout en diminuant le coût total du système. En outre, le fait de les faire fonctionner à des températures plus élevées permet de minimiser les pertes de puissance tout en augmentant l'efficacité du système.
Longue durée de vie
Les dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC) se distinguent par leur longévité exceptionnelle, car ils sont capables de résister à des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que les semi-conducteurs à base de silicium - qui tombent souvent en panne prématurément en raison de certaines circonstances - ce qui rend ces dispositifs robustes idéaux pour les topologies de commutation dure et résonante telles que LLC et ZVS, ainsi que pour d'autres conceptions de circuits à haute performance en raison des faibles pertes à l'état passant et de l'efficacité de la conversion d'énergie. Les dispositifs SiC sont donc très recherchés.
La structure atomique unique du SiC lui permet de se comporter comme un matériau semi-conducteur alternatif, sa bande interdite étant presque trois fois supérieure à celle des semi-conducteurs au silicium traditionnels, ce qui a donné naissance aux matériaux à large bande interdite comme le SiC.
Le SiC se distingue par sa conductivité thermique et ses circuits de refroidissement courts, ce qui réduit globalement les pertes de puissance. En outre, sa tension de claquage élevée permet aux concepteurs de réduire la taille des dispositifs sans compromettre les performances ou la fiabilité.
Alors que les dispositifs conventionnels en silicium restent la norme industrielle pour l'électronique de puissance, la pression croissante des gouvernements en faveur d'une réduction des émissions et la popularité grandissante des BEV incitent les entreprises à explorer d'autres matériaux comme le SiC et le GaN, qui offrent des caractéristiques supérieures susceptibles de les remplacer dans divers composants d'un véhicule électrique.
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