Puces en carbure de silicium pour les véhicules électriques (VE)

Le carbure de silicium et d'autres matériaux à large bande interdite ont fait une percée dans l'industrie automobile, offrant une réduction significative des pertes de puissance par rapport aux puces de silicium traditionnelles tout en permettant des composants plus petits pour les véhicules électriques, conduisant à une gestion plus efficace de l'énergie, à des batteries plus légères et à une plus grande autonomie de conduite.

Conductivité électrique améliorée

Le silicium est depuis longtemps le matériau semi-conducteur de référence en électronique, mais ses performances limitées restreignent de nombreuses applications. Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite offrent des tensions de claquage et des températures de fonctionnement plus élevées qui permettent d'améliorer les performances de l'électronique de puissance.

Le carbure de silicium offre un champ électrique de rupture 10 fois supérieur à celui du silicium, ce qui permet d'obtenir une zone active plus fine et d'augmenter l'incorporation de dopants dans les dispositifs à haute tension avec des résistances en série plus faibles allant de 600 V à des milliers de V. En outre, ce matériau permet de configurer davantage de dispositifs de puissance qui prennent en charge différentes gammes de tension de résistance - de 600 V à des milliers de V de tension de résistance.

Le carbure de silicium se caractérise également par de faibles concentrations de porteurs de charge à température ambiante. Si cela ne semble pas important à première vue, son importance dans les opérations à haute température devient évidente : les dispositifs en silicium cessent souvent de fonctionner à certaines températures en raison des électrons libérés thermiquement qui ajoutent des porteurs de charge intrinsèques ; avec le carbure de silicium, cependant, ce problème ne se pose pas car sa faible concentration de porteurs signifie que les dispositifs peuvent continuer à fonctionner de manière fiable jusqu'à des températures de 250C ou 300C.

En raison de ces avantages, les acteurs de l'industrie s'efforcent de mettre en place une production de carbure de silicium le plus rapidement possible. L'un de ces partenariats a été conclu entre Roseville Fab et Onsemi, qui ont convenu de fournir des plaquettes de 6 pouces (150 mm) de puces de puissance en carbure de silicium à leurs clients du marché des véhicules électriques.

Meilleure dissipation de la chaleur

Le silicium est largement reconnu comme le semi-conducteur de choix dans les appareils électroniques, mais même ce matériau a ses limites. C'est pourquoi les matériaux à large bande interdite, comme le SiC, suscitent un intérêt croissant, car ils surmontent ces restrictions pour permettre aux appareils électroniques d'être plus petits, de fonctionner plus rapidement et à des températures et des tensions plus élevées.

Le SiC présente un écart énergétique beaucoup plus élevé que le silicium (3,26eV contre 1,6eV), ce qui lui permet de résister à des températures, des tensions et des courants beaucoup plus élevés avec une plus grande facilité, rendant ainsi les composants électroniques basés sur le SiC plus petits, plus légers et consommant moins d'énergie, ce qui contribue à accroître l'efficacité des systèmes.

Les dispositifs haute tension en carbure de silicium offrent non seulement des performances plus efficaces, mais aussi une plus grande fiabilité par rapport aux alternatives en silicium. En effet, les puces en carbure de silicium dissipent la chaleur de manière beaucoup plus efficace, ce qui permet de réduire les risques de surchauffe et de prolonger la durée de vie des composants électroniques tels que les MOSFET et les diodes Schottky.

Le carbure de silicium est déjà utilisé dans de nombreuses applications haut de gamme telles que les véhicules électriques, les onduleurs solaires et les entraînements de moteurs industriels. La demande pour ces dispositifs a connu une croissance exponentielle, conduisant l'offre à dépasser la demande ; pour relever ce défi, Onsemi a étendu ses pratiques d'intégration verticale afin d'assurer un approvisionnement ininterrompu de dispositifs de puissance en carbure de silicium de qualité - y compris les modules de puissance EliteSiC avec des MOSFETs SiC complets, des solutions à matrice nue jusqu'aux modules à boîtier encapsulé dans du gel et aux modules moulés par transfert - l'intégration verticale d'Onsemi aide à assurer un approvisionnement ininterrompu de dispositifs de puissance en carbure de silicium de qualité. Onsemi a également élargi ses efforts d'intégration verticale pour assurer un approvisionnement ininterrompu. Apprenez trois raisons convaincantes de choisir les modules de puissance EliteSiC d'Onsemi, depuis les solutions à matrice nue jusqu'aux modules à boîtier encapsulé avec des MOSFETs SiC complets, tous dotés de MOSFETs SiC complets !

Poids inférieur

Les puces en carbure de silicium offrent des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que leurs homologues semi-conducteurs en silicium, ce qui les rend adaptées à des applications à hautes performances telles que l'électronique de puissance pour les véhicules électriques terrestres ou les instruments d'exploration spatiale tels que les rovers ou les sondes (Mantooth, Zetterling & Rusu).

Les batteries au silicium offrent un meilleur rendement énergétique que leurs homologues au silicium, les pertes étant réduites jusqu'à 50 %, ce qui permet d'utiliser plus d'énergie pour la propulsion du véhicule et d'augmenter l'autonomie avec une seule charge de batterie.

Les semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium sont devenus une option intéressante pour les équipementiers de véhicules électriques. Bosch a récemment annoncé son intention de produire en masse des puces SiC qui alimentent les onduleurs et les convertisseurs des véhicules électriques - en améliorant la qualité, la fiabilité et l'efficacité tout en réduisant la taille et le poids.

Dans l'usine de Reutlingen, en Allemagne, une équipe d'ingénieurs dirigée par Allison Suba, 26 ans, de Roseville, se prépare à la reprise de la production à plein régime. Ils se familiarisent avec les nouveaux processus, montent les plaquettes sur des cadres pour les traiter dans une machine à découper et inspectent les défauts.

L'entreprise prévoit de passer des plaquettes de 150 millimètres actuellement utilisées pour la production, ce qui lui permet de fabriquer davantage de puces par cycle de production et de réaliser d'importantes économies d'échelle tout en réduisant le délai de mise sur le marché des nouvelles puces.

Efficacité accrue

Les puces en carbure de silicium font partie intégrante de l'électromobilité. Leur utilisation dans l'extension de l'autonomie des véhicules électriques en réduisant les pertes de puissance et en augmentant l'efficacité s'est avérée fructueuse ; en outre, elles améliorent l'efficacité énergétique des infrastructures informatiques en éliminant les systèmes de refroidissement, ce qui permet d'économiser de l'espace, du poids et des coûts.

Les semi-conducteurs sont des matériaux qui présentent à la fois des comportements conducteurs (comme les fils électriques en cuivre) et isolants en fonction de la tension ou de l'intensité de la lumière. La large bande interdite du carbure de silicium le rend plus efficace pour déplacer le courant électrique que les semi-conducteurs traditionnels en silicium, ce qui le rend adapté à l'électronique de puissance, comme les onduleurs de traction pour les véhicules électriques, ainsi que les convertisseurs DC/DC utilisés par les centres de données, les climatiseurs et les chargeurs.

Le SiC se distingue par une meilleure dissipation de la chaleur que les puces en silicium, ce qui signifie qu'il peut fonctionner de manière fiable à des températures plus élevées sans surchauffe. Les puces en silicium atteignent généralement leurs limites entre 250 et 300 °C, tandis que les puces en SiC ont été testées pour fonctionner de manière fiable à des températures allant jusqu'à 500 °C.

Le SiC est actuellement utilisé dans les alimentations de serveurs et les produits électroniques grand public qui exigent des performances élevées à des températures de fonctionnement élevées, y compris les alimentations de serveurs. Leur efficacité accrue contribue à réduire la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre dans l'ensemble de l'économie mondiale. Avec le temps, le carbure de silicium permettra de remplacer la technologie par des solutions plus légères offrant des coûts d'exploitation plus faibles et des durées de vie plus longues que la technologie existante actuellement sur le marché.