Conception de circuits MOSFET de puissance

Les onduleurs de traction principaux des véhicules électrifiés et les chargeurs embarqués (OBC) nécessitent des semi-conducteurs de puissance à large bande interdite et à haut rendement, tels que les MOSFET au SiC, qui offrent une commutation rapide et une faible résistance à l'état passant ; de plus, ces semi-conducteurs peuvent supporter des transitoires de tension plus élevés que les IGBT standard.

Le MOSFET de puissance 4H-SiC de 1 200 V de Cree présente une chute de tension de jonction inférieure à celle des IGBT au silicium, ce qui réduit les pertes de commutation et améliore le rendement tout en augmentant l'efficacité ; toutefois, des problèmes de fiabilité peuvent encore subsister.

Vitesse de commutation élevée

Les MOSFET au carbure de silicium (SiC) sont des dispositifs semi-conducteurs qui utilisent des grilles isolées pour réguler le flux de courant dans une alimentation électrique. On les retrouve dans des applications allant des onduleurs solaires aux chargeurs de véhicules électriques, en passant par les onduleurs d'énergie solaire ; ils offrent une tension de blocage plus élevée, des pertes de commutation réduites et un rendement amélioré par rapport à leurs homologues en silicium, ainsi qu'une résistance à l'état passant inférieure à celle de leurs concurrents à des températures élevées.

Les MOSFET de puissance en SiC peuvent être classés en plusieurs catégories différentes en fonction de la structure de leur grille et de leur zone de dérive, notamment les MOSFET planaires et les MOSFET à tranchée ; d'autres sont classés comme des MOSFET à superjonction ; cependant, quelle que soit leur classification, ces MOSFET de puissance présentent des indices de performance de Baliga supérieurs, une résistance à l'état passant plus faible et une tension de claquage inférieure à celles des MOSFET SJ au silicium.

Ces MOSFET de puissance nécessitent un transfert rapide de la charge de commande de la grille vers le drain afin d’atteindre une vitesse de commutation élevée ; pour ce faire, le circuit de commande de la grille doit fournir un courant élevé au niveau de la tension du plateau de Miller. Dans le cas contraire, un phénomène d'oscillation se produit à la sortie du circuit d'attaque, ce qui entraîne des interférences électromagnétiques (EMI). Pour minimiser ce risque, des diodes Schottky à faible chute de tension directe doivent être placées entre la grille et le condensateur de dérivation afin de réduire au minimum le courant à la sortie du circuit d'attaque et d'éviter les interférences électromagnétiques (EMI).

Faibles pertes de commutation

Les pertes de commutation des MOSFET de puissance constituent un facteur essentiel à prendre en compte lors de la conception de circuits, car une réduction de ces pertes est synonyme d’un meilleur rendement de fonctionnement du dispositif. L'un des moyens de réduire les pertes de commutation consiste à améliorer la structure de l'oxyde de grille grâce à des procédés d'oxydation thermique de haute qualité ; toutefois, la qualité de la couche d'oxyde dépend de divers facteurs, tels que la concentration des pièges d'oxyde proches de l'interface, des pièges dans le volume et la densité des états d'interface (Dit).

Les MOSFET au carbure de silicium présentent une faible résistance à l'état passant, ce qui en fait un excellent choix pour les composants de puissance tels que les onduleurs destinés aux trains, aux véhicules et aux équipements industriels. Cette technologie jouera un rôle central dans la transition vers les énergies renouvelables ainsi que dans la réduction des émissions de carbone et des pertes de puissance ; toutefois, la fiabilité reste un enjeu ; pour y remédier, Toshiba a mis au point une structure de dispositif qui réduit les valeurs RDS(on) et Ron*Qgd de plus de 20% par rapport aux produits de deuxième génération, grâce à l’optimisation de la résistance de diffusion ainsi qu’à l’injection d’azote visant à diminuer la capacité de rétroaction.

Faible tension grille-drain

La réduction de la consommation électrique du circuit de commande de grille est essentielle pour atteindre des vitesses de commutation élevées avec les MOSFET au SiC. Le calcul de la tension grille-source s'effectue généralement à l'aide de l'équation suivante : P = (fréquence × Qg) / (1 – tension grille-source). Il est également nécessaire de concevoir un circuit d'attaque doté de capacités efficaces de commande interne des FET tout en minimisant la capacité parasite, afin d'obtenir une atténuation maximale de la tension de diaphonie et une amplitude acceptable proche de la tension de seuil du canal grille-drain.

Les MOSFET de puissance en SiC se caractérisent également par une faible résistance RDS(ON), dont la variation en fonction de la température est minime par rapport aux dispositifs en silicium, ce qui permet d'optimiser le rendement et de réduire au minimum les pertes dans les applications à courant et tension élevés.

Fiji Electric a mis au point un MOSFET SiC à grille en tranchée de 1,2 kV présentant une faible tension grille-source, ce qui le rend adapté aux applications de commande de moteurs et d'alimentation électrique, notamment les variateurs de vitesse. Ce dispositif offre de faibles pertes de commutation et un temps de réponse rapide, ce qui en fait une alternative intéressante aux IGBT ou aux MOSFET au silicium, tout en étant capable de résister à des températures élevées.

Densité de puissance élevée

Les semi-conducteurs de puissance récents se caractérisent par une densité de puissance élevée, ce qui les rend adaptés à de nombreuses applications. Un circuit à haute densité de puissance peut contribuer à réduire les pertes de puissance et à améliorer les performances, tout en tenant compte de l'ensemble des facteurs en jeu. Par exemple, des fréquences de commutation plus élevées nécessitent des transformateurs et des filtres EMI plus petits, ainsi que des couches de dérive plus fines afin de réduire la résistance à l'état passant.

Les commutateurs de puissance SiC de WBG offrent des performances supérieures à celles des dispositifs traditionnels à base de silicium, ce qui signifie qu'ils garantissent un meilleur rendement et des pertes par pouce carré plus faibles, tout en étant plus compacts. De plus, ils fonctionnent à des vitesses bien plus élevées, ce qui les rend adaptés aux convertisseurs à haute vitesse, tels que les convertisseurs CC/CC résonants LLC.

Les modules MOSFET entièrement en SiC sont idéaux pour les systèmes de puissance nécessitant des blocs de tension de 1 700 V ou plus, fonctionnant à des températures élevées pouvant atteindre 175 °C avec des températures de jonction allant jusqu’à 175. De plus, leur résistance à la conduction inférieure à celle des dispositifs classiques en silicium permet aux concepteurs de réduire considérablement la taille et le coût des composants, tandis que le refroidissement par plaque de base à ailettes légères en AlSiC aide à gérer les contraintes thermiques élevées généralement présentes dans ces systèmes.

Faible résistance thermique

La faible résistance thermique des MOSFET de puissance en SiC les rend adaptés à une utilisation dans des applications à haute puissance telles que les onduleurs triphasés et les alimentations numériques, car ils présentent des pertes de commutation inférieures à celles de leurs homologues en silicium [33]. Ils sont également capables de supporter des applications à courant et tension élevés sans subir de défaillance destructive [33].

Cependant, les procédures de mesure de la courbe de refroidissement des MOSFET de puissance en SiC peuvent être compliquées par des transitoires électriques et thermiques qui se produisent simultanément. Un tMD prolongé peut réduire considérablement la précision de l'estimation de la température du dispositif et perturber le fonctionnement de la structure thermique.

SemiQ met en œuvre divers processus de test sur ses semi-conducteurs de puissance en SiC afin d’en garantir la fiabilité. Ces processus comprennent notamment des tests de rodage de grille au niveau de la plaquette et des tests de résistance du drain en polarisation inverse à haute température (HTRB), ainsi que des tests combinés de résistance à l’humidité élevée, à la haute tension et à la haute température, garantissant ainsi la conformité aux normes de qualité du secteur. SemiQ réalise également des essais de vieillissement sur ses produits afin de garantir leur compatibilité avec les fonctionnement à haute vitesse ainsi qu’avec les normes strictes en matière d’interférences électromagnétiques (EMI) – offrant ainsi une gamme complète de modules SiC adaptés aux applications pour véhicules électriques et moteurs.