Électronique de puissance au carbure de silicium

Haute tension

Le carbure de silicium (SiC) peut supporter des tensions élevées pouvant atteindre dix fois celles du silicium, ce qui en fait le matériau idéal pour les applications en électronique de puissance. De plus, la conductivité thermique et la mobilité des électrons supérieures du SiC par rapport au silicium contribuent à minimiser les pertes de commutation. Grâce à ces caractéristiques, les diodes et les transistors en SiC fonctionnent plus efficacement que leurs équivalents en silicium à des fréquences plus élevées sans perte de performance.

Les dispositifs bipolaires traditionnels présentent une résistance importante au niveau de la couche n lorsque la tension appliquée dépasse leur tension de claquage. Pour remédier à cela, on peut recourir au dopage p afin d'introduire des porteurs minoritaires dans la couche n épaisse et permettre ainsi aux électrons et aux trous, dont la densité est supérieure à celle des donneurs, de contribuer au flux de courant et de réduire la résistance de la couche n en mode de polarisation positive.

L'injection de porteurs minoritaires s'est révélée très efficace pour réduire considérablement la résistance de la couche n dans les dispositifs de puissance en SiC, ce qui permet d'atteindre des tensions plus élevées, de réduire la résistance à la mise sous tension et d'accélérer le fonctionnement – des caractéristiques essentielles pour des convertisseurs de puissance efficaces, tels que ceux utilisés dans les onduleurs de traction des véhicules électriques ou les systèmes solaires couplés à un stockage d'énergie assurant la formation du réseau.

Compte tenu de ces considérations, un nombre croissant de fabricants de composants électroniques de puissance adoptent des diodes Schottky et des MOSFET en carbure de silicium pouvant supporter des tensions allant jusqu’à 1 200 V afin de concevoir des chargeurs embarqués pour véhicules, des onduleurs solaires pour la formation de réseau, des applications de recharge rapide en courant continu pour véhicules électriques et des applications de recharge rapide en courant continu prenant en charge des tensions de conduite plus élevées, tout en augmentant l'autonomie des véhicules électriques. En adoptant ces composants, ils proposent des solutions plus compactes, plus légères et plus rentables, tout en prenant en charge des tensions de conduite plus élevées pour une autonomie accrue des véhicules électriques.

Haute fréquence

Le silicium (Si, bande interdite : 1,1 eV) est depuis longtemps considéré comme le matériau idéal pour les dispositifs de puissance. Les composants électroniques à base de silicium permettent de réduire la taille des circuits, d'augmenter leur vitesse de fonctionnement et de les faire fonctionner à des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que ceux fabriqués à partir d'autres matériaux semi-conducteurs.

Cependant, les dispositifs à base de silicium atteignent leurs limites de performance en raison des contraintes imposées par leurs matériaux. Pour répondre aux tensions élevées requises par les applications de puissance, les dispositifs de puissance au silicium doivent supporter un courant à l'état bloqué important. Alors que ce courant est généralement maintenu à un niveau négligeable dans les diodes et les transistors polarisés en inverse, s'il la force du champ électrique dépasse la tension de claquage critique, il pourrait rapidement augmenter et devenir considérable.

En raison de ces contraintes, les semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), qui peuvent supporter des champs électriques bien plus élevés, ont connu une expansion rapide sur le marché.

Le carbure de silicium offre une conductivité thermique quatre fois supérieure à celle du silicium, ce qui permet un refroidissement plus rapide et une réduction des pertes de puissance. De ce fait, les composants en carbure de silicium sont particulièrement adaptés aux applications à haute fréquence.

Faibles harmoniques

Les propriétés des semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) permettent une commutation à haute vitesse à des tensions plus faibles, ce qui améliore le rendement énergétique des convertisseurs CC/CC et des onduleurs CA/CC. Cela se traduit par des formats plus compacts, une capacité de fonctionnement à des températures plus élevées et une conception moins complexe, ce qui entraîne une réduction considérable du coût et du poids de ces deux types de systèmes.

Les composants SiC présentent également une distorsion harmonique du courant nettement moindre, un critère important dans les systèmes UPS industriels. La distorsion harmonique du courant provoque des déclenchements intempestifs et des erreurs gênants qui entraînent une augmentation des coûts de maintenance et une diminution de la disponibilité du système – un problème que les onduleurs à alimentation propre équipés de filtres actifs intégrant des diodes Schottky en SiC permettent d'éviter efficacement.

Le SiC est de plus en plus utilisé dans les interfaces de batteries et les variateurs de moteur des véhicules électriques en raison de sa densité de puissance, de son rendement, de sa vitesse de commutation et de sa résistance à la température supérieurs. Les technologies conventionnelles, telles que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et les transistors à effet de champ à oxyde métallique de silicium (MOSFET), atteignent leurs limites dans ces applications.

Les MOSFET au carbure de silicium 3300 V de Wolfspeed permettent de réduire les pertes de 301 % et de réaliser des économies de 151 % par rapport à leurs équivalents en silicium, offrant ainsi aux concepteurs une plus grande liberté pour améliorer le rendement des systèmes, réduire l'encombrement et fonctionner à des températures plus élevées dans des applications industrielles exigeantes, notamment les alimentations sans coupure (UPS). Un onduleur de secours équipé de MOSFET SiC peut offrir des performances encore supérieures pour des utilisations critiques telles que les machines industrielles ou les centres de données.

Diodes de Schottky

Les diodes de Schottky présentent des chutes de tension directe nettement inférieures à celles de leurs homologues en silicium ou en germanium, en raison des différences de fonction de travail entre le métal et le semi-conducteur. Lorsque ces matériaux entrent en contact, une barrière énergétique appelée « barrière de Schottky » se forme à leur jonction, due à la migration des électrons entre les surfaces des matériaux. Sous polarisation directe, cette barrière d'énergie commence à s'affaiblir, permettant aux électrons des métaux de passer plus librement dans la bande de conduction du semi-conducteur, ce qui entraîne un flux de courant et une rectification. De plus, leur temps de récupération inverse est beaucoup plus court, ce qui leur permet de passer beaucoup plus rapidement d'un état de rectification à un état de non-rectification.

La partie gauche de ce schéma représente un contact métallique, tandis que la partie droite montre un matériau semi-conducteur en silicium de type n dopé ; les niveaux d'énergie des deux matériaux sont différents : le niveau de Fermi du métal étant relativement plus élevé et proche de la bande de conduction du semi-conducteur, ce qui fait que le métal agit comme une anode tandis que le semi-conducteur agit comme une cathode ; la différence de niveaux d'énergie crée la barrière de Schottky, permettant aux électrons provenant du contact métallique de pénétrer dans le semi-conducteur sans être arrêtés par l'isolant de la zone d'appauvrissement, ce qui empêche tout mouvement vers cette zone et permet aux électrons de circuler entre ces matériaux sans être stoppés par les isolants de la zone d'appauvrissement, isolants de la zone d'appauvrissement, isolant de la zone d'appauvrissement, isolant qui, autrement, pourrait bloquer leur passage vers le matériau semi-conducteur, provoquant l'entrée de l'isolant de la zone d'appauvrissement pénétrer dans les régions d'appauvrissement.

Nexperia SiC est réputé pour ses diodes Schottky de qualité automobile, qui présentent la plus faible chute de tension directe du secteur et les meilleures performances en matière de courant de surintensité pour les applications destinées aux véhicules électriques. Le courant de fuite peut être limité par la recombinaison des porteurs aux interfaces ; c'est pourquoi Nexperia SiC a développé un dispositif hybride appelé diode Merged PiN Schottky (MPS), qui combine des diodes Schottky et des diodes p-n traditionnelles connectées en parallèle, afin de minimiser le courant de fuite tout en conservant les excellentes performances en matière de courant de surintensité des diodes Schottky.