Les MOSFET en carbure de silicium (SiC) sont devenus une alternative attrayante aux IGBT en silicium dans les composants prévus pour 1 kV ou plus, offrant des avantages de commutation de haute performance dans un petit boîtier. Le MOSFET SiC de 3ème génération de Wolfspeed, C3M0075120D, offre cette commutation de haute performance dans une solution de plus en plus courante.
Les dispositifs au silicium offrent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues à oxyde métallique, notamment une résistance à l'état passant plus faible et une tension de blocage plus élevée. Par conséquent, ces dispositifs constituent un choix idéal pour les commandes de moteur, les alimentations sans interruption (ASI) et les onduleurs photovoltaïques.
Densité de puissance
La demande de puissance ne cesse d'augmenter, tout comme la demande de composants plus petits et d'une plus grande efficacité. Les dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC) offrent des solutions potentielles à ces défis en proposant des fréquences de commutation plus élevées, une conduction à faible résistance et des plages de température plus larges, ce qui permet d'augmenter la densité de puissance et de fonctionner à des températures plus élevées tout en réduisant la chaleur générée par les circuits.
Les MOSFET SiC peuvent être utilisés dans de nombreuses applications, notamment les convertisseurs AC/DC, les convertisseurs DC/DC et les alimentations sans interruption. Leur faible résistance à la conduction, leur vitesse de commutation plus rapide et leur plage de température plus étendue offrent aux concepteurs une plus grande liberté de conception par rapport aux dispositifs en silicium traditionnels ; en outre, ils sont capables de supporter des températures de jonction plus élevées, ce qui permet de réduire les coûts globaux du système et d'améliorer la fiabilité.
Les MOSFET à base de SiC présentent un avantage majeur par rapport à leurs homologues en silicium : ils supportent une capacité de sortie plus importante, ce qui permet aux fabricants d'utiliser des résistances de grille externes plus petites tout en obtenant la même tension de sortie - ce qui est particulièrement utile dans les topologies de circuits complexes telles que les convertisseurs de puissance à résonance LLC.
Bien que les dispositifs de puissance à base de SiC puissent présenter de nombreux avantages, de nombreux experts maintiennent que les MOSFET au silicium restent pertinents en raison de leur fonction d'amplification qui nécessite une diode de corps dont la tension de seuil est plus élevée que celle des MOSFET au silicium, ce qui diminue les gains d'efficacité. Il est donc essentiel que le temps mort des MOSFET SiC soit optimisé par les pilotes de grille SCALE afin de garantir des gains d'efficacité maximaux.
Haute efficacité
Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont mené des travaux approfondis pour mettre au point de meilleurs dispositifs de commutation de puissance en silicium. Malheureusement, leurs efforts ont atteint leurs limites et de nouvelles technologies étaient nécessaires. Les MOSFET SiC offraient la solution - augmenter les fréquences de commutation sans augmenter les pertes de puissance ou la production de chaleur était essentiel pour atteindre de nouveaux niveaux de performance.
Les MOSFET SiC présentent des champs électriques critiques de rupture (VDS) plus élevés que leurs homologues en silicium, ce qui leur permet de fonctionner à des tensions nominales plus élevées et à des vitesses de commutation plus rapides pour une plus grande densité de puissance. En outre, les MOSFET en SiC présentent des courants de fuite de grille plus faibles et une diminution de la perte au démarrage de Miller, ce qui contribue à accroître l'efficacité.
Les MOSFET SiC présentent une excellente résistance à la température. .
Pour maximiser l'efficacité, de nombreux fabricants de MOSFET SiC utilisent des diodes barrières Schottky séparées du côté du drain et de la source afin de réduire la tension corps-drain et les pertes de commutation, ainsi que d'augmenter les vitesses de balayage pour les taux de commutation rapides. En outre, plusieurs sociétés proposent des pilotes de grille SCALE spécialement conçus pour piloter les MOSFET SiC ; ces pilotes sont un élément essentiel de toute conception de commutation de puissance à haut rendement.
Large bande interdite
Les semi-conducteurs à large bande interdite ont révolutionné l'électronique. Capables de fonctionner à des températures et des tensions/fréquences de commutation plus élevées que leurs prédécesseurs à base de silicium, les semi-conducteurs à large bande interdite offrent de nombreux avantages supplémentaires tout en étant beaucoup plus économes en énergie que leurs équivalents en silicium.
Le principal avantage des semi-conducteurs de puissance à large bande interdite réside dans leur plus grand écart énergétique, qui leur permet de commuter à des fréquences et des tensions plus élevées sans perte d'efficacité, tout en subissant des pertes de commutation plus faibles que les dispositifs en silicium classiques.
Les semi-conducteurs à large bande interdite se caractérisent également par une mobilité élevée des électrons, ce qui facilite la transmission du courant entre les bornes de la source et du drain et permet de réduire la résistance à l'enclenchement et les pertes ohmiques, augmentant ainsi le rendement.
Les dispositifs en SiC bénéficient d'une mobilité électronique plus élevée que les dispositifs en silicium conventionnels, ce qui permet des fréquences de commutation plus élevées en raison de sa bande interdite plus large qui permet une région de déplétion plus fine, ce qui réduit la résistance à l'enclenchement et la résistance à l'enclenchement.
Les MOSFET SiC se sont révélés idéaux pour des applications telles que les onduleurs de traction, les commandes de moteur et les convertisseurs DC-DC en raison de leurs avantages en termes de fiabilité et de prévention des dommages. Les pilotes de grille SCALE de weEn Semiconductors fournissent un circuit de commande de grille approprié qui contrôle les tensions de commande positives et négatives des MOSFET SiC en utilisant des topologies LLC résonantes, permettant ainsi un fonctionnement fiable à des fréquences de commutation plus élevées sans encourir de problèmes de diaphonie ZVS (zero voltage standing).
Résistance à l'enclenchement plus faible
Les MOSFET de puissance en carbure de silicium (SiC) se caractérisent par une résistance à l'enclenchement plus faible, ce qui permet de les utiliser dans des circuits d'électronique de puissance sans pertes excessives. En outre, les dispositifs en carbure de silicium présentent des pertes de commutation inférieures à celles des dispositifs en carbure de silicium classiques, ce qui réduit encore les pertes globales du système. Malheureusement, la réduction de la résistance spécifique à l'enclenchement nécessite l'amélioration de la fiabilité de l'oxyde de grille, une tâche extrêmement difficile qui n'a pas encore été totalement optimisée dans les MOSFET de puissance SiC commerciaux.
La résistance d'un MOSFET dépend de plusieurs facteurs, notamment de sa région de dérive et du nombre d'électrons libres dans son canal d'inversion. La température joue un rôle clé à cet égard et la résistance varie en fonction de la plage de fonctionnement de chaque dispositif MOSFET.
Les MOSFET SiC offrent une excellente résistance à l'enclenchement à des niveaux de tension croissants, ce qui les rend idéaux pour les applications à haute tension telles que les onduleurs de traction et les commandes de moteur.
ROHM offre une vaste sélection de MOSFET de puissance SiC à faible résistance à l'enclenchement. Ces dispositifs sont proposés dans des boîtiers compacts pour répondre à diverses applications ; en général, plus la surface de la puce est grande, plus la résistance à l'enclenchement est faible. De plus, les MOSFET SiC de ROHM présentent une certaine résistance de leur boîtier en raison des zones inactives utilisées pour la terminaison et les lignes de gravure qui ne transportent pas de courant.
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