Conception de dispositifs de puissance en SiC robustes dans des conditions thermiques extrêmes

Ce article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

Atteindre une densité de puissance maximale est une exigence de plus en plus importante pour des applications telles que les convertisseurs de puissance DC/DC, les chargeurs embarqués (OBC) dans les véhicules électriques, les entraînements de moteurs industriels, les onduleurs solaires et les onduleurs de traction. Cette exigence augmente les températures de fonctionnement du système, nécessitant l’utilisation de composants capables de fonctionner en toute sécurité à des températures allant jusqu’à 175 °C. Les dispositifs basés sur des matériaux à large bandegap comme le carbure de silicium (SiC) répondent à cette exigence et sont de plus en plus populaires dans ces applications. Cependant, à des températures élevées, même les MOSFET en SiC présentent un comportement complexe qui peut être attribué à de subtiles variations dans des paramètres critiques tels que V_GS(th) (tension de seuil de porte), R_DS(on) (résistance à l’état passant), I_DSS (courant de fuite drain-source) et I_GSS (courant de fuite porte-source). Si ces variations ne sont pas soigneusement prises en compte, elles peuvent entraîner des pannes inattendues des systèmes électroniques de puissance. Les fiches techniques des dispositifs des fabricants ne contiennent généralement pas d’informations détaillant l’interdépendance de ces différents paramètres, en particulier à des températures de fonctionnement plus élevées. Cet article aborde cette lacune en fournissant des lignes directrices sur l’utilisation de ces paramètres critiques lors de la conception d’un convertisseur de puissance DC/DC basé sur SiC devant fonctionner à des températures allant jusqu’à 175 °C.

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L’avantage du SiC

Les MOSFET en SiC offrent des avantages significatifs par rapport aux MOSFET en silicium traditionnels et aux transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) à haute tension et température, les rendant idéaux pour les applications automobiles, les énergies renouvelables et industrielles.

Les ingénieurs testent généralement leurs dispositifs dans des conditions d’application et cherchent à repousser les limites de performance du dispositif pour obtenir des performances maximales, en tenant compte de tous les facteurs de réduction de performances ; la conception thermique en est un.

Tableau 1. Dérive mesurée de R_DS(on) par rapport aux variations de température de jonction. L’image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Nexperia teste de manière exhaustive les paramètres de performance en utilisant des méthodes standard de l’industrie. La Figure 1(a) montre un tel montage de double impulsion utilisé pour tester les paramètres du dispositif comme RDSON, V_GS(th), I_GSS, et I_DSS, et évalue les performances de commutation.

Figure 1. Comparaison de R_DS(on) avec des concurrents. L’image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Les courbes IV sont générées à l’aide de l’analyseur de puissance Keysight 505. Pour pousser l’opération du convertisseur à une température élevée, le premier paramètre à considérer pour la conception est le R_DS(on) du dispositif. La section ci-dessous comparera les dispositifs Nexperia par rapport à quelques concurrents et les variations des paramètres R_DS(on) dans son processus de fabrication rigoureux pour montrer la stabilité supérieure de R_DS(on) des dispositifs Nexperia. La Figure 1 montre la variation de R_DS(on) par rapport à la température et la compare aux concurrents de l’industrie pour comprendre la variation. La ligne rouge, représentant le composant Nexperia, montre une augmentation de 38 % de R_DS(on), tandis que les lignes bleues, correspondant aux concurrents C et E, indiquent des augmentations de plus de 180 % et 210 %, respectivement. Une augmentation de R_DS(on) corrèle directement avec des pertes de puissance de conduction plus élevées, comme l’exprime l’équation suivante,

P_{Pertes de conduction} = I² × R_DS(on) (1)

Si R_DS(on) double, les pertes de conduction doublent également, entraînant une plus grande génération de chaleur dans le dispositif, ce qui peut rapprocher le dispositif de ses limites thermiques et augmenter le risque de défaillance.

Le Tableau 1 montre les résultats de mesure expérimentale de R_DS(on) de plusieurs MOSFET en SiC de 1200 V, 40 mΩ, y compris Nexperia et cinq concurrents (Comp A-E). Les données révèlent que le MOSFET en SiC de 40 mΩ de Nexperia démontre les performances de R_DS(on) les plus stables sur une plage de température allant de 25 °C à 175 °C, avec des augmentations de 1,27 et 1,55 fois—inférieures à celles de ses cinq meilleurs concurrents.

D’un point de vue pratique, des augmentations significatives de R_DSON à des températures élevées peuvent fortement affecter les pertes de puissance et l’efficacité d’un système, comme le montre la Figure 2, mesure d’efficacité à haute température, impactant ainsi sa fiabilité globale. Cette stabilité de R_DS(on) souligne la capacité des composants Nexperia à maintenir une efficacité plus élevée dans des conditions exigeantes.

Figure 2. Comparaison de l’efficacité entre Nexperia et un concurrent. L’image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

La Figure 3(a) illustre le comportement de R_DS(on) à différentes températures, avec l’axe des x montrant R_DS(on) en milliohms et l’axe des y indiquant le pourcentage de changement du 2ème au 98ème percentile. Des essais ont été effectués sur 25 DUT à V_GS = 15 V, couvrant des températures de -55 °C à 175 °C. Chaque ligne représente une température spécifique, mettant en évidence la variabilité de R_DS(on). À des températures plus élevées, la stabilité de R_DS(on) s’améliore, avec des écarts-types d’environ 1,20 mΩ de 125 °C à 175 °C, assurant des performances cohérentes sous contrainte thermique et réduisant les risques de perte de puissance. Cette stabilité de R_DS(on) à haute température améliore l’efficacité énergétique, comme le montre la Figure 2.

Le deuxième paramètre d’intérêt est V_GS(th). Un contrôle strict de ce paramètre se traduit par un partage de courant statique et dynamique entre différents dispositifs. La Figure 3(b) offre une visualisation détaillée du comportement de V_GS(th) sur une large plage de températures (-55 °C à 175 °C), avec l’axe des x représentant les valeurs de V_GS(th) en millivolts et l’axe des y indiquant le pourcentage de changement de V_GS(th) du 2ème au 98ème percentile. Chaque ligne colorée dans le graphique correspond à un résultat de température spécifique, comparant clairement comment R_DS(on) varie avec la température. La valeur moyenne et l’écart-type sont étiquetés comme Av et S. La tension de seuil la plus stable a été trouvée lors du test à 175 °C avec l’écart-type le plus bas, S = 56,26 mV. La plus grande variation de V_GS(th) s’est produite à -55 ^oC avec un écart-type de S = 85,78 mV.

Figure 3. (a) Mesure de R_DSON et (b) mesure de V_GS(th) à -55 °C et 175 °C. L’image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Une explication plus détaillée sera donnée dans le document complet. La Figure 4(a) et (b) montrent les tests en cours de I_DSS et I_GSS avec 75 DUT et les différences notables des données de test entre les basses températures (-55 °C, 25 °C et jusqu’à 125 °C) et les hautes températures (150 °C ou 175 °C) dues à la dépendance de température des courants de fuite. À des températures allant jusqu’à 150 °C, les valeurs de I_DSS sont très faibles, < 200 nA parmi 72 échantillons, et à 175 °C, les valeurs de I_DSS se situent entre 400 nA et 800 nA, ce qui est dans les limites du dispositif. De même, les données de test I_GSS à 175 °C sont <10 nA, ce qui est dans les limites du dispositif.

Figure 4. (a) Mesure de I_DSS et (b) mesure de I_GSS de -55 °C à 175 °C. L’image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Analyser le comportement dynamique de commutation est crucial pour évaluer les performances des dispositifs à 175 °C. Pour ce faire, les dispositifs répertoriés dans le Tableau 1 ont été testés à l’aide d’une configuration à double impulsion, avec leurs niveaux de tension recommandés entre la porte et la source et les résistances de porte externes (RGext) spécifiés dans les fiches techniques. La Figure 5 présente des formes d’onde classiques de mise sous tension et hors tension pour le dispositif de 40 mΩ de Nexperia.

Figure 5. Transitions de mise sous tension et hors tension des dispositifs de Nexperia. L’image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Conclusions et travaux futurs

À des températures élevées, principalement 150 °C ou 175 °C, les MOSFET en SiC de 1200 V de Nexperia montrent une stabilité de R_DS(on), de faibles variations de V_GS(th), I_GSS et I_DSS, des pertes de commutation réduites et une efficacité plus élevée dans le convertisseur DC/DC montré dans la Figure 2. Cette cohérence est particulièrement bénéfique dans des applications exigeantes telles que les onduleurs de traction pour véhicules électriques, les systèmes électriques aérospatiaux, les réseaux électriques, les entraînements de moteurs industriels et d’autres scénarios à haute température où la stabilité des performances est primordiale.

Les tests en cours pour les MOSFET en SiC de 1200 V, 17, 30, 60 et 80 mΩ comprennent des caractéristiques statiques, des commutations dynamiques et des tests de convertisseur DC/DC pour démontrer une amélioration de l’efficacité à 175 °C. L’objectif est de constituer un ensemble de données complet sur les performances statiques et dynamiques. Cette analyse guidera une optimisation supplémentaire de ces dispositifs, les rendant adaptés aux applications à haute température où la performance constante, l’efficacité énergétique et la fiabilité sont primordiales.

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