Réduction des émissions de carbone dans le secteur des transports grâce aux modules d’alimentation

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

Pour atteindre l’objectif commun de réduction des émissions de carbone et de neutralité carbone, l’infrastructure ferroviaire revêt une importance stratégique pour décarboniser le secteur des transports. Cependant, encore aujourd’hui, de nombreux autocars diesel sont en service, notamment sur les lignes ferroviaires non électrifiées. En Europe (UE-27), ces lignes non électrifiées représentent 43 % des réseaux ferroviaires nationaux.

Image utilisée avec la courtoisie de Adobe Stock

Récemment, les trains à batterie permettent un transport sans émission de CO₂ même sur des lignes non électrifiées ou partiellement électrifiées. Pour ces trains à batterie, les convertisseurs en carbure de silicium (SiC) permettent d’augmenter l’efficacité du train d’entraînement et de récupérer plus d’énergie de freinage. Ainsi, le SiC est un choix parfait pour les trains à batterie afin d’augmenter l’autonomie, de réduire la taille des batteries et de diminuer les coûts opérationnels.

Depuis de nombreuses années, Mitsubishi Electric a acquis une expérience terrain avec des modules de puissance SiC dans des applications ferroviaires. Les premiers convertisseurs de traction équipés de modules de puissance hybrides SiC de Mitsubishi ont été déployés en 2013. En 2015, le premier convertisseur de traction avec des modules Full-SiC a commencé son opération sur le terrain. En 2022, plus de 55 types de trains différents au Japon utilisent des onduleurs de traction SiC, principalement avec les modules de puissance SiC de Mitsubishi Electric.

En mai 2023, Mitsubishi Electric a annoncé la disponibilité de leur nouveau module de puissance SiC à 3,3 kV avec diode Schottky intégrée (SBD) et une capacité de courant de 800 A. L’intégration de la SBD permet de fonctionner en mode unipolaire pour éviter la dégradation bipolaire. De plus, ce dispositif permet une réduction substantielle des pertes de commutation et une résistance thermique inférieure par rapport aux modules de puissance SiC à 3,3 kV précédents. Enfin, en juin 2024, Mitsubishi Electric a annoncé deux variantes supplémentaires de modules de puissance avec SBD intégrée, évaluées pour 200 A et 400 A.

Cette famille de modules de puissance SiC nouvellement lancée avec SBD intégrée est appelée Unifull. Elle est dédiée à l’utilisation de convertisseurs ferroviaires de pointe, qu’il s’agisse de convertisseurs auxiliaires, de batteries ou de traction.

Performance Exceptionnelle

Les modules Unifull présentent des performances de commutation supérieures par rapport à leur génération précédente de modules SiC. Cela a été réalisé grâce à une conception de puce optimisée, une vitesse de commutation accrue et un temps de retard de commutation réduit. Cela se traduit par une réduction de 67 % de l’énergie de commutation en comparant le modèle FMF800DC-66BEW Unifull avec le modèle précédent FMF750DC-66A dans des conditions nominales. La technologie d’emballage pour les modules de puissance Unifull a été améliorée par l’utilisation d’un substrat en nitrure d’aluminium en combinaison avec une soudure à faible Rth afin de réduire la résistance thermique de la jonction au boîtier pour de meilleures performances thermiques.

Pour comparer la performance des nouveaux modules Unifull avec le module SiC prédécesseur FMF750DC-66A, une simulation a été réalisée en tenant compte des conditions de fonctionnement données dans la Figure 1. Il est observable que le FMF800DC-66BEW permet un courant de sortie plus élevé et, par conséquent, une puissance de sortie plus élevée sur toute la plage de fréquence de commutation de la simulation par rapport au FMF750DC-66A. Par exemple, le courant de sortie peut être augmenté de 62 % à une fréquence de commutation de 7 kHz et dans les conditions de fonctionnement données. En alternative, la fréquence de commutation pourrait être augmentée, par exemple, de 2 kHz à 7 kHz tout en atteignant le même courant de sortie. Ainsi, le nouvel Unifull FMF800DC-66BEW permet aux utilisateurs d’augmenter significativement le courant de sortie ou la fréquence de commutation.

Lorsque l’on compare le nouveau module Unifull évalué à 400 A, FMF400DC-66BEW, dans les mêmes conditions d’exploitation, les simulations montrent qu’il peut également dépasser le FMF750DC-66A en raison de ses performances de commutation supérieures. Ainsi, les utilisateurs pourraient envisager de remplacer le FMF750DC-66A par un module de puissance Unifull évalué à 400 A.

Figure 1. Courant de sortie atteignable en fonction de la fréquence de commutation du module de puissance SiC Unifull et du module de puissance SiC de génération précédente à 3,3 kV. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems [PDF]

Structure de SBD intégrée pour éviter la dégradation bipolaire

La dégradation bipolaire fait référence à un mécanisme de dégradation non souhaité dans les dispositifs SiC, dans lequel des défauts de superposition s’étendent à partir des dislocations du plan basal. Cette expansion des défauts de superposition est causée par des courants bipolaires. La dégradation bipolaire provoquera une augmentation de la résistance à l’état passant R_DS(on) du dispositif SiC. Cet effet est particulièrement crucial pour les dispositifs SiC à haute tension (c’est-à-dire une tension de blocage de 3,3 kV ou plus). En raison de l’épaisseur du layer epi dans de tels dispositifs à haute tension, les défauts de superposition peuvent compromettre une plus grande surface. Bien qu’un MOSFET SiC soit un dispositif unipolaire, sa diode intrinsèque est un dispositif bipolaire. Par conséquent, il convient d’éviter le fonctionnement de la diode de corps, car son courant bipolaire peut entraîner l’élargissement des défauts de superposition et la dégradation bipolaire.

Dans le passé, Mitsubishi Electric a abordé ce mécanisme de dégradation en montant des puces de diode Schottky unipolaire (SBD) à côté des puces MOSFET SiC (cf. Figure 2 (a)). Étant donné que la tension directe de la SBD est considérablement inférieure à la tension seuil de la diode de corps SiC, la SBD conduira le courant inverse et le flux de courant bipolaire à travers la diode de corps du MOSFET est évité. Depuis le début, Mitsubishi Electric a utilisé cette méthode pour ses dispositifs SiC à haute tension. Aujourd’hui, il est évident que l’efficacité de cette méthode a été prouvée par de nombreuses années de fonctionnement fiable sur le terrain dans des convertisseurs ferroviaires SiC.

Cependant, le montage de puces SBD supplémentaires occupe un espace précieux à l’intérieur du module de puissance. Néanmoins, il est impossible de faire des compromis sur la qualité et la fiabilité de nos modules de puissance SiC. Par conséquent, Mitsubishi Electric a développé la puce MOSFET avec SBD intégrée.

La Figure 3 montre la structure de la puce d’un MOSFET SiC conventionnel en comparaison avec le MOSFET avec SBD intégrée. D’après la Figure 3 (b), il est évident que la SBD court-circuite la diode de corps. Cela empêche les courants bipolaires et, par conséquent, la dégradation bipolaire. En outre, il n’est pas nécessaire d’ajouter des puces SBD SiC dédiées. Cela permet également de gagner un espace précieux à l’intérieur du module de puissance.

Amélioration du courant de surtension avec les cellules BMA

En cas de défaillance du convertisseur, un courant de surtension élevé pourrait circuler à travers les dispositifs à semi-conducteurs de puissance pendant une courte période. La perte excessive d’énergie causée par ce courant exceptionnellement élevé et l’augmentation de température qui en résulte peuvent entraîner une défaillance du dispositif. Par conséquent, la capacité de courant de surtension du dispositif est un paramètre clé pour la fiabilité du module.

Il est connu que connecter plusieurs puces MOSFET avec SBD intégrée en parallèle entraîne une capacité de courant de surtension inférieure à celle prévue en raison d’un phénomène d’encombrement de courant à l’intérieur d’une puce unique. Afin d’augmenter la capacité de courant de surtension de la technologie MOSFET avec SBD intégrée, Mitsubishi Electric a développé une nouvelle structure appelée cellules d’activation en mode bipolaire (cellules BMA) pour améliorer cette capacité.

Dans un scénario normal de courant de surtension pour les puces MOSFET avec SBD intégrée sans les cellules BMA, le courant de surtension augmenterait lentement à la SBD intégrée. Ce flux initial de courant unipolaire I_sd a causé une augmentation de la tension V_sd basée sur les caractéristiques de la SBD. Cependant, avec l’augmentation du courant de surtension et donc, l’augmentation de la chute de tension, la diode bipolaire parasitaire de la puce correspondante sera activée une fois que sa tension seuil sera atteinte.

Cela entraînera un flux de courant bipolaire pendant l’événement de courant de surtension, ce qui résulte en une modulation de conductivité dans la région de dérive en raison de l’injection de porteurs minoritaires et, par conséquent, entraîne une diminution de la tension V_sd comme on le voit dans la Figure 4 (a). Le point de transition de tension du flux de courant unipolaire au flux de courant bipolaire est défini comme la tension de reprise V_snap et peut varier entre différentes puces en fonction de leur largeur de SBD. Dans un exemple de quatre puces connectées en parallèle (cf. Figure 4 (b)), la puce A présente une V_snap inférieure par rapport aux autres 3 puces appelées B. Le courant bipolaire commencera à circuler à la puce A, ayant la V_snap la plus basse, en raison de sa résistance inférieure par rapport aux autres puces qui n’ont pas encore atteint leur tension V_snap. Par conséquent, la puce A prend tout le courant de surtension, entraînant un phénomène d’encombrement de courant. Ainsi, la capacité totale de courant de surtension est déterminée uniquement par la capacité de courant de surtension d’une seule puce avec la plus faible V_snap. Malheureusement, V_snap diffère déjà d’environ 1 V lorsque la largeur de la SBD varie de seulement 0,1 µm. En raison du processus de fabrication et des tolérances, il est très difficile de produire des puces avec une V_snap uniforme parmi toutes, ce qui entraîne une capacité de courant de surtension globalement faible pour un module de MOSFET avec SBD intégrée normal.

Figure 4. (a) Courant source-drain I_sd et tension source-drain V_sd sous condition de courant de surtension; (b) Exemple de quatre puces SBD-MOSFET connectées en parallèle; (c) Caractéristique I_sd vs V_sd de l’exemple. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems [PDF]

Utilisant la nouvelle structure de cellules BMA, les tolérances dans la V_snap entre les puces connectées en parallèle peuvent être compensées. En remplissant en partie une zone SBD intégrée avec un corps, une diode pn est créée à la place d’une SBD normale. Cette cellule BMA est illustrée dans la Figure 5 (a). En cas d’événement de courant de surtension, le courant circulera d’abord à travers les cellules SBD voisines comme un courant unipolaire. Lorsque le courant de défaut atteint un certain niveau, les cellules BMA deviennent actives. Grâce à la circulation du courant bipolaire à travers la cellule BMA, les porteurs minoritaires provoqueront une modulation de conductivité de la couche de dérive au niveau de la cellule BMA et de ses alentours à cause de la diffusion des porteurs à l’intérieur de la cellule. Ainsi, la résistance de la couche de dérive des cellules SBD adjacentes près de la cellule BMA diminuera en raison de la modulation de conductivité, ce qui entraînera une densité de courant plus élevée dans la région JFET des cellules adjacentes. Par conséquent, la tension appliquée dans la région JFET et donc, la tension à la diode de corps parasitaire de la cellule augmentera jusqu’à atteindre sa tension seuil, entraînant une activation du flux de courant bipolaire de la cellule. L’activation du flux de courant bipolaire dans la cellule SBD entraînera à son tour l’activation du flux de courant bipolaire de ses cellules SBD adjacentes sur le même principe, provoquant une propagation de l’opération bipolaire à toutes les cellules. Cela est illustré dans la Figure 5 (b). Ainsi, la cellule BMA permet de stabiliser la V_snap et entraîne toutes les cellules à prendre en charge le courant de surtension grâce à la propagation bipolaire au lieu de l’encombrement de courant sur une seule puce.

Le diagramme de Weibull dans la Figure 6 (a) montre que l’utilisation de la technologie des cellules BMA permet aux MOSFET SiC avec SBD intégrée d’atteindre une capacité de courant de surtension similaire à celle des MOSFET SiC dits à diode de corps. De plus, la comparaison de la surface de la puce après un test de courant de surtension avec et sans cellules BMA est montrée dans la Figure 6 (b). Sans cellules BMA, la défaillance est concentrée sur une seule puce ayant la plus basse Vsnap. Cependant, les puces avec cellules BMA montrent des dommages sur toutes les puces, indiquant une distribution plus uniforme du courant de surtension. Par conséquent, le concept des cellules BMA a prouvé son efficacité. Pour atteindre l’amélioration de la capacité de courant de surtension, il a été démontré que l’utilisation de 0,2 % de la surface active pour la cellule BMA est déjà suffisante.

Figure 5. (a) Vue en coupe de la cellule BMA; (b) Cellule BMA lors d’un événement de courant de surtension. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems [PDF]

Figure 6. (a) Diagramme de Weibull des résultats de mesure du courant de surtension; (b) Puces défaillantes après évaluation de la capacité de courant de surtension. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems [PDF]

La cellule BMA est active uniquement lors d’événements irréguliers pour améliorer la capacité de courant de surtension. Toutefois, en fonctionnement normal, la cellule BMA ne s’active pas, de sorte qu’aucun courant bipolaire ne traverse les diodes de corps parasites, évitant ainsi tout risque de dégradation bipolaire.

Robustesse accrue contre la dégradation bipolaire

Pour valider la robustesse des nouveaux modules de puissance Unifull contre la dégradation bipolaire, un test de courant de surtension répétitif a été réalisé en appliquant 50 impulsions de surtension avec une densité de courant de crête d’environ 550 A/cm² pendant 10 ms sur différentes puces MOSFET. Par la suite, le dispositif fonctionne en « fonctionnement normal » pendant une semaine pour permettre l’expansion des défauts de superposition. Dans ce cas, le « fonctionnement normal » signifie une fréquence de commutation de 10 kHz, un temps mort de 1 μs, une densité de courant de 100 A/cm² à 150°C.

Afin d’étudier l’impact de la dégradation bipolaire lors de ces événements de courant de surtension, le rapport relatif ΔR_ON de R_ON avant et après un test de courant de surtension excessif a été évalué. Ce rapport peut être directement corrélé à la surface d’expansion des défauts de superposition. La Figure 7 illustre la fréquence cumulative du rapport ΔR_ON après un test de courant de surtension répétitif combiné avec un fonctionnement normal. Dans les conditions données, le MOSFET conventionnel atteint déjà une augmentation de R_ON de 20 % avec une probabilité d’environ 1 %. En revanche, la probabilité d’augmentation de 10 % de R_ON pour le MOSFET avec SBD intégrée est d’environ 10-11.

Encore une fois, cela souligne clairement la fiabilité supérieure du MOSFET SiC Unifull avec SBD intégrée par rapport à un MOSFET conventionnel.

Figure 7. Fréquence cumulative des augmentations de R_ON après un fonctionnement répétitif de courant de surtension et une semaine de fonctionnement normal. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems [PDF]

Robustesse à l’humidité

Particulièrement pour les applications ferroviaires, il existe une prudence légitime concernant le fonctionnement à haute humidité. Puisque les modules de puissance ne sont pas hermétiquement scellés, la vapeur pourrait diffuser à l’intérieur du module de puissance et éventuellement atteindre la proximité des puces électroniques de puissance. Cela pourrait entraîner une dégradation et des défaillances inattendues des dispositifs sur le terrain.

Il a été l’objectif d’un groupe de travail ECPE (composé de principaux fabricants d’électronique de puissance, de concepteurs de convertisseurs ferroviaires et d’utilisateurs finaux) d’évaluer le risque d’une humidité élevée et de développer un schéma d’essai pour confirmer la robustesse à l’humidité des semi-conducteurs de puissance. La ligne directrice ECPE PSRRA 01 a été publiée, avec le schéma de test HV-H3TRB.

Selon cette ligne directrice, le FMF800DC-66BEW a été testé à une température de 85°C et 85 % d’humidité relative pendant 2000 heures. Bien que la directive ECPE exige une tension de drain à source de 1950 V, nous avons réalisé le test à 2100 V pour confirmer notre large marge de qualité. Les résultats des tests, présentés dans la Figure 8, confirment qu’il n’y a pas d’augmentation du courant de fuite pendant les 2000 heures de test. De plus, nous avons confirmé la stabilité des caractéristiques électriques du dispositif après le test. Ces résultats de test confirment la robustesse à l’humidité exceptionnelle des nouveaux modules de puissance SiC Unifull.

Figure 8. Confirmation de la robustesse à l’humidité selon le test HV-H3TRB. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems [PDF]

La famille de produits Unifull affiche la technologie des puces SiC haute tension de troisième génération de Mitsubishi Electric dans le boîtier normalisé LV100 avec une tension d’isolation de 6 kV. Grâce à la conception symétrique et à faible inductance du boîtier, une utilisation optimale de la technologie SiC est assurée.

La Figure 9 montre la gamme de la famille de produits Unifull. Les modules Unifull sont disponibles pour une tension de blocage de 3,3 kV pour des capacités de courant allant de 200 A à 800 A. Les applications cibles pour ce groupe de produits concernent particulièrement les applications avec de fortes exigences en matière de performances et de fiabilité. Cela inclut les convertisseurs auxiliaires ainsi que les convertisseurs de traction à faible et à haute puissance dans les applications ferroviaires.

Figure 9. Famille de produits Unifull. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems [PDF]

Électrification des chemins de fer

Aujourd’hui, 43 % des lignes ferroviaires européennes ne sont pas électrifiées. Étant donné que les trains à diesel ne seront plus utilisés à l’avenir, les trains à batterie constituent une solution pour décarboniser davantage le secteur des transports. Pour de telles applications, les modules de puissance Unifull à 3,3 kV offrent des pertes de commutation nettement réduites et une résistance thermique inférieure. Cela permet des convertisseurs de puissance avec une densité de puissance plus élevée et une efficacité supérieure. La robustesse de ces dispositifs a été confirmée contre la dégradation bipolaire et le fonctionnement à haute humidité.

Les modules de puissance SiC Unifull à 3,3 kV peuvent également être utilisés dans d’autres applications qui exigent les normes les plus élevées en matière d’efficacité, de densité de puissance et de fiabilité.

Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et a été coécrit par Nils Soltau, D. He, Mitsubishi Electric Europe B.V., Allemagne et R. Tsuda, S. Yamamoto, Mitsubishi Electric Corporation, Japon.