Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les systèmes électriques avec des tensions de barre de bus CC de 400 V ou plus, alimentés par l’énergie réseau monophasée ou triphasée ou par un système de stockage d’énergie (ESS), peuvent améliorer leur fiabilité et leur résilience grâce à une protection de circuit à l’état solide. Lors de la conception d’un interrupteur de déconnexion de batterie à l’état solide haute tension, plusieurs décisions de conception fondamentales doivent être prises. Parmi les facteurs clés figurent la technologie des semi-conducteurs, le type d’appareil, le conditionnement thermique, la robustesse de l’appareil et la gestion de l’énergie inductive durant l’interruption du circuit. Cet article aborde les considérations de conception dans le choix de la technologie des semi-conducteurs de puissance et la définition du conditionnement des semi-conducteurs pour un interrupteur de déconnexion de batterie haute tension et haute courant, ainsi que l’importance de caractériser l’inductance parasitaire d’un système et les limites de protection contre les surcurrents.
Avantages de la technologie des semi-conducteurs à large bande interdite
Une attention particulière doit être portée à la sélection du matériau semi-conducteur optimal pour réaliser un interrupteur avec une résistance d’état passant minimale, un courant de fuite d’état non passant minimal, une capacité de blocage de haute tension et une capacité de puissance élevée. La Figure 1 montre les caractéristiques des matériaux semi-conducteurs pour le silicium (Si), le carbure de silicium (SiC) et l’azote de gallium (GaN). Le champ de rupture électrique du SiC et du GaN est environ dix fois supérieur à celui du silicium. Cela permet de concevoir des dispositifs avec une région de dérive qui est un dixième de l’épaisseur d’un dispositif équivalent en silicium, car son épaisseur est inversement proportionnelle au champ de rupture électrique. De plus, la résistance de la région de dérive est inversement proportionnelle au cube du champ de rupture. Cela se traduit par une résistance de région de dérive presque 1000 fois inférieure. Dans une application d’interrupteur à état solide, où toutes les pertes sont des pertes de conduction, le champ de rupture électrique élevé est un avantage significatif. Cette résistance réduite élimine également les préoccupations liées aux problèmes de verrouillage dynamique, où des transitoires élevés dV/dt peuvent déclencher le transistor NPN parasitaire ou le thyristor dans les MOSFET de puissance en silicium et les IGBT, respectivement.
Figure 1. Propriétés des matériaux Si, SiC et GaN. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
La conductivité thermique du carbure de silicium, trois fois supérieure à celle du Si et du GaN, améliore considérablement la capacité à évacuer la chaleur du chip, lui permettant de fonctionner à une température plus basse et simplifiant le design thermique. Alternativement, pour une température de jonction cible équivalente, cela permet un fonctionnement avec des courants plus élevés. La conductivité thermique accrue, couplée au champ de rupture électrique élevé, se traduit par une faible résistance à l’état passant, simplifiant encore le design thermique.
Le carbure de silicium, un matériau semi-conducteur à large bande interdite (WBG), présente un écart d’énergie près de trois fois plus élevé que celui du silicium, ce qui permet un fonctionnement à des températures plus élevées. Un semi-conducteur cesse de fonctionner comme tel à des températures élevées. L’écart d’énergie plus large permet au carbure de silicium de fonctionner plusieurs centaines de degrés Celsius plus haut que le silicium puisque la concentration de porteurs de charge libres est plus faible. Cependant, d’autres facteurs (par exemple, le conditionnement, les fuites de l’oxyde de grille) basés sur la technologie actuelle limitent la température maximale de jonction continue d’un dispositif à 175°C. Un autre avantage de la technologie WBG est qu’elle fournit un courant de fuite d’état non passant plus bas.
Considérant ces caractéristiques, le carbure de silicium est le matériau semi-conducteur optimal pour cette application.
Différences entre les IGBT, MOSFET et JFET
Le type de transistor est le prochain facteur critique. Dans la plupart des cas, la perte de conduction représente le plus grand défi de conception. Les pertes de conduction doivent être minimisées pour répondre aux exigences thermiques du système. Un refroidissement liquide est disponible dans certains systèmes, tandis que d’autres peuvent utiliser un refroidissement par air forcé ou compter sur une convection naturelle. En plus de minimiser la perte de conduction, la chute de tension doit également être maintenue au minimum pour maximiser l’efficacité à tous les points de fonctionnement, y compris les conditions de faible charge. Cela est particulièrement important dans les systèmes alimentés par batterie. Un autre facteur important dans de nombreux systèmes, y compris les systèmes CC, est le flux de courant bidirectionnel. Un transistor avec une faible perte de conduction, une faible chute de tension et une capacité de conduction inverse est généralement souhaité. Les transistors généralement considérés sont les IGBT, les MOSFET et les JFET.
Bien qu’un IGBT offre une perte de conduction comparable à celle d’un MOSFET aux courants de charge de pointe, une fois le courant de charge réduit, l’efficacité d’une solution basée sur IGBT diminue. Cela est dû au fait que la chute de tension se compose de deux composants : une chute de tension presque constante, indépendante du courant de collecteur, et une chute de tension proportionnelle au courant de collecteur. Avec un MOSFET, la chute de tension est proportionnelle au courant de source. Il ne présente pas la surcharge d’un IGBT, ce qui permet une haute efficacité à tous les points de fonctionnement, y compris les conditions de faible charge. Le MOSFET permet la conduction dans le premier et le troisième quadrant, ce qui signifie que le courant peut circuler à travers le dispositif dans les directions directe et inverse. Un avantage supplémentaire du fonctionnement en troisième quadrant d’un MOSFET est qu’il a généralement une résistance d’état passant légèrement inférieure à celle du premier quadrant. En revanche, un IGBT ne conduit le courant que dans le premier quadrant, et une diode en antiparallèle est nécessaire pour la conduction de courant inverse. Le JFET, une technologie plus ancienne mais en plein essor, fonctionne dans les deux conductions, directe et inverse, et, comme le MOSFET, présente une chute de tension proportionnelle au courant de drain. La différence avec un MOSFET est qu’il s’agit d’un dispositif en mode d’appauvrissement. C’est-à-dire que le JFET est normalement actif et nécessite un biais de grille pour inhiber le flux de courant. Cela présente des défis pratiques pour les concepteurs lors de la prise en compte des conditions de panne du système. Pour contourner cela, une configuration en cascade qui inclut une série de MOSFET en silicium à faible voltage peut être utilisée pour réaliser un dispositif normalement coupé. L’ajout du dispositif en série en silicium augmente la complexité, ce qui diminue certains des avantages du JFET dans des applications à courant élevé. Le MOSFET SiC, un dispositif normalement coupé, offre la faible résistance et la capacité de contrôle nécessaires dans de nombreux systèmes.
Conditionnement thermique
Les modules de puissance SiC permettent un haut niveau d’optimisation du système qui est difficile à réaliser avec le parallélisme de MOSFET discrets. Les modules mSiC de Microchip sont disponibles dans une gamme de configurations et de classes de tension et de courant. Parmi ceux-ci, il y a la configuration à source commune qui connecte deux MOSFET SiC dans une configuration antiparallèle pour permettre le blocage bidirectionnel de la tension et du courant. Chacun des MOSFET est composé de plusieurs puces connectées en parallèle pour atteindre le courant nominal et une faible résistance à l’état passant. Pour un interrupteur de déconnexion de batterie unidirectionnel, les deux MOSFET sont connectés en parallèle à l’extérieur du module de puissance.
Une faible résistance à l’état passant et une faible résistance thermique sont nécessaires pour maintenir les puces au frais. Les matériaux utilisés à l’intérieur du module sont des éléments essentiels qui déterminent la résistance thermique de la jonction au boîtier, ainsi que sa fiabilité. En particulier, les propriétés des matériaux de fixation des puces, du substrat et de la base sont les principaux contributeurs à la résistance thermique d’un module. Le choix de matériaux présentant une conductivité thermique élevée aide à minimiser la résistance thermique et la température des jonctions. En plus de la performance thermique, choisir des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique (CTE) étroitement assortis augmente la durée de vie du module en réduisant les contraintes thermiques à l’interface et à l’intérieur des matériaux. Le tableau 1 résume ces caractéristiques thermiques. Les substrats en nitrure d’aluminium (AlN) et les plaques de base en cuivre (Cu) sont standards dans les modules de puissance mSiC. Des options avec des substrats en nitrure de silicium (Si3N4) et des plaques de base en carbure d’aluminium silicium (AlSiC) offrent une fiabilité supérieure. À la Figure 2, on trouve des modules de puissance à source commune dans les packages standard SP3F et SP6C, ainsi que des packages sans plaque de base BL1 et BL3 de haute fiabilité, qualifiés pour DO-160.
Tableau 1. Propriétés thermiques des matrices, substrats et plaques de base.
Matériau
CTE
(ppm/K)
Conductivité
thermique
(W/cm-K)
Densité
(g/cm3)
Matrice
Si
SiC
4
2.6
136
270
Substrat
Al2O3
AlN
Si3N4
7
5
3
25
170
60
Plaque de base
CuW
AlSiC
Cu
6.5
7
17
190
170
390
17
2.9
8.9
Robustesse de l’appareil et inductance système
Avec la performance thermique d’un module et sa fiabilité à long terme, un autre aspect à considérer dans un dispositif d’interruption de circuit est la haute énergie inductive. Les relais et contacteurs ont un nombre limité de cycles. Ils sont généralement spécifiés avec des cycles de commutation mécanique non chargés et un nombre de cycles de commutation électriquement chargés beaucoup plus faible. L’inductance dans le système entraîne des arcs électriques entre les contacts, provoquant une dégradation lorsque le courant est interrompu. Par conséquent, les conditions de fonctionnement de la capacité de cycle électrique sont spécifiquement définies et ont une forte influence sur sa durée de vie. Même dans ce cas, des fusibles en amont sont nécessaires dans les systèmes avec contacteurs ou relais, car les contacts peuvent se souder lorsqu’ils sont soumis à de forts courants de court-circuit. Les interrupteurs de déconnexion de batterie à l’état solide ne subissent pas cette dégradation, ce qui permet d’assurer un système plus fiable. Malgré cela, il est également essentiel de comprendre l’inductance et la capacité parasitaires d’un système pour gérer l’énergie inductive présente lors de l’interruption de courants élevés.
Figure 2. Modules mSiC de Microchip en configuration à source commune. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
L’énergie inductive est proportionnelle à l’inductance et au carré du courant dans le système au moment de l’interruption. Un court-circuit aux bornes de sortie de l’interrupteur entraîne une augmentation rapide du courant, augmentant à un rythme égal au rapport de la tension de la batterie à l’inductance de la source. Par exemple, une tension de bus de 800 V avec une inductance de source de 5 microhenries se traduit par un courant qui augmente à un rythme de 160 A par microseconde. Un temps de réponse de 5 microsecondes pour détecter et réagir entraînera un courant supplémentaire de 800 A dans le circuit. Comme il n’est pas recommandé de faire fonctionner un module de puissance SiC en mode avalanche, un circuit snubber ou clamp est nécessaire pour protéger le module en absorbant cette énergie inductive. Cependant, les parasitaires introduits dans le circuit snubber, lorsqu’il est correctement conçu pour répondre aux exigences de distance de séparation et de dégagement, limitent encore son efficacité. Par conséquent, l’interrupteur doit s’éteindre lentement pour limiter la surtension due à l’inductance interne du module et à la diminution soudaine de son courant. Un module conçu avec une faible inductance aide à minimiser davantage ce stress de tension.
Dans les dispositifs de puissance en silicium, une interruption rapide d’un courant élevé engendre le risque de déclencher le NPN parasitaire ou le thyristor, provoquant un verrouillage indésirable et une défaillance ultime. Sur les dispositifs SiC, une coupure très rapide peut entraîner une rupture d’avalanche à faible énergie dans chaque puce lorsqu’elles se coupent jusqu’à ce que le snubber ou clamp absorbe l’énergie élevée. Les MOSFET mSiC de Microchip sont conçus et testés pour leur robustesse lors de la commutation inductive non clamped (UIS), offrant une marge de sécurité supplémentaire à mesure qu’un snubber ou clamp commence à se dégrader. La Figure 3 montre les performances UIS à coup unique et répétitif par rapport à d’autres dispositifs SiC sur le marché.
Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Figure 3. Performance énergétique d’avalanche à coup unique (en haut) et répétitif (en bas). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Bien que la capacité de court-circuit au niveau des dispositifs doit être comprise, et que les IGBT aient en effet des performances de court-circuit au niveau des dispositifs supérieures à celles des MOSFET, dans un système réel, il est soumis à différentes conditions de stress. Avec le comportement intrinsèque de limitation de courant de l’inductance du système, un module est peu susceptible d’atteindre sa valeur nominale de courant de court-circuit. Le facteur limitant est la conception du circuit snubber ou clamp. Pour concevoir un snubber compact et rentable, le courant de court-circuit de pointe acceptable au niveau du système sera limité à une valeur bien en dessous de la valeur nominale de courant de court-circuit d’un module. Par exemple, dans un interrupteur de déconnexion de batterie de 500 A constitué de neuf puces parallèles conçues pour empêcher les courants de court-circuit d’excéder 1350 A, chaque puce conduit un courant de 150 A, en supposant une distribution de courant uniforme. C’est un courant beaucoup plus faible que dans un test de court-circuit au niveau du dispositif où le courant dépasse plusieurs centaines d’Amps pendant la durée du test. L’optimisation du dispositif de limitation de tension est une partie clé du design d’un interrupteur de déconnexion de batterie à l’état solide robuste.
Autres considérations de conception
Au-delà du dispositif de puissance, il existe des considérations de conception liées à l’électronique de contrôle, y compris la technologie de détection de courant, la détection et la protection contre les surcurrents, et la sécurité fonctionnelle. Les décisions sur l’utilisation d’une résistance shunt ou de la technologie magnétique pour la détection de courant sont importantes pour un design dans un système à faible inductance parasitaire, où un temps de réponse rapide est essentiel. Le choix d’utiliser du matériel, des logiciels, ou une combinaison des deux pour la détection des surcourants est également une décision importante, surtout lors de la conception pour répondre aux exigences de sécurité fonctionnelle. Les avantages du carbure de silicium et du conditionnement des semi-conducteurs sont des éléments clés qui permettent de réaliser les bénéfices au niveau système qu’un interrupteur de déconnexion à l’état solide offre par rapport à l’interrupteur mécanique traditionnel. Grâce à la technologie du carbure de silicium, des dispositifs sont désormais disponibles avec une faible résistance à l’état passant et résistance thermique, permettant de minimiser les pertes de conduction nécessaires dans de nombreux systèmes tout en utilisant des matériaux garantissant une haute fiabilité.
Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [].