Dans cet article, onsemi examine les tensions plus élevées et ce qu’elles signifient pour les dispositifs SiC.
Avec sa mobilité électronique plus élevée, ses pertes réduites et sa capacité à fonctionner à des températures plus élevées, le cas des dispositifs en carbure de silicium (SiC) dans des applications électriques difficiles est largement accepté. Bien que les avantages par rapport au silicium soient significatifs dans des applications clés, des avancées supplémentaires sont nécessaires, en particulier pour réduire la taille et le coût tout en améliorant l’efficacité.
Dans les secteurs de l’automobile et des énergies renouvelables, une tendance vers des tensions croissantes se dessine pour atteindre ces objectifs. Cependant, pour y parvenir, des dispositifs SiC capables de fonctionner à ces tensions doivent être facilement disponibles.
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La loi d’Ohm
Le passage à des tensions plus élevées dans le but d’augmenter l’efficacité repose sur la loi la plus fondamentale de la physique, la loi d’Ohm. Cette loi nous dit que les pertes augmentent avec le carré du courant, donc réduire le courant bénéficiera à l’efficacité. La loi d’Ohm nous indique également que, pour la même puissance, si nous voulons réduire le courant de moitié, nous devons doubler la tension.
En réduisant le courant de moitié, les pertes statiques dues à la conduction dans les semi-conducteurs et le câblage sont réduites d’un facteur quatre. C’est pourquoi les réseaux électriques fonctionnent à des niveaux de tension extrêmement élevés.
Bien qu’il puisse sembler évident que les applications industrielles et automobiles passent à des tensions extrêmement élevées, cela n’est pas pratique en raison de la disponibilité des composants supportant de telles tensions.
Commutation des dispositifs de puissance
Dans un convertisseur de puissance à découpage, un dispositif de puissance a trois rôles : bloquer, conduire et commuter entre les deux rôles précédents. À mesure que la tension augmente, le défi se situe au niveau de l’aspect de blocage, car de hautes tensions apparaîtront à travers le dispositif. Sans la construction appropriée et les matériaux adéquats, un échec catastrophique pourrait se produire.
Figure 1. Lors de la commutation, les MOSFET doivent bloquer de grandes tensions entre leur drain et leur source. Image utilisée avec la permission de onsemi
Ainsi, pour accéder aux avantages d’efficacité d’un fonctionnement à haute tension, des dispositifs SiC avec des tensions de blocage plus élevées entre leurs broches de drain et de source (VDS) seront nécessaires. Actuellement, de nombreux dispositifs ont une capacité de 650 V, et les dispositifs classés à 1200 V deviennent de plus en plus courants. Cependant, des dispositifs à tension plus élevée seront nécessaires pour faire face à ces tensions élevées, avec une marge de conception appropriée pour assurer la fiabilité.
Applications passant à un fonctionnement à haute tension
Une plus grande efficacité bénéficiera aux applications fonctionnant à des niveaux de puissance plus élevés. La production d’énergie éolienne et solaire passe à des tensions plus élevées. Avec les systèmes photovoltaïques (PV) solaires, la tension du bus CC des panneaux PV a augmenté de 600 V à 1500 V pour améliorer l’efficacité.
Une plus grande efficacité signifie simplement que plus d’énergie solaire ou éolienne naturelle est disponible pour être utilisée immédiatement ou stockée pour une utilisation ultérieure. Bien que les deux formes d’énergie peuvent sembler avoir une capacité infinie, elles sont toutes deux soumises aux caprices de la météo, ce qui peut limiter la production.
De plus, si le système est plus efficace, il sera plus petit et plus léger, ce qui constitue un avantage significatif pour les installations montées sur toit.
Figure 2. L’énergie renouvelable et les groupes motopropulseurs automobiles sont deux applications qui passent à des tensions plus élevées pour améliorer l’efficacité. Image utilisée avec la permission de onsemi
Une des raisons souvent citées pour la croissance plus lente que prévu des véhicules électriques (VE) est le temps nécessaire pour charger et la portée de la batterie limitée. Les constructeurs automobiles remplacent les chaînes de batteries de 400 V par des versions de 800 V pour y remédier. La vitesse de charge est déterminée par la puissance de sortie du chargeur, qui est limitée par la tension du système et le courant de sortie. Bien qu’augmenter le courant réduise les temps de charge, cela augmente également la chaleur générée et la perte d’énergie dans le système, réduisant ainsi l’efficacité du chargeur et augmentant les exigences de refroidissement. Alternativement, la puissance de sortie du chargeur de VE est considérablement augmentée en augmentant la tension tout en maintenant un niveau de courant similaire. Cela réduit le temps de charge du véhicule sans augmenter substantiellement les considérations thermiques ou diminuer l’efficacité du système.
Le courant réduit et l’efficacité accrue permettront de diminuer la taille, le coût et le poids du chargeur embarqué (OBC), car des câbles plus fins peuvent être utilisés et moins de dissipation thermique sera nécessaire. Comme l’OBC reste sur le véhicule, toute réduction de poids entraînera une augmentation de l’autonomie du véhicule.
En regardant vers l’avenir, alors que la propulsion électrique se développe dans les véhicules commerciaux, les batteries seront considérablement plus grandes et plus de puissance devra être transférée efficacement pour se charger dans un délai raisonnable. À titre de référence, le Système de charge MégaWatt (MCS) est conçu pour une vitesse de charge de 3,75 MW – 3 000 A @ 1 250 VCC.
Tensions de claquage SiC
Un des défis dans le développement des dispositifs de puissance en semi-conducteur dans des structures verticales avec des tensions de claquage plus élevées est qu’une augmentation de RDS(ON) entraîne une augmentation des pertes de conduction correspondante. La couche de dérive est généralement plus épaisse dans les dispositifs avec des tensions de résistance plus élevées, ce qui conduit à une augmentation des pertes de conduction.
Ainsi, bien qu’augmenter la tension de fonctionnement présente des avantages en matière d’efficacité, l’augmentation correspondante des pertes de conduction au sein du MOSFET annulera certains ou la totalité de ces avantages.
Cependant, les dispositifs de puissance basés sur le SiC peuvent offrir des tensions de claquage plus élevées avec une couche de dérive sensiblement plus fine que le dispositif équivalent en silicium, ce qui permet de réduire la chute de tension directe et les pertes de conduction.
Un MOSFET SiC moderne à haute résistance
Avec le besoin de dispositifs MOSFET ayant des tensions de claquage supérieures à la tension de fonctionnement, onsemi a développé une gamme de nouveaux MOSFET SiC spécifiquement pour ces applications.
Le NTBG028N170M1 d’onsemi est un MOSFET EliteSiC N-channel plan pour des applications de commutation rapide à haute tension avec un VDSS de 1700 V et un VGS étendu de -15/+25 V. Le dispositif prend en charge des courants de drain (ID) allant jusqu’à 71 A en continu et 195 A en mode pulsé.
Figure 3. NTBG028N170M1. Image utilisée avec la permission de onsemi
Le dispositif robuste atténue les pertes de conduction avec une excellente valeur de RDS(ON) de seulement 28 mΩ (typ.), tandis qu’une charge de grille ultra-faible (QG(tot)) de seulement 222 nC assure de faibles pertes lors de l’exploitation à haute fréquence. Le dispositif est logé dans un boîtier D2PAK–7L montable en surface, ce qui réduit les effets parasites lors de l’utilisation.
Pour accompagner les MOSFET, onsemi propose une gamme de diodes Schottky SiC classées à 1700 V qui améliorent la marge de tension entre VRRM et la tension inverse répétitive maximale de la diode. Dans des applications difficiles, les diodes 1700 V fourniront une tension VFM plus basse, une tension de claquage maximale et un excellent courant de fuite inverse même à des températures élevées, permettant aux ingénieurs de conception d’atteindre un fonctionnement à haute tension stable à des températures élevées.
L’efficacité est l’objectif ultime
Dans tous les domaines de l’électronique de puissance, l’efficacité est un objectif primordial. Non seulement elle réduit les coûts d’exploitation, mais elle permet aussi des conceptions plus petites, plus légères et moins coûteuses. Avec des semi-conducteurs hautement efficaces déjà courants, les concepteurs cherchent d’autres domaines du système pour apporter plus d’efficacité.
Augmenter la tension du système réduit le courant et diminue considérablement les pertes. Cependant, cela s’est avéré difficile jusqu’à présent, car une augmentation de la tension de claquage des MOSFET a également augmenté leurs pertes de conduction.
Les derniers dispositifs MOSFET d’onsemi sont basés sur le SiC, où la tension de claquage peut être augmentée sans effet prononcé sur les pertes de conduction. En conséquence, des dispositifs tels que le NTBG028N170M1 offrent une capacité VDSS de 1 700 V tout en maintenant de faibles pertes de performance.