Les MOSFET SiC dans les applications de puissance en 2018

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23566
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Les MOSFET SiC dans les applications de puissance en 2018

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Les MOSFET SiC dans les applications de puissance en 2018 La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 63 Les MOSFET SiC dans les applications de puissance en 2018 STEPHANE DE LA FOURNIERE, Directeur Général, www.cirtem.com 1. Introduction Le salon PCIM Europe à Nuremberg est le grand rendez-vous du monde de l’électronique de puissance. Il permet de cerner les grandes tendances du moment. Lors de l’édition 2018, le visiteur ne pouvait qu’être qu’interpelé par l’effort de communication des fournisseurs de semi-conducteurs autour des composants SiC (carbure de silicium). CIRTEM, en particulier grâce au soutien de la DGA, dispose d’une certaine expérience dans ce domaine. Cet article donne la vision de CIRTEM en tant que fabricant de convertisseurs du sujet. Il traite uniquement de l’utilisation des MOSFET SiC dans des applications de moyenne puissance, à partir de 5 kW, domaine de prédilection de CIRTEM. Il ne prétend pas être exhaustif et complet mais donner un point de vue du coté utilisateur pour éclairer le débat. 2. Rappel des gains de cette technologie Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à grand gap. Ses principaux atouts sont : • Bien adapté à la réalisation de composants dotés d’une tenue en tension élevée. • Des pertes par conduction réduites d’environ 40%1 par rapport à un IGBT silicium de calibre équivalent parcouru par le même courant. • Des pertes par commutation réduites d’environ 40%1 par rapport à un IGBT silicium de calibre équivalent commutant à la même fréquence. • Potentiellement bien adapté à un fonctionnement à haute température (selon la technologie et le packaging). • Une conductivité thermique bien meilleure que le silicium qui permet, malgré des puces de plus petites tailles, d’avoir des résistances thermiques plus faibles que celles des composants Si. Il présente aussi des inconvénients : • Le matériau de base est beaucoup plus couteux à produire que le silicium. 1 Ces chiffres sont des ordres de grandeur. Suivant les compromis de dimensionnement et l’application, ils peuvent varier notablement. • Il demeure quelques interrogations quant à sa robustesse et sa durée de vie car les retours sur sa maturité sont encore faibles. • Sa vitesse de commutation étant très élevée il engendre de forts dV/dt qui peuvent avoir un impact important sur la CEM en mode commun et en rayonné. 3. L’offre de composants Rappel : cet article ne traite que des MOSFET de fort calibre. 3.1. Le carbure de silicium Il existe 2 principaux producteurs de matériaux de base : CREE (USA) et ROHM (Japon). 3.2. Les puces Les principaux fabricants sont WOLFSPEED (USA - filiale de CREE), ROHM (Japon) et INFINEON (Allemagne), qui dispose d’un accord avec CREE pour la fourniture du matériau de base. Tous ces fabricants proposent des puces MOSFET 1200V avec des Rdson à 25°C compris entre 22 et 45 mΩ, pour leur plus grosse puce. Certains fabricants proposent aussi des puces 650 V ou 900 V mais leur intérêt est plus faible quand on les compare aux solutions à base de silicium (IGBT 650 V par exemple). On trouve aussi des puces 1700 V mais de grosses interrogations subsistent quant à leur qualification en particulier au test HVH3TRB (High Voltage High Humidity High Temperature Reverse Bias : test de tenue en tension (80% de la tension nominale = 1360 V), bloqué, à 85°C et 85% d’humidité relative). Toutes ces puces sont disponibles en boîtier TO-247 à 3 ou 4 pins et souvent dans des boîtiers CMS. 3.3. Les modules Différents fabricants proposent aussi des modules où plusieurs puces MOSFET sont mises en parallèle pour diminuer la Rdson. Suivant les modèles, ces puces Mots clés : SiC, carbure de silicium, variateur, onduleur, convertisseur, CIRTEM Les MOSFET SiC dans les applications de puissance en 2018 La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 64 MOSFET sont associées ou pas à des diodes Schottky SiC. En effet, un MOSFET ayant par construction une diode intrinsèque antiparallèle elle peut être utilisée comme diode de roue libre dans un bras d’onduleur pendant la phase de commutation. Le MOSFET qui lui est associé devra ensuite être commandé dès le temps mort terminé car les caractéristiques de la diode intrinsèque sont mauvaises. Dans un premier temps, les fabricants ont proposé des modules dans des boîtiers identiques à ceux utilisés avec des composants silicium (IGBT). De plus en plus ils proposent des boîtiers spécifiques avec des inductances parasites réduites qui sont mieux adaptés à la grande vitesse de commutation des composants SIC. Coté fabricants de modules, outres les fondeurs de puces déjà cités, on trouve principalement en Europe SEMIKRON, VINCOTECH, MICRO-SEMI et MITSUBISHI. 4. Les bénéfices dans les applications Les MOSFET SiC ayant des pertes par conduction et par commutation moindres que des IGBT on peut tirer parti de cet avantage : • Soit pour améliorer le rendement du convertisseur, ce qui est particulièrement intéressant pour les convertisseurs ayant un fort taux d’utilisation comme les alimentations télécoms ou certains UPS. • Soit pour réduire les pertes du convertisseur ce qui permet de simplifier son refroidissement qui peut être problématique dans certaines applications. • Soit de monter la fréquence de fonctionnement du convertisseur, ce qui permet de réduire la taille et la masse des filtres. Evidemment on peut aussi faire des compromis entre ces différents bénéfices en fonction de l’application. Quelques ordres de grandeur pour évaluer les gains envisageables : • Sur un convertisseur DC/DC non-isolé de 40 kW nous avons réduit les pertes d’un rapport 2 entre une version à IGBT Si et une version à MOSFET SiC. Le rendement passe ainsi de 97% à 98,5%. Le prix lui augmente de 3000 € par lot de quelques pièces. Si on valorise le kW.h à 0,15 €/kW.h il faudra donc 4 ans de fonctionnement à plein temps pour atteindre une rentabilité économique. Heureusement que dans certaines applications embarquées le kW.h vaut beaucoup plus … • Sur un convertisseur DC/DC isolé de 100 kW, en commutation douce (ZVS), où on chercherait à réduire le volume au maximum on peut espérer passer la fréquence de commutation de 200 kHz à 1 MHz. 5. Quelques exemples de réalisation 5.1. CIRTEM CIRTEM a réalisé plusieurs démonstrateurs technologiques à base de MOSFET SiC, dont certains pour le compte de la DGA. On peut citer : • Un variateur de vitesse triphasé embarqué sur un hélicoptère. L’utilisation de MOSFET SiC a permis de réduire le dissipateur de ce variateur donc sa masse et son volume. • Un variateur de vitesse de 300 kW multi- niveaux qui dispose d’un excellent rendement (99,7%). • Un convertisseur DC/DC non isolé permettant de connecter une pile à combustible sur un bus DC à bord d’un avion. Là encore la grande compacité et une masse aussi faible que possible étaient recherchées. CIRTEM finit actuellement le développement d’un premier produit de série où le choix de composants SiC a été fait pour offrir un très bon rendement et une grande compacité. 5.2. Ailleurs dans le monde Voici quelques réalisations produites en série : • Des UPS industriels haut de gamme où l’utilisation de MOSFET SiC permet d’améliorer le rendement, y compris à des faibles taux de charge, et donc de réduire la consommation d’électricité. Le fabricant met aussi en avant la réduction du coût du refroidissement (climatisation des Datacenters) et la réduction de l’empreinte au sol. • Des alimentations télécoms et des onduleurs solaires pour les mêmes raisons que précédemment. • Des variateurs de vitesse utilisés dans la compétition automobile où on recherche une réduction des pertes pour des raisons de compacité et d’optimisation de l’énergie disponible. • Des convertisseurs auxiliaires ferroviaires où la légèreté est recherchée pour maximiser la charge utile du train. • Des chargeurs rapides de batterie pour véhicules électriques pour des raisons essentiellement marketing. La place n’est pas très critique dans cette application stationnaire et le faible taux d’utilisation de ces équipements ne justifie pas actuellement le gain de rendement. 6. Conclusion L’intérêt de l’utilisation de MOSFET SiC pour des applications de puissance avec des tensions supérieures à 500 V (composants de classe 1200 V) n’est plus à démontrer. En-dessous de cette tension il est plus discutable et dépendra de l’évolution des prix et des technologies concurrentes telle que le GaN. Des Les MOSFET SiC dans les applications de puissance en 2018 La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 65 progrès technologiques restent à accomplir pour fiabiliser les composants plus haute tension (1700 V, 3300 V, …). Reste la délicate question du prix. Tous les fabricants projettent des baisses de prix mais elles tardent à venir. Quand on regarde ce qui nous était annoncé il y a quelques années, on constate avec désolation qu’on est en retard ! Et ce n’est pas les récentes tensions sur le marché des semi-conducteurs de puissance qui vont aider à cette baisse. Mais, la demande et le marché sont là, donc les prix vont baisser, suivant en cela les tendances habituelles du marché des semi-conducteurs. Toutefois, du fait du surcoût de production du SiC ces composants resteront plus chers que leurs homologues à Si. Un point important influencera aussi le marché. Celui du prix de l’énergie. Comme on l’a vu l’utilisation de composants SiC permet de faire des économies d’énergie donc d’absorber une partie des surcoûts. Cela suppose toutefois que l’utilisateur final soit capable et prêt à payer un peu plus de CAPEX pour réduire ces OPEX et ce n’est malheureusement pas toujours le cas… 7. Remerciements Je remercie Jacques Petit de SEMIKRON, Thierry Meynard du LAPLACE, mes collègues Didier Ferrer et Fabien Quesada pour leur aide précieuse dans la rédaction de cet article