Le rapport d'étude de marché de Yole Development montre que depuis la naissance des dispositifs semi-conducteurs de puissance en silicium, les exigences des applications ont entraîné une hausse de la température de jonction, qui a maintenant atteint 150 °C.

Avec l'émergence des dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite de troisième génération (tels que le SiC) et leur maturité croissante et leur commercialisation complète, leur résistance unique aux hautes températures accélère l'augmentation de la température de jonction de 150 °C actuellement à 175 °C, et atteindra 200 °C à l'avenir.

Grâce aux caractéristiques uniques du SiC en haute température et à ses faibles pertes de commutation, la tendance à l'augmentation de la température de jonction va profondément modifier la conception des systèmes d'alimentation. Parmi les applications d'avenir typiques, à haute température et haute densité de puissance, figurent les groupes motopropulseurs de véhicules électriques fortement intégrés, les aéronefs multi-électriques et tout électriques, voire les aéronefs électriques, les stations de recharge mobiles pour le stockage d'énergie et les batteries externes, ainsi que diverses applications où le refroidissement liquide est fortement limité.

La chaîne de traction des véhicules électriques (moteur, commande électronique et boîte de vitesses) tend vers une conception « trois-en-un », mais elle reste actuellement composée d'éléments empilés et faiblement intégrés. À l'avenir, une intégration plus poussée de la chaîne de traction est inévitable, car elle permettrait de réduire d'environ un tiers le volume, le poids et la consommation interne, et de diviser le coût total par deux à quatre.

Cependant, la partie commande électronique sera étroitement intégrée au moteur, et cette intégration poussée augmentera considérablement la densité de puissance. La température élevée constitue le principal défi, et il est impossible de l'éviter.

Applications typiques à haute température

Dans les avions traditionnels, les mouvements mécaniques tels que la gouverne de direction, les ailes et le train d'atterrissage sont assurés par une transmission hydraulique classique. L'huile hydraulique, étant un liquide, est très sensible aux variations environnementales et son entretien est coûteux. On observe actuellement une tendance à l'électrification partielle ou totale, donnant naissance aux concepts d'avions multi-électriques et tout électriques.

L'utilisation de moteurs électriques à la place de circuits hydrauliques pour la commande mécanique d'un aéronef offre une fiabilité élevée, une maintenance aisée et facilite la conception de systèmes de secours redondants. Cependant, la principale difficulté réside dans l'impossibilité d'équiper les moteurs et les commandes électroniques d'un refroidissement par eau ; seuls le refroidissement par air forcé et le refroidissement naturel sont autorisés. Par conséquent, pour la conception de commandes électroniques d'aéronefs multi-électriques, entièrement électriques, voire d'aéronefs électriques, la gestion des hautes températures constitue le principal défi technique à relever en priorité.

De plus, dans de nombreux scénarios d'application, les stations de recharge semi-mobiles pour le stockage d'énergie et les batteries externes entièrement mobiles combleront efficacement le manque de bornes de recharge fixes, et cela deviendra encore plus évident avec la popularisation à grande échelle des véhicules électriques.

Cependant, pour ce type d'application de recharge mobile, le système de refroidissement par eau engendrerait non seulement un surpoids et un encombrement accrus, mais surtout une consommation d'énergie électrique stockée. Par conséquent, le refroidissement naturel s'avère la solution optimale pour la commande électronique, à condition de maîtriser parfaitement la gestion thermique de ce système.

Outre les trois applications haute température typiques mentionnées ci-dessus, de nombreuses applications industrielles spécifiques, où le refroidissement liquide est fortement limité, confrontent les systèmes de commande électroniques aux mêmes défis liés aux hautes températures. La technologie de commande électrique haute température est essentielle à la réalisation de ces applications. Elle repose principalement sur le conditionnement haute température des composants de puissance en carbure de silicium (SiC) et sur la technologie des circuits de commande haute température associés.

SiC « Génie »

Les matériaux SiC et leurs structures de dispositifs présentent une résistance intrinsèque aux hautes températures et peuvent même supporter des températures de 400 à 600 °C sous vide. En pratique, pour éviter l'oxydation due au contact avec l'air, les dispositifs SiC doivent être encapsulés ; s'ils doivent résister aux hautes températures, ils doivent utiliser des boîtiers résistants à ces températures.

La température de jonction de 150 °C est actuellement la norme la plus élevée du secteur. Le niveau de 175 °C commence à peine à être exploité. Des boîtiers quasi-standardisés peuvent être utilisés. Les boîtiers supportant des températures de 200 °C et plus imposent des exigences très strictes en matière de matériaux et de procédés d'encapsulation, et doivent être adaptés aux caractéristiques de la puce nue afin de garantir la conductivité thermique et les performances de dissipation de chaleur requises.

L'utilisation des dispositifs et modules de puissance en carbure de silicium (SiC) est indissociable des circuits de commande et de leurs puces associées. Or, la plupart des puces de circuits de commande sont des composants en silicium classiques et ne supportent pas les hautes températures. Il est rare qu'elles puissent fonctionner à des températures élevées, comme 175 °C pendant 1 000 heures.

Par ailleurs, la résistance aux hautes températures ne représente qu'un aspect du problème. Plus préoccupant encore est la constance des performances du dispositif à haute température. Les performances des dispositifs en silicium classiques se dégradent très rapidement au-delà de 70 °C, ce qui les rend inutilisables à haute température.

Après plus de 20 ans de recherche et développement innovants et d'essais d'application, les dispositifs en silicium spécial SOI de Cissiod présentent une résistance exceptionnelle aux hautes températures. Ils peuvent fonctionner en continu pendant 15 ans à 175 °C et offrent une excellente constance de performance sur toute la plage de températures. Ils constituent les piliers des applications haute température du SiC.

Surmonter le dilemme de la « température »

La technologie de semi-conducteurs en silicium spéciale sur SOI de Cissoid résout de manière définitive le problème de la température dans les dispositifs semi-conducteurs en silicium et élimine l'influence de l'effet de température des porteurs (augmentation de la concentration intrinsèque de porteurs avec la température) et de l'effet de température de jonction (diminution de la barrière de jonction effective avec la température). Elle résiste non seulement aux hautes températures et offre une longue durée de vie, mais garantit également des performances constantes sur toute la plage de températures.

De ce fait, les dispositifs semi-conducteurs haute température de Cissiod sont depuis longtemps plébiscités par les secteurs de l'aérospatiale et de l'exploration pétrolière, et bénéficient de près de 20 ans d'expérience et d'expertise dans les applications à haute température.

Ces dernières années, face à la popularité croissante des transistors de puissance SiC de troisième génération, Cissiod a développé des circuits intégrés et des solutions de commande haute température pour les MOSFET SiC. Cette résistance unique aux hautes températures permet un placement au plus près du module de puissance SiC afin de minimiser l'inductance parasite du circuit de commande, et ainsi de supprimer plus efficacement les oscillations et d'obtenir un rendement optimal.

Récemment, pour les applications de propulsion électrique dans les véhicules électriques et les aéronefs tout électriques/multiélectriques, Cissiod a également lancé un système de module de puissance intelligent (IPM) triphasé à pont complet 1200 V à MOSFET SiC, une plateforme évolutive. Ce système utilise une technologie à faibles pertes de commutation pour fournir une solution intégrée, appelée IPM.

L'IPM est composé d'un circuit de commande de grille et d'un module de puissance triphasé en carbure de silicium. Leur fonctionnement a été optimisé et coordonné afin d'exploiter pleinement les avantages des dispositifs SiC.

Le module CXT-PLA3SA12450AA actuellement produit supporte une température de jonction maximale de 175 °C, et son circuit de commande de grille peut fonctionner jusqu'à 125 °C. De plus, en fonction des exigences et des scénarios d'application, la température de fonctionnement peut être encore améliorée en remplaçant les composants passifs de niveau supérieur et en optimisant le conditionnement des puces et des modules.

Depuis l'apparition des dispositifs semi-conducteurs en silicium, les applications à haute température ont été la clé de leur succès.

La technologie innovante de puces en silicium SOI spéciales de Cissiod a joué un rôle de premier plan dans la réalisation de percées majeures dans les dispositifs discrets semi-conducteurs haute température et les circuits intégrés à petite échelle.

À mesure que les semi-conducteurs de troisième génération, tels que les dispositifs semi-conducteurs de puissance SiC, gagnent en maturité et en popularité, leur résistance intrinsèque aux hautes températures et les dispositifs semi-conducteurs haute température Cissio forment une très bonne adéquation, ce qui modifiera considérablement le modèle de conception des systèmes d'alimentation et offrira aux ingénieurs concepteurs de nouvelles possibilités d'expansion.

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