Introduction : Le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) possèdent d’excellentes propriétés physiques pour les semi-conducteurs de troisième génération, offrant ainsi un potentiel d’amélioration considérable des performances des dispositifs d’électronique de puissance. Composant semi-conducteur fondamental des systèmes d’alimentation, les dispositifs de puissance en SiC ont permis d’améliorer significativement l’efficacité énergétique dans de nombreuses applications civiles et militaires, telles que les véhicules électriques, le transport ferroviaire à grande vitesse, l’interconnexion des réseaux d’énergie solaire et éolienne, les systèmes d’alimentation sans interruption (ASI), l’éjection électromagnétique, etc. Ils sont devenus des matériaux de choix sur le marché des énergies nouvelles.    
           

Discutez avant le début

L'importance des semi-conducteurs de troisième génération réside dans l'augmentation de la puissance, l'amélioration du rendement et la réduction de la taille, des aspects incontournables. Le pays accorde une attention croissante au secteur des semi-conducteurs, et les marchés financiers commencent également à s'y intéresser. Dans le contexte actuel de guerre commerciale, l'importance de la production locale de semi-conducteurs est plus que jamais d'actualité. À l'instar des équipements indispensables à la fabrication de produits finis, les semi-conducteurs sont un élément essentiel à toute stratégie. Aujourd'hui, des entreprises chinoises dynamiques se sont développées dans le secteur des semi-conducteurs de troisième génération. Parmi elles, la société Pinejie produit des semi-conducteurs en carbure de silicium aux performances exceptionnelles.  
Abordons maintenant plus formellement les aspects qui expliquent les excellentes performances du SiC.  
           

Valeur de perte du dispositif électrique

L'indicateur important des performances d'un dispositif électrique n'est autre que sa perte totale, qui se compose de deux parties. L'une estperte de conduction(Perte par conduction) L'un estpertes de commutation(Pertes de commutation). Autrement dit, plus les pertes sont faibles, plus le rendement est élevé, ce qui permet de réduire la taille, d'améliorer le rendement et d'alléger le dispositif, le rendant ainsi plus adapté aux applications modernes. Par exemple, si Tesla a pu proposer la Model 3 à environ 250 000 $, c'est notamment grâce à l'utilisation d'une batterie en carbure de silicium (SiC), qui a permis d'améliorer les performances de la batterie, de réduire sa taille et son poids, et donc de diminuer d'autres coûts.

Afin d'aider les fournisseurs d'applications et les investisseurs à comprendre comment les dispositifs semi-conducteurs de puissance et leurs principaux paramètres sont comparés et évalués dans l'industrie, nous allons les comparer horizontalement et commenter brièvement ci-dessous les avantages et les inconvénients techniques des produits MOSFET SiC de chaque entreprise.  
           

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Dans les applications d'électronique de puissance de l'ancienne génération, en raison de la faible fréquence de commutation, les pertes par conduction jouent un rôle prépondérant. Un pionnier de cette industrie et membre de l'Académie nationale des sciencesProfesseur Jayant B. Baliga(ci-après dénommé Bashen) Dès 1989, un facteur de qualité permettant d'évaluer les pertes par conduction des dispositifs de puissance a été proposé.

(voir [i]), ε où est la constante diélectrique du matériau semi-conducteur, μ est la mobilité des électrons,E_CIl s'agit du champ électrique de claquage. Selon la formule de Bashen, si l'on considère le facteur BFM du silicium comme égal à 1, celui du SiC est de 231. Quel est l'intérêt ? Cela montre que, pour des dispositifs de puissance multisub (MOSFET, diodes Schottky, etc.) fonctionnant sous une même haute tension, la résistance à l'état passant du SiC est 230 fois plus faible ! Autrement dit, les pertes par conduction des dispositifs en SiC sont 230 fois inférieures à celles des dispositifs en silicium sous le même courant ! Le facteur BFM normalisé du GaN par rapport au silicium est de 2097, et celui du Ga₂O₃ est de 6170 ! En résumé, Ba Shen l'avait prédit dès les années 1980 :L'avenir des semi-conducteurs de puissance doit être dominé par les semi-conducteurs à large bande interdite.!
 

 

Image i
 
 

Jayant B. Baliga   
Avec le développement de l'électronique de puissance ces vingt dernières années, on a constaté qu'une fréquence de commutation plus élevée permet de réduire l'utilisation de composants passifs tels que les condensateurs et les inductances, ainsi que le volume et le poids du système. Cependant, à mesure que la fréquence du système augmente, les pertes par commutation des dispositifs de puissance deviennent de plus en plus importantes, et le coût et le volume du système de refroidissement requis augmentent également, ce qui empêche d'optimiser significativement le système en augmentant davantage la fréquence. Un autre professeur renommé,Alex Q. Huang, en 2004, a proposé un facteur de qualité qui évalue de manière exhaustive les pertes par conduction et les pertes de commutation du dispositif.

(voir [ii]), où R_{dès, sur}est la résistance à l'état passant du dispositif, proportionnelle à la perte par conduction, Q_gdIl s'agit de la charge stockée dans la capacité Miller grille-drain du dispositif, proportionnelle aux pertes de commutation. Par ailleurs, comme R_{dès, sur}Inversement proportionnel à la surface du dispositif, Q_gdProportionnellement à la surface du dispositif, leur produit compense précisément l'impact de cette surface (ou de son coût), indiquant le niveau de perte global du dispositif en fonctionnement haute fréquence. Autrement dit, plus le facteur de qualité HDFM est faible, meilleure est la qualité globale du dispositif.Plus les pertes sont faibles, plus l'efficacité est élevée !
 
 

Alex Q. Huang  
En utilisant cette méthode, comparons les performances des produits des principaux fournisseurs de MOSFET SiC sur le marché :
     

PERSONNEL	Infineon	Loi italienne	Corey	Rome	Geai des pins	Une marque nationale
Origine	Europe	Europe	États-Unis	Japon	Chine	Chine
Plateforme technologique	première génération de tranchée	avion de deuxième génération	avion de troisième génération	tranchée de troisième génération	avion de troisième génération	Non ? Plan de génération
Rds, sur (m?)	90	60	75	80	80	80
Qgd (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
HDFM normalisé	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*Les données ci-dessus proviennent d'une fiche technique téléchargeable publiquement sur Internet.

Commençons par tirer des conclusions de ce tableau comparatif.Dans le domaine de la technologie MOS planaire, les produits de Pinejie Semiconductor, une marque nationale, sont déjà leaders mondiaux et très proches de la technologie MOS à tranchée avec des procédés complexes !Dans des conditions idéales, pour un même scénario d'application, si l'on utilise comme référence le dernier dispositif CoolSiC d'Infineon, et que la consommation électrique globale du dispositif est d'au moins 10 W, la consommation électrique du MOSFET SiC de Penjie est de 12.9 W, celle des produits Kerui est de 18.3 W, celle de STMicroelectronics et Rohm est proche de 21 W, et celle d'une marque nationale est de 31 W.

Conclusion

Portées par l'électrification des transports, les nouvelles infrastructures et d'autres projets, les cellules photovoltaïques en carbure de silicium (SiC) deviendront un élément central de la stratégie des grandes centrales électriques. Tesla collabore étroitement avec STMicroelectronics, et Volkswagen s'appuie sur Corey… Les centrales capables d'exploiter les technologies et les capacités de production les plus récentes en matière de cellules photovoltaïques SiC bénéficieront d'avantages stratégiques incomparables.

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