Matériau semi-conducteur de troisième génération, le SiC présente des performances supérieures aux matériaux à base de Si à tous égards. Comparés aux dispositifs de puissance traditionnels à base de silicium, les nouveaux dispositifs de puissance en SiC offrent une vitesse de commutation rapide, une tension de blocage élevée et une excellente tenue à haute température, répondant ainsi aux exigences de développement des technologies d'électronique de puissance futures.
Après trois années de recherche et développement approfondies et d'efforts soutenus, Shanghai Zhanxin Electronics est devenue la première entreprise chinoise à maîtriser les procédés de fabrication des transistors MOSFET et SBD SiC de 6 pouces, ainsi que des circuits intégrés de commande de MOSFET SiC. Cet article présente la fiabilité et les applications des composants de puissance SiC de Zhanxin Electronics, afin d'assurer la sérénité des utilisateurs avant et pendant leur utilisation, et ainsi contribuer à l'amélioration des produits.  
  1. Shanghai Zhanxin Electronics dispose-t-elle de données sur les limites de contrainte de tension positive et négative du MOSFET SiC ?  
La tension de grille des MOSFET SiC de Zhanxin Electronics (+20 V/-5 V) est rigoureusement certifiée selon la norme JEDEC, garantissant une durée de vie minimale de 10 ans à température ambiante. Pour les applications dépassant cette tension de grille, deux points principaux sont à prendre en compte.  
Premièrement, la durée de vie de la grille est principalement déterminée par le modèle TDDB (dégradation diélectrique dépendante du temps) du SiO₂. De nombreuses données montrent que la qualité de la couche diélectrique de SiO₂ déposée sur SiC est équivalente à celle déposée sur Si. Par conséquent, du point de vue du TDDB, la tension maximale admissible de 20 V pour le diélectrique de grille et sa durée de vie à cette tension sont similaires à celles du Si. Le principe est le même pour les MOSFET et les IGBT ; Zhanxin Electronics utilise ses propres MOSFET SiC pour établir le procédé de fabrication du diélectrique de grille SiO₂ et le modèle de durée de vie du dispositif.  
Deuxièmement, la principale différence et le principal défi entre les MOSFET SiC et les produits Si MOS (MOSFET et IGBT) résident dans l'instabilité thermique sous polarisation positive (PBTI) et négative (NBTI). La tension de seuil (Vth) du composant augmente sous l'effet d'une polarisation positive et diminue sous l'effet d'une polarisation négative. Sous certification JEDEC, la durée de vie du composant est garantie par un fonctionnement dans les limites de tension de grille spécifiées. Pour les applications dépassant ces limites, Zhanxin Electronics développe des équipements et mène des recherches approfondies. De manière générale, tant que la tension de grille positive ne dépasse pas 25 V et que la tension de grille négative ne descend pas en dessous de -10 V, les impulsions relativement faibles du cycle de service n'entraînent pas de dommages irréversibles aux performances du composant. La relation quantitative précise et le modèle de durée de vie seront présentés à l'issue de la première phase de recherche.  
  2. Comment Shanghai Zhanxin Electronics résout-elle le problème de l'établissement d'une tension de commande négative dans les applications MOSFET SiC ? Cette approche est-elle fiable ?  
Zhanxin Electronics a développé le premier driver 35 V/4 A du secteur, l'IVCR1401D/IVCR1401DP, en boîtier 8 broches avec commande de tension négative intégrée. Au démarrage, la sortie NEG est mise à la masse (GND), ce qui permet à la source de courant interne de charger rapidement le condensateur de tension négative. Une fois la tension négative établie, la broche NEG est relâchée et le régulateur de tension négative interne ajuste la tension à -3.5 V pour un fonctionnement normal. Le signal de commande de grille NEG bascule ensuite entre (VCC - 3.5 V) et -3.5 V. La figure ci-dessous illustre le processus d'établissement de la tension négative du condensateur. La charge d'un condensateur de 1 µF prend environ 28 µs. L'utilisation de condensateurs X7R, dont la capacité est supérieure à 100 fois Cg, est recommandée afin de réduire l'ondulation sur le condensateur de tension négative et ainsi garantir une installation et un pilotage fiables et stables de la tension négative. Ce circuit a été validé avec succès dans le cadre de notre système de test de vieillissement. Il peut piloter un MOSFET SiC dans des conditions de fonctionnement de 1000 V/20 A/125 °C. Après 1000 heures de fonctionnement continu, il reste stable et fiable.  
    Figure 1      3. Comment Shanghai Zhanxin Electronics résout-elle le problème des pics de tension négatifs dans les applications MOSFET SiC ? Quel est le mécanisme de génération de ces pics ? Quelles sont les solutions pour y remédier ?  
Les MOSFET SiC présentent une vitesse de commutation plus rapide que les transistors de puissance Si traditionnels. Cependant, cette rapidité de commutation rend leurs performances plus sensibles aux paramètres parasites de la boucle, notamment au niveau du signal de commande. La figure ci-dessous illustre le pic de tension induit par l'effet Miller. Dans une configuration en demi-pont, le transistor inférieur reste bloqué. Lorsque le transistor supérieur est bloqué, une variation de tension (dv/dt) plus importante est générée. En raison de l'inductance parasite des boucles de puissance et de commande, un courant Miller plus important est induit. Ce courant provoque une chute de tension aux bornes de la résistance de commande RG, ce qui se traduit par un pic négatif sur la tension VGS. De même, lorsque le transistor supérieur est passant, une variation de tension (dv/dt) plus importante est également générée. L'inductance parasite présente dans la boucle induit également un courant Miller plus important. Ce courant provoque une chute de tension aux bornes de la résistance de commande RG, ce qui se traduit par un pic positif sur la tension VGS.     Figure 2  
  Afin de réduire le pic de pression négative du variateur, plusieurs suggestions sont possibles :  
1) Connectez un MOS dos à dos (modèle recommandé : QS5K2TR) en parallèle à la résistance de commande RG pour réduire la chute de tension causée par l'effet Miller sur RG, réduisant ainsi la tension de crête Miller, comme indiqué dans la figure ci-dessous Q1, Q2 ;
  Figure 3 2) Placez la puce de commande au plus près de la grille du MOSFET SiC afin de réduire au maximum l'inductance parasite dans la boucle de commande ; 3) Minimisez la surface de la boucle d'alimentation dans le schéma et minimisez l'inductance de source commune dans la boucle d'alimentation et la boucle de commande ; 4) Lorsque les conditions le permettent, utilisez un MOSFET SiC en boîtier TO247-4 et utilisez autant que possible une commande Kelvin afin de réduire l'inductance parasite causée par les broches du composant.  
  4. Comment Shanghai Zhanxin Electronics résout-il le problème d'oscillation de commutation dans les applications MOSFET SiC ?  
Le point crucial concernant le problème d'oscillation des MOSFET SiC est de résoudre en premier lieu celui de l'oscillation du circuit de commande et d'empêcher celle induite par le signal de commande. Pour ce faire, la puce de commande doit être placée au plus près de la grille du MOSFET SiC afin de minimiser l'inductance parasite et les oscillations. Les deux images ci-dessous illustrent ce problème. L'image du haut montre la forme d'onde de test lorsque la puce de commande est éloignée du MOSFET SiC, et celle du bas, lorsqu'elle est plus proche. La courbe bleu ciel représente la tension Vgs, et la courbe jaune, la tension Vds. Sur l'image de gauche, le pic de Miller atteint 19.2 V, tandis que sur celle de droite, il n'est que de 4.6 V. Cette nette amélioration s'explique principalement par la proximité de la puce de commande avec le MOSFET SiC.  
    Figure 4  
Nous allons maintenant aborder quelques points importants concernant l'agencement des MOSFET SiC. Un agencement optimisé contribue à réduire les oscillations. Premièrement, le circuit intégré de commande doit être placé au plus près du MOSFET SiC afin de minimiser la surface du circuit de commande. Deuxièmement, les oscillations haute fréquence sont dues aux oscillations entre le circuit imprimé et les inductances et capacités parasites (principalement Coss) du MOSFET. Comme illustré ci-dessous, la ligne pointillée rouge représente la zone de la boucle d'alimentation et la ligne pointillée verte, celle de la boucle de commande. Plus ces zones sont réduites, plus les oscillations lors de la commutation du MOSFET SiC sont faibles.  
    Figure 5   5. Quelles sont les similitudes et les différences entre un circuit de commande de MOSFET SiC et un circuit de commande d'IGBT Si ? Est-il possible de piloter un MOSFET SiC à l'aide d'une carte de commande enfichable pour IGBT ?  
Inutilisable. L'utilisation d'une carte de commande induit une inductance parasite relativement importante du circuit de commande, nécessitant une résistance de commande plus élevée pour l'amortissement. Ceci entraîne un ralentissement de la vitesse de commutation et une augmentation des pertes. Sans résistance de commande suffisante, la tension Vgs subirait une oscillation importante, induisant une oscillation de la tension Vds et, par conséquent, une augmentation des pertes de commutation. De plus, l'inductance parasite élevée accroît l'impédance du circuit de commande, réduisant ainsi sa résistance à l'effet Miller et, par conséquent, la vitesse de commutation et les pertes.  
  6. À quoi faut-il faire attention lors du branchement en parallèle de MOSFET SiC ?  
Pour garantir une symétrie optimale entre le circuit de commande de chaque MOSFET SiC et le circuit d'alimentation principal, la distance entre la sortie du circuit de commande et la grille de chaque MOSFET SiC doit être identique. L'utilisation d'une résistance de grille (Rg) distincte pour chaque MOSFET est nécessaire pour une meilleure homogénéité. Si des MOSFETs en parallèle partagent une résistance de commande, celui ayant la tension de seuil la plus faible sera activé en premier, et la tension de grille (Vgs) des autres sera bloquée à leur seuil. Seul le MOSFET à la tension de seuil la plus faible sera donc activé, les autres restant à l'arrêt. Le même principe s'applique à la coupure : le MOSFET ayant la tension de seuil la plus élevée sera bloqué en premier, et sa tension sera bloquée à son seuil jusqu'à la fin du processus de coupure. On constate ainsi que l'utilisation d'une seule résistance de commande pour tous les MOSFETs engendre des variations de courant dynamiques importantes lors des commutations. À cette fin, une résistance Rg distincte doit être configurée pour chaque MOSFET, afin de découpler leurs tensions Vg et d'améliorer le partage dynamique du courant. Les caractéristiques de partage statique du courant sont principalement obtenues par la cohérence des paramètres du MOSFET lui-même. Il est donc essentiel de sélectionner avec soin des MOSFET aux paramètres cohérents pour un branchement parallèle direct.
 
    Figure 6  
  8. Dans quelle mesure l'inductance parasite du MOSFET SiC TO247-4 est-elle meilleure que celle du TO247-3 ? Existe-t-il des paramètres spécifiques ?  
D'après les données publiées par CREE, les pertes par commutation du boîtier TO247-4 ne représentent que 30 % de celles du boîtier TO247-3 (600 V/40 A). Les avantages du boîtier TO247-4 sont donc manifestes.  
    Figure 7  
L'inductance de source commune interne du boîtier TO247-3 ralentit la vitesse d'amorçage et de blocage du MOSFET, augmentant ainsi les pertes de commutation. En revanche, le boîtier TO247-4 possède une source de commande séparée, court-circuitant ainsi l'inductance de source commune interne et évitant son impact sur le processus de commutation, ce qui permet de réduire les pertes de commutation. Examinons d'abord le processus d'amorçage. Dans une expérience typique à double impulsion, celui-ci est réalisé en activant et désactivant le tube supérieur. Nous nous concentrons principalement sur la boucle Vgs du tube supérieur. Lorsque le tube supérieur est activé, le courant Id de Q1 augmente, la tension induite par L_SL est alors positive à la montée et négative à la descente. Cette tension a la même polarité que la tension de commande externe (positive), ce qui entraîne une diminution de la tension Vgs sur la puce MOSFET interne et ralentit ainsi le processus d'amorçage du MOSFET.  
    Figure 8  
Examinons maintenant le processus de coupure du tube supérieur. Q1 se coupe, ce qui entraîne une diminution de Id. La tension induite par L_SL est négative en haut et positive en bas. Cette tension est de polarité opposée à la tension de commande externe (négative ou nulle), ce qui réduit la tension Vgs sur la puce MOSFET interne lors de la coupure. Si la tension sur L_SL est suffisamment élevée, elle peut même inverser la tension sur la puce MOSFET interne, provoquant un allumage intempestif ! L_SL ralentit donc le processus de coupure, augmentant ainsi les pertes à la coupure.  
    Figure 9  
Le schéma ci-dessous utilise un boîtier TO247-4. Grâce à la présence d'une source Kelvin séparée, la tension induite sur L_SL n'affecte pas le circuit de commande, ce qui augmente la vitesse de commutation et réduit les pertes de commutation.  
   

Figure 10

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