Décrire

L'électricité évolue vers des matériaux à large bande interdite (WBG) tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). Même si le silicium domine toujours le marché, les dispositifs SiC et GaN vont bientôt donner naissance à une nouvelle génération de solutions techniques plus performantes.Selon Yole Dé, un organisme d'études de marché dont le siège est en France ; Veloppement estime que d'ici 2025, les revenus des appareils SiC représenteront plus de 10 % du marché global de l'électronique de puissance, et ceux des appareils GaN dépasseront 2 %.Les fournisseurs bien connus de composants SiC incluent stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor et Mitsubishi Electric.Cree a présenté le premier portefeuille commercial de MOSFET de puissance SiC 900 V et de MOSFET SiC Wolfspeed 650 V ; Microchip et ROHM ont tous deux sorti des MOSFET et des diodes SiC ; Feiling a présenté huit dispositifs MOSFET CoolSiC 650 V. . .. . Il ressort de cela que tous les grands fabricants ont leurs propres stratégies de conception et de développement des matériaux SiC.Quel est l'avantage en termes de performances du carbure de silicium par rapport au silicium ?Le silicium est depuis longtemps le matériau semi-conducteur clé dans la plupart des applications électroniques, mais comparé au SiC, il est inefficace. De nos jours, le SiC a été adopté par de nombreuses applications, notamment les véhicules électriques, pour relever les défis énergétiques et financiers liés au développement de dispositifs à haut rendement et haute puissance.Le SiC est composé de silicium pur et de carbone. Par rapport au silicium, le SiC présente trois avantages : une intensité de champ critique de claquage par avalanche plus élevée, une conductivité thermique plus élevée et une bande interdite plus large.Le SiC possède une large bande interdite de 3 électrons-volts (eV) et peut résister à un gradient de tension 8 fois supérieur à celui du silicium sans claquage par avalanche. Plus la bande interdite est large, plus le courant de fuite à haute température est faible et plus le rendement est élevé. Plus la conductivité thermique est élevée, plus la densité de courant est élevée.

Figure 1 : Avantages en termes de performances du carbure de silicium par rapport au silicium

Le substrat SiC a une intensité de champ électrique plus élevée, de sorte qu'une structure de base plus fine peut être utilisée, et son épaisseur peut être seulement un dixième de celle d'une couche épitaxiale de silicium. De plus, la concentration de dopage du SiC est 2 fois supérieure à celle du silicium, ce qui réduit la résistance de surface du dispositif et la perte de conduction est également considérablement réduite.Le SiC a été reconnu comme une technologie capable de remplacer de manière fiable le silicium. De nombreux fabricants de modules de puissance et d'onduleurs de puissance ont prévu d'utiliser la technologie SiC dans leurs futures feuilles de route de produits.Cette technologie à large bande interdite réduit considérablement les pertes de commutation et de conduction sous des charges spécifiques, améliore la gestion de la dissipation thermique et offre une efficacité énergétique sans précédent. Dans les systèmes électroniques de puissance, la conception de la dissipation thermique est très importante, ce qui peut garantir une densité énergétique élevée et réduire la taille du circuit. Dans ces applications, le SiC est un matériau semi-conducteur idéal car sa conductivité thermique est trois fois supérieure à celle du semi-conducteur silicium.La technologie SiC convient aux projets à forte puissance, tels que les moteurs, les pilotes et les onduleurs. Les fabricants de pilotes électriques développent de nouveaux circuits de commande pour répondre à la demande du convertisseur en matière de fréquence de commutation plus élevée et adoptent une topologie plus complexe et ingénieuse pour réduire les interférences électromagnétiques (EMI).Les dispositifs SiC nécessitent moins de composants externes, une configuration système plus fiable et un coût de fabrication inférieur. Avec une efficacité plus élevée, une taille globale plus petite et un poids plus léger, les exigences de refroidissement d'une conception intelligente sont réduites d'autant.Application du carbure de silicium

Voiture électrique/voiture hybride

Plusieurs constructeurs automobiles ont pris l’initiative d’introduire sur le marché des véhicules hybrides et électriques en utilisant de nouveaux concepts de puissance. Ces véhicules contiennent de nouveaux appareils et systèmes, tels que des convertisseurs de fréquence (jusqu'à 300 kW) pour alimenter les moteurs, des chargeurs de batterie de véhicule de 3.6 kW à 22 kW, des chargeurs à induction de 3.6 kW à 22 kW (charge sans fil), des convertisseurs DC/DC jusqu'à 5 kW et des onduleurs. pour les charges auxiliaires telles que les climatiseurs et les systèmes de direction assistée.La batterie haute tension constitue l’un des principaux obstacles au développement des véhicules hybrides et électriques. Grâce au SiC, les constructeurs automobiles peuvent réduire la taille des batteries et le coût total des véhicules électriques.De plus, étant donné que le SiC présente de bonnes performances de dissipation thermique, les fabricants peuvent également réduire le coût du refroidissement des dispositifs du groupe motopropulseur. Cela contribue à réduire le poids et le coût des véhicules électriques.Les véhicules électriques/véhicules hybrides constituent également l’un des marchés clés stratégiques SiC d’Anson Semiconductor. Lors de la réunion d'échange de médias en ligne sur la « Stratégie et schéma d'Anson Semiconductor Silicon Carbide » qui s'est tenue récemment, Wang Limin, responsable du marketing produit du département des schémas d'alimentation électrique de l'entreprise, a déclaré :Les véhicules électriques sont l’un des principaux moteurs du carbure de silicium, représentant environ 60 % de la capacité totale du marché du carbure de silicium. Les dispositifs en carbure de silicium utilisés dans l'entraînement principal, l'OBC et le DC-DC peuvent améliorer considérablement l'efficacité, ce qui permet d'augmenter l'endurance des véhicules électriques. Sur la base de ces avantages, à l'heure actuelle, presque tous les fabricants d'onduleurs à entraînement principal prennent le carbure de silicium comme direction d'entraînement principale.

Figure 2 : Le véhicule électrique est l’un des principaux moteurs du carbure de silicium.

Le chargeur de véhicule contient divers dispositifs de conversion de puissance, tels que des diodes et des MOSFET. Son objectif est de réduire le volume des circuits électroniques de puissance en utilisant des composants passifs de petite taille, afin de les intégrer tous ensemble.Cet objectif peut être atteint si les dispositifs semi-conducteurs utilisés peuvent être contrôlés dans le même circuit avec une fréquence de commutation élevée. Cependant, en raison des mauvaises performances de dissipation thermique du silicium, la solution à haute fréquence de commutation n’est pas adaptée. Le MOSFET SiC offre une solution idéale pour de telles applications.À l'heure actuelle, la plupart des fabricants d'OBC et de DC-DC utilisent des dispositifs en carbure de silicium comme dispositifs d'alimentation à haut rendement, haute tension et haute fréquence.Wang Limin, par exemple,La Californie a signé un décret pour atteindre l'objectif de 5 millions de véhicules électriques en circulation d'ici 2030 ;L'Europe dispose également d'un calendrier pour que tous les véhicules électriques remplacent les véhicules à carburant ;Dans les grandes villes chinoises de premier rang, les véhicules électriques peuvent être immatriculés gratuitement.Toutes ces politiques ont favorisé la croissance substantielle des véhicules électriques, et la demande de véhicules électriques pour des dispositifs à haute tension, haute fréquence et à haut rendement a également favorisé la croissance substantielle du marché du carbure de silicium.Alimentation 5G et alimentation à découpageLe domaine de l’alimentation électrique 5G et des alimentations à découpage (SMPS) constitue le deuxième marché stratégique du carbure de silicium pour Anson Semiconductor.Le domaine traditionnel de l'alimentation à découpage est celui de l'alimentation Boost et haute tension, qui a toujours eu des exigences élevées en matière de densité de puissance. Depuis la première norme d'excellence et d'argent en matière d'alimentation de communication jusqu'à l'alimentation électrique de communication 5G actuelle et l'alimentation électrique du centre de données cloud, celles-ci ont toutes des exigences élevées en matière d'efficacité énergétique élevée.« Les dispositifs en carbure de silicium n'ont pas de récupération inverse, ce qui rend l'alimentation électrique économe en énergie, qui peut atteindre 98 %. Et l’alimentation électrique 5G constitue actuellement le marché le plus traditionnel et le plus important des dispositifs en carbure de silicium. " Wang Limin a dit.

Figure 3 : Le carbure de silicium peut être utilisé dans l’alimentation électrique 5G et l’alimentation à découpage.

Pile de recharge pour véhicules électriquesLa pile de recharge pour véhicules électriques est également l’un de nos marchés stratégiques pour le carbure de silicium. Il existe de nombreux systèmes de recharge de piles, et désormais les consommateurs sont plus intéressés par la recharge rapide en courant continu.La pile de charge avec charge CC rapide nécessite une puissance de charge très importante et une efficacité de charge très élevée, qui doivent toutes être réalisées par haute tension.Dans l'application de la pile de charge de véhicule électrique, que le carbure de silicium soit en Boost ou en diode de sortie, il existe de nombreux schémas de pile de charge de MOSFET en carbure de silicium utilisant l'interrupteur principal, et leurs perspectives d'application sont très larges.

Figure 4 : La pile de recharge pour véhicules électriques est également un domaine d'application du carbure de silicium.

Onduleur solaire

Dans le domaine des onduleurs solaires, l’utilisation de diodes en carbure de silicium est également très importante. L'installation d'onduleurs solaires ne cesse d'augmenter chaque année et on estime que 15 % de l'énergie (actuellement 1 %) proviendra de l'énergie solaire dans les 10 à 15 prochaines années. L'énergie solaire est gratuite et inépuisable. Des politiques nationales ont été introduites et les particuliers peuvent vendre de l'énergie solaire au réseau public."Un semi-conducteur en carbure de silicium peut être appliqué au Boost de l'onduleur solaire. Avec l'optimisation du coût des onduleurs solaires, de nombreux fabricants utiliseront le MOSFET en carbure de silicium comme dispositif onduleur principal pour remplacer le circuit complexe de contrôle à trois niveaux (onduleur) d'origine. Wang Limin a déclaré : « En termes de conduite politique, l'UE a un objectif 20-20-20, c'est-à-dire que d'ici 2020, l'efficacité énergétique sera augmentée de 20 %, les émissions de dioxyde de carbone seront réduites de 20 % et les énergies renouvelables. atteindra 20%. La NEA s'est également fixé un objectif en matière d'énergie propre pour répondre à 20 % de la demande énergétique de la Chine d'ici 2030. »

Figure 5 : Application du carbure de silicium dans un onduleur solaire

Étiquette

La fiabilité à long terme est devenue le symbole du MOSFET SiC. La prochaine tâche des fabricants de semi-conducteurs est de développer des modules de puissance multi-puces ou des modules hybrides, intégrant des transistors en silicium traditionnels et des diodes SiC sur le même dispositif physique. Avec une tension de claquage plus élevée, ces modules peuvent fonctionner à des températures plus élevées. Ils peuvent également offrir un rendement élevé tout en réduisant davantage la taille de l’équipement.Du point de vue des prix actuels du marché, les MOSFET SiC présentent un avantage systémique par rapport aux IGBT silicium. De plus, avec l'adoption généralisée de la fabrication de plaquettes de 150 mm, le prix des MOSFET SiC devrait continuer à baisser.Certains fabricants ont commencé à produire des tranches de 200 mm (8 pouces). Avec l'augmentation de la taille des plaquettes, le coût par puce diminuera, mais le rendement peut également diminuer. Les fabricants doivent donc constamment améliorer leurs processus.Cependant, en raison du coût de fabrication élevé des dispositifs SiC et du manque de production en série, il est difficile de les utiliser à grande échelle. La production de masse de dispositifs SiC nécessite une architecture et un processus de fabrication robustes et bien conçus. Par exemple, lors des tests de plaquettes, les dispositifs testés doivent être de plus petite taille et fonctionner dans une plage de courant et de tension plus élevée.Une fois ces problèmes résolus, les concepteurs OEM adopteront davantage de dispositifs SiC, exploiteront pleinement leurs bonnes caractéristiques électriques, réduiront considérablement le coût du système et amélioreront l'efficacité globale.

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