La troisième génération de semi-conducteurs à large bande interdite, représentée par le carbure de silicium, peut fonctionner normalement dans des environnements à température, tension et fréquence plus élevées, tout en consommant moins d'énergie et en offrant une durabilité et une fiabilité accrues. Elle ouvrira la voie à des avancées majeures pour la prochaine génération de produits d'électronique de puissance plus petits, plus rapides, moins coûteux et plus efficaces.

Le développement et l'industrialisation de la technologie des dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium ouvriront la voie à de nouvelles applications dans les réseaux électriques à haute tension et auront un impact profond sur la transformation de ces réseaux. Les excellentes caractéristiques de rendement élevé, de haute tension, de haute température et de haute fréquence des dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium leur confèrent un potentiel d'application considérable dans les domaines de l'électroménager, des économies d'énergie pour les moteurs, des véhicules électriques, des réseaux intelligents, de l'aérospatiale, de l'exploration pétrolière, de l'automatisation, des radars et des communications.

Introduction to silicon carbide power electronic devices

1. Définition du carbure de silicium (SiC)

Les dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium (SiC) sont des dispositifs à large bande interdite fabriqués à partir de SiC, un matériau semi-conducteur de troisième génération. Ils se caractérisent par une résistance élevée aux hautes températures, une fréquence élevée et un rendement élevé. Selon leur mode de fonctionnement, les dispositifs électroniques de puissance en SiC comprennent principalement les diodes de puissance et les transistors de puissance. Les diodes de puissance incluent les diodes Schottky à barrière de jonction (JBS), les diodes PiN et les diodes à superjonction ; les transistors de puissance incluent principalement les transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET), les transistors à effet de champ à jonction (JFET), les transistors bipolaires (BJT), les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), les thyristors à blocage de grille (GTO) et les thyristors à blocage d'émetteur (ETO), etc.

2. Avantages techniques

Les excellentes propriétés des semi-conducteurs en carbure de silicium confèrent aux dispositifs électroniques de puissance à base de carbure de silicium les avantages exceptionnels suivants par rapport aux dispositifs en silicium :

(1) Faible résistance à l'état passant. Sous une faible tension de claquage (environ 50 V), la résistance à l'état passant spécifique des dispositifs en carbure de silicium n'est que de 1.12 µΩ, soit environ 100 fois celle des dispositifs similaires en silicium. Sous une tension de claquage élevée (environ 5 kV), cette résistance atteint 25.9 mΩ, soit environ 300 fois celle des dispositifs similaires en silicium. Cette faible résistance à l'état passant permet aux dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium de présenter des pertes par conduction réduites, et ainsi d'obtenir un rendement global plus élevé.

(2) Possède une tension de claquage plus élevée. Par exemple : les diodes Schottky en silicium commerciales ont généralement une tension nominale inférieure à 300 V, mais la tension nominale de la première diode Schottky en carbure de silicium commerciale a atteint 600 V ; la tension nominale du premier MOSFET en carbure de silicium commercial est de 1 200 V, alors que la plupart des MOSFET en silicium couramment utilisés sont inférieurs à 1 kV.

(3) La résistance thermique inférieure de la jonction-boîtier fait que la température du dispositif augmente plus lentement.

(4) Température de fonctionnement limite plus élevée. La stabilité de fonctionnement extrême du carbure de silicium devrait atteindre plus de 600 °C, alors que la température de jonction maximale des dispositifs en silicium n'est que de 150 °C.

(5) Une résistance accrue aux radiations, qui peut réduire le poids des équipements de protection contre les radiations lorsqu'ils sont utilisés dans l'aviation et d'autres domaines.

(6) Plus grande stabilité, les caractéristiques directes et inverses des dispositifs en carbure de silicium changent très peu avec la température.

(7) Pertes par tricherie réduites. Les dispositifs en carbure de silicium ont de faibles pertes de commutation et peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées (>20 kHz) difficiles à atteindre avec des dispositifs en silicium à des niveaux de puissance de plusieurs dizaines de kilowatts.

3. Principales catégories

(1) Diode Schottky en carbure de silicium

En tant que composant unipolaire, la diode Schottky (SBD) ne présente ni injection ni stockage de porteurs supplémentaires pendant la conduction, ce qui explique l'absence quasi totale de courant de récupération inverse. Son extinction est très rapide et ses pertes par commutation sont minimes. Cependant, la faible barrière Schottky du silicium induit un courant de fuite inverse relativement élevé et une faible tension de blocage. Son utilisation est donc limitée aux applications basse tension, de l'ordre de 100 à 200 volts. Les diodes PiN, quant à elles, sont généralement utilisées à des tensions plus élevées, mais leur courant de récupération inverse et leurs pertes par commutation sont importants. Grâce à la rigidité diélectrique critique élevée du carbure de silicium, il est relativement aisé de fabriquer des diodes Schottky en carbure de silicium présentant une tension de claquage inverse supérieure à 1000 V.

Based on these unique advantages of SiC, semiconductor device manufacturers such as Cree produce high-voltage SiC Schottky diode products with a single device current level of 1-20A and voltage levels of 300V, 600V and 1200V. Table 1 shows the current major international silicon carbide SBD manufacturers and the level of their commercial devices. Cree has just launched its latest 1700V voltage level silicon carbide SBD. In high-voltage switching applications, SiC Schottky diodes provide near-ideal performance. It has almost no forward recovery voltage, so it can turn on immediately. Unlike the junction capacitance, its stored charge is also very small, and it can turn off quickly.

(2) Transistor de puissance en carbure de silicium

American SemiSouth Company has conducted in-depth research on silicon carbide JFET and is currently the main supplier of commercial silicon carbide JFET devices in the world. The maximum voltage rating of its SiC JFET products reaches 1700V and the maximum current rating is 30A.

Grâce à leurs caractéristiques supérieures et à leurs nombreuses applications réussies, les MOSFET en carbure de silicium (SiC) sont devenus les composants les plus utilisés dans la recherche sur les dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium. L'entreprise américaine Cree a été pionnière dans ce domaine et a commercialisé deux produits, les 10 A/1200 V et 20 A/1200 V, devenant ainsi le seul fabricant au monde à proposer des MOSFET discrets en carbure de silicium. La société japonaise Rohm Corporation s'emploie également activement à commercialiser ses MOSFET en carbure de silicium. Ces premiers DMOSFET à canal N en SiC étaient principalement destinés aux applications 1200 V. À ce niveau de tension, les MOSFET en SiC présentent des avantages supérieurs aux dispositifs en silicium actuels.

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État d'avancement du développement des dispositifs en carbure de silicium à l'étranger 1. États-Unis

Dès 1997, dans le cadre du « Plan national de défense et de science », les États-Unis ont clairement défini les objectifs de développement des semi-conducteurs à large bande interdite. En 2014, le président Obama a personnellement impulsé la création de l'alliance de troisième génération pour l'industrie des semi-conducteurs à large bande interdite, représentée par SiC, afin de soutenir pleinement cette technologie et de favoriser l'innovation technologique dans la fabrication de l'électronique de puissance de nouvelle génération. L'alliance a actuellement reçu un soutien total de 140 millions de dollars américains des gouvernements fédéral et locaux. Elle ambitionne de rendre la technologie des semi-conducteurs à large bande interdite compétitive avec la technologie actuelle de l'électronique de puissance à base de silicium en termes de coûts au cours des cinq prochaines années, afin de constituer la prochaine génération de puces et de dispositifs électroniques de puissance économes en énergie, efficaces et performants. Elle permettra de dynamiser de nombreux marchés industriels parmi les plus importants et à la croissance la plus rapide au monde, notamment l'électronique grand public, les équipements industriels, les communications et les énergies propres, renforçant ainsi la compétitivité internationale et créant des emplois bien rémunérés.

2. Japon

Since 1998, the Japanese government has continued to fund research on wide-bandgap semiconductor technology. In 2013, Japan included the SiC material system in the "Prime Minister's Strategy", believing that 50% of energy savings in the future will be achieved through SiC devices in order to create a new era of clean energy. In recent years, Japan's New Energy Industrial Technology Development Organization (NEDO) has launched a research plan related to SiC power electronic devices, focusing on the application of SiC power modules in railway locomotive circuit systems, diverse power exchange systems, power generation and electric integrated turbocharger waste heat recovery systems, cutting-edge medical equipment and accelerator miniaturization, in order to achieve the goals of energy conservation and efficiency improvement.

3. Union européenne

En 2014, l'Union européenne a lancé le programme de recherche triennal (2014-2017) SPEED (Systèmes d'alimentation à haute efficacité) sur les technologies de puissance en carbure de silicium (SiC), doté d'un budget total de 18.58 millions d'euros. Douze institutions de recherche et entreprises de sept pays ont participé à ce programme. L'objectif était de maîtriser collectivement la technologie des dispositifs électroniques de puissance en SiC en réunissant les principaux fabricants et chercheurs mondiaux, de lever les obstacles techniques qui freinent l'ensemble de la chaîne de valeur de cette technologie et de permettre son application à grande échelle dans le domaine des énergies renouvelables. En 2015, le ministère fédéral allemand de la Recherche a financé l'Institut de technologie de Karlsruhe et ses partenaires industriels (à hauteur de 800 000 euros) pour mener des recherches sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des alimentations haute fréquence à base de transistors SiC, afin d'optimiser le rendement énergétique des alimentations dans la production industrielle, de réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO₂.

État d'avancement du développement des dispositifs en carbure de silicium en Chine

1. Tyco Tianrun

Fondée en 2011, Tyco Tianrun propose une gamme de produits comprenant des composants technologiques de base, des pièces moulées en carbure de silicium et diverses solutions industrielles. Ses composants de base sont notamment des diodes Schottky en carbure de silicium.

In 2015, Tyco Tianrun announced the launch of a 3300V/50A high-power silicon carbide Schottky diode product. According to reports, the product has features such as low forward voltage drop, fast switching speed, and excellent thermal conductivity, and is suitable for high-end fields such as rail transit and smart grids.

D'après les rapports, la chute de tension directe typique d'une diode Schottky en carbure de silicium haute puissance 3300 V/50 A est de 2.22 V (IF = 50 A, Tj = 25 °C) et de 4.75 V (IF = 50 A, Tj = 175 °C). Le courant de fuite inverse typique est de 120 µA (VR = 3300 V, Tj = 25 °C) et de 200 µA (VR = 3300 V, Tj = 175 °C). Cette diode offre une fiabilité maximale dans les environnements électriques difficiles et fonctionne normalement dans une plage de températures allant de -55 °C à 175 °C. Les produits sont disponibles sous forme de puces nues non encapsulées, et le type de boîtier peut être personnalisé selon les besoins du client.

2. Shenzhen Basic Semiconductor

Shenzhen Basic Semiconductor, fondée en 2016, se consacre à la recherche et au développement ainsi qu'à l'industrialisation de dispositifs de puissance en carbure de silicium. Elle est l'un des membres fondateurs de l'Institut de recherche sur les semi-conducteurs de troisième génération de Shenzhen. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. se concentre depuis longtemps sur la recherche et le développement de dispositifs de puissance en SiC. Ses principaux produits comprennent des diodes SiC, des MOSFET SiC et des modules MOSFET SiC de qualité automobile, largement utilisés dans la production d'énergies nouvelles, les véhicules électriques, le transport ferroviaire et les réseaux intelligents.

Le MOSFET en carbure de silicium 1200 V, commercialisé par Basic Semiconductor en octobre 2018, est le premier produit industriel conçu indépendamment par une entreprise chinoise et ayant passé avec succès les tests de fiabilité. Ses performances atteignent un niveau de pointe international, avec une tenue en court-circuit de 6 µs.

3. Technologie Yangjie

Yangjie Technology est spécialisée dans le développement industriel de puces et de dispositifs semi-conducteurs de puissance, ainsi que dans le conditionnement et le test de circuits intégrés. Ses principaux produits comprennent diverses puces électroniques de puissance, des diodes de puissance, des ponts redresseurs, des modules haute puissance, des boîtiers DFN/QFN, des transistors SGTMOS, des diodes Schottky en carbure de silicium, des diodes JBS en carbure de silicium, etc. Ces produits sont largement utilisés dans l'électronique grand public, la sécurité, le contrôle industriel, l'électronique automobile, les énergies nouvelles et bien d'autres secteurs.

Le site web officiel de Yangjie Technology indique que quatre modules Schottky en carbure de silicium sont actuellement disponibles : les modèles MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ et MB40DU12FJ. La fiche technique du modèle MB200DU01FJ précise qu'il peut être utilisé dans les alimentations pour l'électroplacage, les alimentations haute fréquence, les alimentations à découpage haute intensité, la protection contre l'inversion de polarité des batteries, les machines à souder, etc.

3. Noyau brillant et humide

Fondée en mars 2016, Xinguangrunze est une entreprise de haute technologie spécialisée dans la R&D et la fabrication de modules et de dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC) de troisième génération. Le 18 septembre 2018, la première ligne de production chinoise de modules de puissance intelligents en carbure de silicium (SiCIPM) de Xinguangrunze a été mise en service. La construction du projet avait débuté en décembre 2016. Une fois la ligne de production stabilisée, la capacité de production mensuelle devrait atteindre 300 000 unités, soit 3.6 millions d'unités par an. L'entreprise propose actuellement des produits en carbure de silicium, notamment des diodes Schottky (SBD) et des transistors MOSFET. Par exemple, la diode Schottky XGSCS1230SWA, par exemple, supporte une tension de 1 200 V. Elle trouve des applications dans les alimentations à découpage, la correction du facteur de puissance, les onduleurs, les systèmes d'alimentation sans interruption (ASI) et les variateurs de vitesse pour moteurs.

4. Semiconducteur Ruineng

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. est une coentreprise de haute technologie créée par NXP Semiconductors et Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor se concentre sur le développement d'une gamme étendue et performante de semi-conducteurs de puissance bipolaires, incluant des redresseurs et triacs commandés au silicium, des diodes de puissance au silicium, des transistors haute tension et des diodes au carbure de silicium. Ses diodes au carbure de silicium sont principalement utilisées dans l'industrie, les serveurs, la climatisation et d'autres domaines. D'après le site web officiel, Ruineng Semiconductor propose 25 modèles de diodes au carbure de silicium, tous compatibles avec une tension de 650 V. Le modèle NXPSC16650B, par exemple, peut être utilisé pour la correction du facteur de puissance, les alimentations à découpage, les alimentations sans interruption (ASI), les onduleurs photovoltaïques, les téléviseurs LED/OLED, les variateurs de vitesse et d'autres applications.

5. Shanghai Zhanxin Electronics

Shanghai Zhanxin Electronics s'engage à développer des puces et des modules de puissance économiques à base de dispositifs de puissance en carbure de silicium, fournissant des solutions semi-conductrices complètes pour la miniaturisation, l'efficacité et la légèreté des alimentations et des systèmes d'entraînement électrique.

En octobre 2017, la fabrication de MOSFET en carbure de silicium (SiC) a été finalisée sur une ligne de production de masse mature de 6 pouces. Les tests effectués sur les plaquettes ont démontré que les différents paramètres électriques étaient conformes aux attentes, jetant ainsi les bases d'une optimisation ultérieure du procédé et de la conception du dispositif. Le 1er mai 2018, la première plaquette de MOSFET SiC de 6 pouces fabriquée en Chine a été officiellement produite.

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Applications typiques des dispositifs en carbure de silicium : 1. Infrastructure 5G – alimentation électrique pour les communications

L'alimentation de communication constitue la réserve d'énergie pour les communications entre serveurs et stations de base. Elle alimente divers équipements de transmission et garantit le bon fonctionnement du système de communication. Les caractéristiques haute fréquence des MOSFET en carbure de silicium permettent de réduire la taille et le poids de l'unité magnétique du circuit de puissance, et d'améliorer le rendement global de l'alimentation. Le courant de récupération inverse quasi nul des diodes Schottky en carbure de silicium leur confère de larges perspectives d'application dans de nombreux circuits de correction du facteur de puissance (PFC). Par exemple, dans un circuit PFC entrelacé sans pont pour alimentation de communication haute efficacité de 3 kW, l'utilisation de diodes Schottky en carbure de silicium 650 V/10 A permet aux clients d'atteindre un rendement à pleine charge supérieur ou égal à 95 %, conformément aux exigences techniques les plus strictes.

2. Borne de recharge pour véhicules à énergies nouvelles - module d'alimentation de la borne de recharge

Le développement rapide du secteur des véhicules à énergies nouvelles a entraîné une forte augmentation de la demande en bornes de recharge. Pour ces véhicules, l'accélération et la réduction des coûts de recharge constituent les deux principaux objectifs de développement. L'utilisation de composants en carbure de silicium dans les modules de puissance des bornes de recharge permet d'atteindre un rendement et une puissance élevés, contribuant ainsi à une vitesse de recharge accrue et à des coûts réduits.

3. Centre de données de grande taille, Internet industriel - alimentation des serveurs

L'alimentation du serveur constitue sa réserve d'énergie. Elle fournit l'énergie nécessaire au bon fonctionnement du système. L'utilisation de composants de puissance en carbure de silicium dans les alimentations de serveur permet d'améliorer la densité de puissance et l'efficacité de ces dernières, de réduire la taille globale du centre de données, de diminuer son coût de construction et d'obtenir une meilleure efficacité environnementale. Par exemple, dans un module d'alimentation de serveur de 3 kW, l'utilisation de MOSFET en carbure de silicium dans un correcteur de facteur de puissance (PFC) de type totem pole améliore considérablement l'efficacité de l'alimentation et répond à des exigences d'efficacité plus élevées.

4. Ultra-haute tension - application de disjoncteurs CC à transmission flexible

En tant que projet de système à grande échelle, le réseau UHT (très haute tension) engendrera une demande accrue en matières premières et en composants. Les dispositifs de puissance sont des éléments clés de la technologie de transmission flexible FACTS, notamment pour la transmission en courant continu UHT côté réseau et les transformateurs électroniques de puissance (TEP) côté sous-station. La fiabilité des disjoncteurs CC, composant essentiel de la transmission flexible en courant continu, influe considérablement sur la stabilité de l'ensemble du réseau. La conception de disjoncteurs CC à base de composants traditionnels en silicium nécessite le raccordement en série de plusieurs sous-unités. L'utilisation de composants en carbure de silicium haute tension dans les disjoncteurs CC permet de réduire significativement le nombre de sous-unités en série, ce qui représente un axe de recherche majeur pour l'industrie.

5. Lignes ferroviaires interurbaines à grande vitesse et transport ferroviaire interurbain - convertisseur de traction, transformateur électronique de puissance, convertisseur auxiliaire, alimentation auxiliaire

Les futurs transports ferroviaires exigeront davantage des dispositifs d'électronique de puissance, tels que les convertisseurs de traction et les convertisseurs de tension. L'utilisation de composants en carbure de silicium permet d'améliorer considérablement la densité de puissance et le rendement de ces dispositifs, contribuant ainsi à réduire significativement la charge du système porteur des trains. Les composants en carbure de silicium permettent d'atteindre un rendement encore plus élevé et une miniaturisation accrue des équipements, offrant ainsi d'importants avantages techniques pour le transport ferroviaire. Le Shinkansen N700S japonais a ouvert la voie à l'utilisation de composants en carbure de silicium dans ses convertisseurs de traction, réduisant considérablement le poids du véhicule, améliorant ainsi sa capacité de charge et diminuant ses coûts d'exploitation.

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En conclusion, bien que les dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium présentent encore des inconvénients tels qu'une faible puissance de sortie, un prix élevé, un nombre limité de modèles disponibles sur le marché et l'absence de solutions de boîtier haute température, l'approfondissement continu de la recherche sur cette technologie permettra de résoudre progressivement ces problèmes. L'arrivée sur le marché de dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium plus nombreux et plus performants élargira considérablement leurs domaines d'application. Dans un avenir proche, ces dispositifs deviendront des éléments clés pour réduire les pertes de puissance et améliorer l'efficacité et la densité de puissance dans diverses applications de conversion.

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