Rendre les infrastructures énergétiques plus efficaces et plus fiables tout en réduisant les coûts

Les concepteurs d'infrastructures énergétiques, qu'il s'agisse de bornes de charge de véhicules électriques, d'onduleurs solaires, ou de systèmes de stockage d'énergie ou d'alimentation secourue, sont constamment confrontés au défi de réduire l'empreinte carbone, d'améliorer la fiabilité et de réduire les coûts.

Pour atteindre ces objectifs, ils doivent soigneusement étudier comment optimiser leurs solutions de conversion de puissance pour réduire les pertes par conduction et les pertes de commutation, maintenir de bonnes performances thermiques, réduire le facteur de forme global et diminuer les interférences électromagnétiques (EMI). Ils doivent également s'assurer que la solution choisie est capable de répondre au processus d'homologation des pièces de production (PPAP) et qu'elle est qualifiée AEC-Q101.

Pour relever ces défis, les concepteurs peuvent se tourner vers une variété de MOSFET de puissance en carbure de silicium (SiC), de diodes Schottky SiC, de circuits intégrés d'attaque de grille et de modules de puissance.

Cet article donne un bref aperçu de la manière dont la technologie SiC peut améliorer le rendement et la fiabilité et réduire les coûts par rapport aux approches silicium (Si) classiques. Il examine ensuite les options de conditionnement et d'intégration système pour le SiC avant de présenter plusieurs exemples pratiques d'onsemi et de montrer comment les concepteurs peuvent les appliquer au mieux pour optimiser les performances des circuits d'attaque de grille et des MOSFET de puissance SiC afin de relever le défi des infrastructures énergétiques.

SiC versus Si

Le SiC est un matériau à large bande interdite (WBG), avec une bande interdite de 3,26 électronvolts (eV), contre 1,12 eV pour le Si. Il offre également une capacité de champ de claquage 10 fois supérieure, une conductivité thermique plus de 3 fois supérieure, et il peut fonctionner à des températures beaucoup plus élevées que le Si. Ces spécifications font du SiC un matériau bien adapté aux applications d'infrastructures énergétiques (Tableau 1).

Tableau 1 : Grâce aux propriétés du matériau 4H-SiC par rapport au Si, le SiC se prête bien à une utilisation dans les applications d'infrastructures énergétiques. (Source de l'image : onsemi)

Le champ de claquage plus élevé permet aux dispositifs SiC plus minces d'avoir la même tension nominale que les dispositifs Si plus épais, et les dispositifs SiC plus minces ont une résistance à l'état passant proportionnellement plus faible et une tenue en courant plus élevée. Le paramètre de mobilité du SiC est du même ordre de grandeur que celui du Si, ce qui rend les deux matériaux utilisables dans la conversion de puissance haute fréquence, permettant la prise en charge de facteurs de forme compacts. Leur conductivité thermique plus élevée signifie que les dispositifs SiC connaissent une augmentation de température plus faible à des niveaux de courant plus élevés. La température de fonctionnement des dispositifs SiC est limitée par des facteurs liés au conditionnement, tels que la connexion des fils, et non par les caractéristiques du matériau SiC. Par conséquent, la sélection du style de conditionnement optimal est une considération importante pour les concepteurs qui utilisent le SiC.

Les caractéristiques du SiC en font un matériau de choix pour de nombreuses conceptions de conversion de puissance à fort courant, haute tension, haute vitesse et haute densité. Dans de nombreux cas, la question n'est pas de savoir s'il faut utiliser le SiC, mais plutôt de savoir quelle technologie de conditionnement SiC offre le meilleur compromis entre performances et coûts.

Les concepteurs ont le choix entre trois conditionnements de base lorsqu'ils utilisent la technologie de puissance SiC : les dispositifs discrets, les modules de puissance intelligents (IPM) ou les modules de puissance intégrés (PIM), chacun d'entre eux offrant un ensemble unique de compromis en termes de coûts et de performances (Tableau 2). Par exemple :

• Les dispositifs discrets sont généralement préférés lorsque le coût est une considération primordiale, comme pour les applications grand public. Ils prennent également en charge une double source et affichent une longue durée de vie.
• Les solutions IPM réduisent les temps de conception, présentent la plus haute fiabilité et sont les solutions les plus compactes pour les niveaux de puissance modérés.
• Les PIM peuvent prendre en charge des conceptions plus puissantes avec de bonnes densités de puissance, des délais de commercialisation raisonnablement rapides, une grande variété d'options de conception et davantage de possibilités de double source, par rapport aux IPM.

Tableau 2 : Comparaison des compromis et des fonctionnalités d'intégration lors du choix entre les solutions de conditionnement SiC discret, IPM et PIM. (Source de l'image : onsemi)

IPM Si/SiC hybrides

S'il est possible de développer des solutions en utilisant uniquement des dispositifs SiC, il est parfois plus rentable d'utiliser des conceptions Si/SiC hybrides. Par exemple, l'IPM hybride NFL25065L4BT d'onsemi combine des IGBT Si de quatrième génération avec une diode boost SiC en sortie pour former un étage d'entrée de correction du facteur de puissance (PFC) entrelacé pour les applications grand public, industrielles et médicales (Figure 1). Cet IPM compact inclut une commande de grille optimisée pour les IGBT afin de minimiser les EMI et les pertes. Les fonctionnalités de protection intégrées comprennent le verrouillage en cas de sous-tension, le blocage en cas de surintensité, la surveillance thermique et le signalement de défaillances. Les autres fonctionnalités du NFL25065L4BT incluent :

• PFC entrelacé à deux phases 600 volts (V)/50 ampères (A)
• Optimisé pour une fréquence de commutation de 20 kilohertz (kHz)
• Faible résistance thermique avec un substrat DBC (Direct Bonded Copper) oxyde d'aluminium
• Thermistance à coefficient de température négatif (CTN) intégrée pour la surveillance de la température
• Isolement de 2500 V efficaces (RMS)/1 minute
• Certification UL

Figure 1 : L'IPM NFL25065L4BT forme un étage PFC entrelacé utilisant des IGBT Si de quatrième génération avec une diode boost SiC en sortie. (Source de l'image : onsemi)

PIM SiC

Pour les onduleurs solaires, les bornes de charge de véhicules électriques et les applications similaires pouvant bénéficier de l'utilisation d'un PIM basé SiC pour maximiser la distribution de puissance avec une empreinte réduite et un volume global inférieur, les concepteurs peuvent se tourner vers le NXH006P120MNF2PTG. Ce dispositif est constitué d'un demi-pont MOSFET SiC de 6 milliohms (mΩ), 1200 V, et d'une thermistance CTN intégrée dans un boîtier F2 (Figure 2). Les options de conditionnement incluent :

• Avec ou sans matériau d'interface thermique (TIM) pré-appliqué
• Broches à souder ou broches à insertion en force

Figure 2 : Le module de puissance intégré NXH006P120MNF2PTG est fourni en boîtier F2 avec des broches à insertion en force. (Source de l'image : onsemi)

Ces IPM ont une température de jonction de fonctionnement maximum de 175 degrés Celsius (°C) et requièrent des circuits d'attaque de grille et de contrôle externes. La technologie optionnelle d'insertion en force, également appelée soudage à froid, fournit une connexion fiable entre les broches et les trous traversants plaqués sur le circuit imprimé. Le système d'insertion en force permet un assemblage simplifié sans soudure et produit une connexion métal-à-métal étanche aux gaz, à faible résistance.

Diodes Schottky SiC

Les diodes Schottky SiC peuvent être utilisées en combinaison avec des IPM ou dans des conceptions 100 % discrètes, et elles offrent de meilleures performances de commutation et une fiabilité supérieure par rapport aux diodes Si. Les diodes Schottky SiC, comme le dispositif NDSH25170A de 1700 V/25 A, ne présentent pas de courant de recouvrement inverse et affichent d'excellentes performances thermiques et des caractéristiques de commutation indépendantes de la température. Cela se traduit par un rendement plus élevé, des fréquences de commutation plus rapides, des densités de puissance plus importantes, des EMI plus faibles et une mise en parallèle facile, autant d'éléments qui contribuent à réduire la taille et le coût des solutions (Figure 3). Les fonctionnalités du NDSH25170A incluent :

• Température de jonction maximum de 175°C
• Caractéristique d'avalanche de 506 millijoules (mJ)
• Courant de surcharge non répétitif jusqu'à 220 A et courant de surcharge répétitif jusqu'à 66 A
• Coefficient de température positif
• Aucun recouvrement inverse et aucun recouvrement direct
• Qualification AEC-Q101 et capacité PPAP

Figure 3 : La diode Schottky SiC de 1700 V/25 A NDSH25170A ne présente pas de courant de recouvrement inverse et affiche d'excellentes performances thermiques et des caractéristiques de commutation indépendantes de la température. (Source de l'image : onsemi)

MOSFET SiC discrets

Les concepteurs peuvent combiner des diodes Schottky SiC discrètes avec des MOSFET SiC 1200 V d'onsemi, qui présentent également des performances de commutation supérieures, une résistance à l'état passant plus faible et une plus haute fiabilité par rapport aux dispositifs Si. La taille compacte des MOSFET SiC se traduit par une faible capacité et une faible charge de grille. Combinées à la faible résistance à l'état passant, la capacité et la charge de grille réduites contribuent à accroître le rendement système, à permettre des fréquences de commutation plus rapides, à augmenter les densités de puissance, à réduire les interférences électromagnétiques (EMI) et à permettre des facteurs de forme plus compacts pour la solution. Par exemple, le NTBG040N120SC1 est répertorié pour 1200 V et 60 A, et il est fourni en boîtier D2PAK-7L à montage en surface (Figure 4). Les fonctionnalités incluent :

• Charge de grille typique de 106 nanocoulombs (nC)
• Capacité de sortie typique de 139 picofarads (pF)
• Test d'avalanche à 100 %
• Température de jonction de fonctionnement de 175°C
• Qualification AEC-Q101

Figure 4 : le MOSFET SiC NTBG040N120SC1 est répertorié pour 1200 V/60 A, a une résistance à l'état passant de 40 mΩ et est fourni en boîtier D2PAK-7L à montage en surface. (Source de l'image : onsemi)

Circuit d'attaque de grille MOSFET SiC

Les circuits d'attaque de grille pour les MOSFET SiC, comme la ligne NCx51705 d'onsemi, fournissent une tension de commande plus élevée que les circuits d'attaque pour les MOSFET Si. Il faut une tension de grille de 18 V à 20 V pour activer complètement un MOSFET SiC, alors qu'il faut moins de 10 V pour activer un MOSFET Si. En outre, les MOSFET SiC requièrent une attaque de grille de -3 V à -5 V lors de la mise hors tension du dispositif. Les concepteurs peuvent utiliser le circuit d'attaque simple 6 A, haute vitesse, bas potentiel NCP51705MNTXG, optimisé pour les MOSFET SiC (Figure 5). Le NCP51705MNTXG fournit la tension de commande nominale maximum pour permettre de faibles pertes par conduction, et il fournit des courants de crête élevés durant la mise sous tension et la mise hors tension pour minimiser les pertes de commutation.

Figure 5 : Schéma simplifié montrant deux circuits d'attaque NCP51705MNTXG (au centre à droite) commandant deux MOSFET SiC (à droite) dans une topologie en demi-pont. (Source de l'image : onsemi)

Les concepteurs peuvent utiliser la pompe à charge intégrée pour générer un rail de tension négative sélectionnable par l'utilisateur afin d'offrir une fiabilité accrue, une immunité dv/dt améliorée et une mise hors tension plus rapide. Dans les conceptions isolées, un rail de 5 V accessible en externe peut alimenter le côté secondaire des photocoupleurs numériques ou haute vitesse. Les fonctions de protection du NCP51705MNTXG incluent le blocage thermique basé sur la température de jonction du circuit d'attaque, et la surveillance de verrouillage en cas de sous-tension de l'alimentation de polarisation.

Considérations relatives à l'attaque de grille SiC et carte d'évaluation

Pour accélérer le processus de conception et d'évaluation, les concepteurs peuvent utiliser la carte d'évaluation (EVB) NCP51705SMDGEVB pour le NCP51705 (Figure 6). La carte d'évaluation inclut un circuit d'attaque NCP51705 et tous les circuits de commande nécessaires, y compris un isolateur numérique intégré et la possibilité de souder tout MOSFET SiC ou Si dans un boîtier TO-247. La carte d'évaluation est conçue pour être utilisée dans toute application de commutation de puissance haut potentiel ou bas potentiel. Deux ou plusieurs de ces cartes d'évaluation peuvent être configurées dans une commande totem-pôle.

Figure 6 : La carte d'évaluation NCP51705SMDGEVB est dotée d'orifices (en haut à gauche) pour connecter un MOSFET de puissance SiC ou Si, et elle inclut le circuit d'attaque NCP51705 (U1, au centre à gauche) et le circuit intégré d'isolateur numérique (au centre à droite). (Source de l'image : onsemi)

La minimisation de la capacité et de l'inductance parasites des circuits imprimés est importante lors de l'utilisation du circuit d'attaque de grille NCP51705 avec un MOSFET SiC (Figure 7). Les considérations de disposition des circuits imprimés incluent :

• Le NCP51705 doit être placé aussi près que possible du MOSFET SiC, avec une attention particulière portée aux pistes courtes entre VDD, SVDD, V5V, la pompe à charge, et le condensateur VEE et le MOSFET.
• La piste entre VEE et PGND doit être aussi courte que possible.
• Il doit y avoir une séparation entre les pistes dV/dt élevées et l'entrée du circuit d'attaque et DESAT pour éviter un fonctionnement anormal pouvant résulter d'un couplage de bruit.
• Pour les conceptions haute température, des traversées thermiques doivent être utilisées entre le plot exposé et la couche extérieure afin de minimiser l'impédance thermique.
• Des pistes larges doivent être utilisées pour OUTSRC, OUTSNK et VEE.

Figure 7 : Disposition de circuit imprimé recommandée pour le NCP51705 afin de minimiser l'inductance et la capacité parasites pour la commande de MOSFET SiC. (Source de l'image : onsemi)

Conclusion

Le carbure de silicium joue un rôle important en aidant les concepteurs à répondre aux exigences d'un nombre et d'une variété croissants d'applications d'infrastructures énergétiques. Les concepteurs peuvent désormais utiliser des dispositifs SiC pour développer des conceptions de conversion de puissance à fort courant, haute tension et haute vitesse plus efficaces, se traduisant par des solutions plus petites et des densités de puissance plus élevées. Cependant, la sélection du style de conditionnement optimal est importante pour tirer le meilleur parti de la conception avec le carbure de silicium.

Comme illustré, il faut tenir compte de divers compromis en matière de performances, de délais de commercialisation et de coûts lors du choix entre des dispositifs discrets, des IPM et des PIM. De plus, lors de l'utilisation de dispositifs discrets ou de PIM, la sélection du circuit d'attaque de grille SiC et la disposition optimale du circuit imprimé sont essentielles pour atteindre des performances systèmes fiables et efficaces.

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