PCIM a confir­mé la mon­tée en puis­sance des se­mi-conduc­teurs à grand gap

Electronique S - - Sommaire - PHI­LIPPE CORVISIER

Lors de la der­nière édi­tion de la ma­ni­fes­ta­tion PCIM Eu­rope, qui a at­ti­ré un nombre re­cord de vi­si­teurs et d’ex­po­sants, la part belle a été faite aux com­po­sants et mo­dules de puis­sance ex­ploi­tant les pro­prié­tés avan­ta­geuses du SiC et du GaN.

Ren­dez-vous at­ten­du des pro­fes­sion­nels i mpli­qués dans la fi­lière de l’élec­tro­nique de puis­sance, la ma­ni­fes­ta­tion PCIM Eu­rope, qui s’est te­nue du 16 au 18 mai à Nu­rem­berg, a at­ti­ré près de 11000 vi­si­teurs (la hausse est d’en­vi­ron 8% par rap­port à la mou­ture pré­cé­dente) et un nombre in­édit d’ex­po­sants. L’événement a no­tam­ment mon­tré que l’in­dus­trie au­to­mo­bile re­cèle tou­jours un fort po­ten­tiel de crois­sance, avec l’émer­gence de nou­velles ap­pli­ca­tions en rap­port avec l’élec­tro­mo­bi­li­té. À cet égard, l’espace « E-Mo­bi­li­ty » qui était, pour la pre­mière fois, consa­cré à cette thé­ma­tique propre à in­té­res­ser du­ra­ble­ment l’élec­tro­nique de puis­sance, a re­çu un ac­cueil très fa­vo­rable. Dans l’en­semble, la part belle a été faite aux com­po­sants pas­sifs et aux se­mi­con­duc­teurs de puis­sance, res­pec­ti­ve­ment pro­po­sés par 36% et 34% des sociétés, sui­vis par les pro­duits as­si­gnés à la ges­tion ther­mique et les ali­men­ta­tions. Si, dans la louable in­ten­tion d’ob­te­nir des gains consi­dé­rables en termes de ren­de­ment, de den­si­té de puis­sance, de poids et de vo­lume des sys­tèmes, le pay­sage de l’élec­tro­nique de puis­sance est de­puis quelques an­nées dé­jà mo­di­fié par l’es­sor des se­mi-conduc­teurs à grand gap (à large bande in­ter­dite), cette édi­tion au­ra été un pro­bant té­moi­gnage de cette ten­dance. Étant en­ten­du que pour beau­coup de concep­teurs, le si­li­cium reste en­core la so­lu­tion pré­fé­ren­tielle, en rai­son d’un coût moindre, d’une ma­tu­ri­té in­com­pa­rable dans les pro­ces­sus de fa­bri­ca­tion et d’un large éven­tail de pro­duits. À Nu­rem­berg, il au­ra été beau­coup ques­tion du car­bure de si­li­cium, dont la fi­lière a quelques lon­gueurs d’avance sur celle du ni­trure de gal­lium. De nom­breuses sociétés ont ain­si pro­fi­té de l’événement pour pré­sen­ter des com­po­sants dis­crets ( diodes, tran­sis­tors) en SiC et des mo­dules ex­ploi­tant, en par­tie ou ex­clu­si­ve­ment, des puces réa­li­sées à par­tir de ce ma­té­riau com­po­sé.

Car­bure de si­li­cium à tous les étages chez In­fi­neon

En par­ti­cu­lier, In­fi­neon Tech­no­lo­gies a dé­taillé sa feuille de route se rap­por­tant à des mo­dules de puis­sance in­té­grant ses Mos­fet CoolSiC. Des tran­sis­tors de 1 200 V en car­bure de si­li­cium, dont la résistance drain-source à l’état pas­sant est don­née pour 45 mΩ, sont dé­jà pro­po­sés sous une forme dis­crète, en boî­tiers TO-247-3 et TO-247-4. Il est in­té­res­sant de no­ter que l’al­le­mand a re­vu sa stra­té­gie puis­qu’il avait op­té il y a quelques an­nées pour des Jfet 1200V en SiC. Pour ce qui est des mo­dules de puis­sance, si des Ea­sy 1B de 1 200 V, se­lon des to­po­lo­gies en de­mi-pont/ booster avec ther­mis­tance CTN, avaient été an­non­cés l’an der­nier et sont dé­sor­mais en­trés dans leur phase de pro­duc­tion en vo­lume, la société compte étof­fer ra­pi­de­ment son ca­ta­logue. Ain­si, lors de la ma­ni­fes­ta­tion, dif­fé­rentes pla­te­formes mo­du­laires 1 200 V ti­rant pro­fit des Mos­fet CoolSiC ont été dé­voi­lées. Il est ici ques­tion de mo­dules Ea­sy 1B en to­po­lo­gie « six-pack » (pont tri­pha­sé), avec cap­teur de tem­pé­ra­ture. Cré­di­tée d’une charge de re­cou­vre­ment in­verse très faible, la diode in­trin­sèque des Mos­fet per­met d’as­su­rer la fonc­tion de roue libre. Pour leur part, des mo­dules Ea­sy 2B en de­mi-pont, em­bar­quant des in­ter­rup­teurs de puis­sance dont la résistance est de 8 mΩ, sont des­ti­nés aux ap­pli­ca­tions de 50 kW et plus. Ce­la in­clut les on­du­leurs so­laires, les sys­tèmes de charge ra­pide de bat­te­rie et les ali­men­ta­tions se­cou­rues (UPS). En­fin, des mo­dules en de­mi­pont de lar­geur 62 mm stan­dard se­ront aus­si pro­po­sés pour l es ap­pli­ca­tions de moyenne puis­sance. La RDS( on) est ici de 6 mΩ seule­ment. « L’en­semble de l’offre cou­vri­ra un large spectre d’ap­pli­ca­tions, dans des gammes de puis-

sance s’éche­lon­nant entre 2 kW et 200 kW », confie Marc Bu­schkühle, res­pon­sable du mar­ke­ting tech­nique chez In­fi­neon. Pour sa part, Rohm Se­mi­con­duc­tor a mis en exergue ses der­niers mo­dules de puis­sance 1 200 V de 400 A (BSM400D12P3G002) et 600 A (BSM600D12P3G001), avec Mos­fet et diodes Schott­ky en car­bure de si­li­cium. Ces mo­dules « t out SiC » de 62 x 152 x 17 mm, se­lon une to­po­lo­gie en de­mi-pont, ciblent les on­du­leurs so­laires, les UPS et les ali­men­ta­tions pour les équi­pe­ments i ndus­triels. L’adop­tion d’un nou­veau boî- tier et une struc­ture in­terne op­ti­mi­sée se tra­duisent par une in­duc­tance pa­ra­site ra­me­née à 10 nH (13 nH pour les mo­dules an­té­rieurs 1200V en SiC de di­men­sions si­mi­laires de la société). Ce qui a pour ef­fet d’at­té­nuer les phé­no­mènes de sur­ten­sion et de ré­duire les pertes en régime de com­mu­ta­tion. En outre, la dis­si­pa­tion de la cha­leur se ré­vèle plus ef­fi­cace grâce à une amé­lio­ra­tion de la pla­néi­té au ni­veau de la se­melle. La consé­quence est une résistance ther­mique moindre entre se­melle et dis­si­pa­teur. Pour la ver­sion de 600 A, la société fait état d’une di­mi­nu- tion jus­qu’à 64% des pertes de com­mu­ta­tion par rap­port à un mo­dule IGBT 1200V/600A. Et ce pour un même cou­rant no­mi­nal et une tem­pé­ra­ture de jonc­tion de 150°C. La ré­duc­tion des pertes est d’au­tant plus si­gni­fi­ca­tive avec la mon­tée en fré­quence. Rohm a aus­si le­vé le voile sur une fa­mille de cir­cuits spé­ci­fi­que­ment conçus pour com­man­der les Mos­fet de puis­sance en SiC. Le pre­mier de ces pi­lotes de grille est le BM61S40RFV, un mo­dèle de 4 A en boî­tier SSOP de 3,5 x 10,2 x 1,9 mm, qua­li­fié AEC-Q100. « Nous uti­li­sons un pro­cé­dé de fa­bri­ca­tion pro­prié­taire, afin d’in­té­grer un trans- for­ma­teur sans noyau ga­ran­tis­sant une ten­sion d’iso­le­ment de 3 750 V », in­dique An­drea Co­lo­gnese, res­pon­sable mar­ke­ting chez Rohm. Le dri­ver dis­pose d’un clam­ping ac­tif pour évi­ter une mise en conduc­tion in­tem­pes­tive, ain­si qu’une fonc­tion de ver­rouillage en cas de sous-ten­sion. La fia­bi­li­té d’un sys­tème s’en trouve amé­lio­rée, sans qu’il soit fait ap­pel à des com­po­sants ex­ternes. De son cô­té, Lit­tel­fuse a pré­sen­té avec son par­te­naire texan Mo­no­lith Se­mi­con­duc­tor (une société dans la­quelle Lit­tel­fuse a ré­cem­ment pris une part ma­jo­ri­taire) ses der­nières réa­li­sa­tions dans le do­maine des se­mi-conduc­teurs en car­bure de si­li­cium. Les pre­miers pro­duits en SiC éla­bo­rés à par­tir de la pla­te­forme tech­no­lo­gique des deux pro­ta­go­nistes prennent la forme de diodes Schott­ky 1 200 V de la série GEN2. Ces diodes de 5 A et 10A, à temps de re­cou­vre­ment qua­si nul, sont pro­po­sées dans des boî­tiers TO-220-2L ou TO- 252- 2L ( DPAK). Elles af­fichent un cou­rant in­verse de 100μA et une chute de ten­sion di­recte de 1,5 V. En régime de com­mu­ta­tion, elles gé­nèrent des pertes bien in­fé­rieures aux diodes de puis­sance bi­po­laires tra­di­tion­nelles en si­li­cium. Les GEN2 sont dé­vo­lues à la cor­rec­tion du fac­teur de puis­sance, aux conver­tis­seurs DC-DC buck/boost et au re­dres­se­ment syn­chrone haute fré­quence. Elles fe­ront aus­si of­fice de diodes de roue libre dans les étages de puis­sance des on­du­leurs. En outre, les vi­si­teurs ont eu un aper­çu de la fu­ture

gamme de Mos­fet 1 200 V en SiC de Lit­tel­fuse. Ceux-ci sont en cours de fa­bri­ca­tion dans une fon­de­rie Cmos de 6 pouces, agréée au­to­mo­bile.

Le GaN en em­bus­cade

Lors de cet événement, il a aus­si été na­tu­rel­le­ment beau­coup ques­tion du ni­trure de gal­lium, autre pré­ten­dant à la suc­ces­sion du si­li­cium pour la com­mu­ta­tion de puis­sance. La jeune société Exa­gan a ain­si ex­po­sé ses pre­miers tran­sis­tors 650V en GaN sur si­li­cium. Pour leur fa­bri­ca­tion, le gre­no­blois a fait ap­pel aux ser­vices du fon­deur al­le­mand X-Fab Si­li­con Foun­dries, avec le­quel un par­te­na­riat stra­té­gique a été si­gné en 2015. Fruit de dix an­nées de dé­ve­lop­pe­ment au sein de Soi­tec et du CEA-Le­ti, la tech­no­lo­gie d’épi­taxie dit G-Stack d’Exa­gan évite les aléas liés à la dé­po­si­tion de couches de GaN sur des tranches de si­li­cium de grand dia­mètre. Le dé­fi est d’im­por­tance sa­chant que la co­ha­bi­ta­tion entre GaN et si­li­cium est dif­fi­cile, no­tam­ment en rai­son de leurs pa­ra­mètres de maille et de leurs co­ef­fi­cients de di­la­ta­tion ther­mique dif­fé­rents. Réa­li­sés dans l’usine de Grenoble d’Epi­gan, les sub­strats épi­taxiés font ap­pel à des équi­pe­ments MOCVD à l’état de l’art. « Il faut ima­gi­ner un sand­wich dans le­quel cha­cune des couches joue un rôle élec­trique

ou mé­ca­nique. Notre tech­no­lo­gie et notre sa­voir-faire nous per­mettent de dé­po­ser des couches uni­formes à 1000°C et de com­pen­ser le stress in­duit lors de la phase de re­froi­disse

ment » , ex­plique Frédéric Du­pont, pré­sident et CEO d’Exa­gan La pro­duc­tion de com­po­sants en GaN sur des tranches de 200mm (8 pouces), au lieu de 100mm ou (au mieux) 150mm au­jourd’hui, étant dé­sor­mais en­vi­sa­geable, il va en ré­sul­ter une ré­duc­tion si­gni­fi­ca­tive du coût des conver­tis­seurs de puis­sance pour les mar­chés grand pu­blic et au­to­mo­bile ou en­core les ser­veurs. Pour l’heure, la vi­trine d’Exa­gan com­prend une de­mi-dou­zaine de G-FET 650V en dif­fé­rents boî­tiers ( TO220- 3L, TO247-4L, PQFN8x8, TSON8x8) dans la gamme 15A à 50 A (cou­rant de drain à 25°C). Les ré­sis­tances à l’état pas­sant vont de 30 à 165 mΩ. Un com­por­te­ment d’in­ter­rup­teur nor­ma­le­ment ou­vert (« nor­mal­ly-off »), tel que gé­né­ra­le­ment sou­hai­té par les concep­teurs, est ob­te­nu avec une struc­ture cas­code as­so­ciant dans le même boî­tier un G-FET HEMT nor­ma­le­ment conduc­teur (« nor­mal­ly-on ») et un Mos­fet en si­li­cium. « L’état na­tu­rel du GaN est d’être “nor­mal­ly-on”. Ob­te­nir un com­por­te­ment in­verse est pos­sible, mais sou­lève de nom­breuses dif­fi­cul­tés et oblige à des com­pro­mis, prin­ci­pa­le­ment en termes de ro­bus­tesse, sans par­ler de la com­plexi­té et du coût du dri­ver », jus­ti­fie Frédéric Du­pont. La société compte in­tro­duire des G-FET dont la te­nue en ten­sion se­ra de 1200V, mais ne pré­cise au­cune date. L’Ins­ti­tut Fraun­ho­fer IAF a quant à lui dé­ve­lop­pé un

conver­tis­seur mo­no­li­thique ex­ploi­tant une tech­no­lo­gie GaN sur si­li­cium haute ten­sion, per­met­tant de réa­li­ser un on­du­leur 400V/5A mul­ti­ni­veau de faible fac­teur de forme. Réa­li­sé à par­tir de quatre tran­sis­tors et six diodes, le conver­tis­seur oc­cupe une sur­face de 2x3mm² seule­ment. Pour en éva­luer les per­for­mances, l’ins­ti­tut al­le­mand a fait ap­pel à la tech­no­lo­gie d’enc ap­su­la­tion ECP ( Em­bed­ded Com­po

nent Pa­cka­ging) de l ’ au­tri­chien AT& S. Ba­sée sur l’em­pi­lage des com­po­sants dans le PCB, les connexions s’ef­fec­tuant alors sous la forme de mi­cro­vias, ECP per­met non seule­ment de ga­gner en com­pa­ci­té, mais aus­si en per­for­mances (faibles im­pé­dances, in­duc­tances pa­ra­sites li­mi­tées). L’ab­sence de bon­dings et la proxi­mi­té des se­mi-conduc­teurs avec les élé­ments pas­sifs se ré­vèlent en ef­fet bé­né­fiques. Pa­na­so­nic fait par­tie des sociétés qui misent sur les deux ta­bleaux SiC et GaN. Si la société a dé­mar­ré la pro­duc­tion en vo­lume de ses tran­sis­tors de puis­sance X-GaN 600V, elle ne compte pas s’ar­rê­ter en si bon che­min. La feuille de route du ja­po­nais fait ap­pa­raître de fu­turs pro­duits des­ti­nés aux ali­men­ta­tions in­dus­trielles de forte puis­sance, aux adap­ta­teurs et aux char­geurs de bat­te­rie. À PCIM ont éga­le­ment été mis en évi­dence les DioMOS ( Diode-in­te­gra­ted Mos­fet) en SiC, des Mos­fet in­té­grant une diode de roue libre, réa­li­sés sur des wa­fers de 6 pouces. En­fin, sur le stand de GaN Sys­tems ont été ex­po­sées de nom­breuses réa­li­sa­tions, com­mer­ciales ou non, fai­sant ap­pel aux tran­sis­tors E-HEMT en GaN sur si­li­cium du ca­na­dien. Il s’agis­sait ici de dé­mon­trer les gains im­pres­sion­nants, en termes de den­si­té de puis­sance, qu’il est pos­sible d’ob­te­nir en fai­sant ap­pel au GaN.

≥ À l’oc­ca­sion de PCIM Eu­rope, le Mes­se­zen­trum de Nu­rem­berg a ac­cueilli près de 11000 vi­si­teurs. La pro­chaine édi­tion se tien­dra au même lieu, du 5 au 7 juin 2018.

≥ Sur le stand d’In­fi­neon ont été mis en évi­dence les gains en vo­lume et poids ob­te­nus grâce au SiC. À gauche, un on­du­leur de 22 kW réa­li­sé avec des Mos­fet CoolSiC. À droite, son équi­valent avec des IGBT en si­li­cium.

≥ À l’oc­ca­sion de PCIM, Rohm a dé­voi­lé des mo­dules de puis­sance « tout SiC » de 1200V en boî­tier de 62x152x17mm, à des­ti­na­tion des on­du­leurs so­laires, des UPS et des ali­men­ta­tions in­dus­trielles, entre autres.

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