Applications du carbure de silicium

Parmi les composants essentiels des véhicules électriques, les modules de puissance automobiles, utilisant principalement la technologie IGBT, jouent un rôle crucial. Ces modules déterminent non seulement les performances clés du système d'entraînement électrique, mais représentent également plus de 40 % du coût du moteur-onduleur. En raison des avantages considérables decarbure de silicium (SiC)Par rapport aux matériaux traditionnels en silicium (Si), les modules SiC sont de plus en plus adoptés et promus au sein de l'industrie automobile. Les véhicules électriques utilisent désormais des modules SiC.

Le domaine des véhicules à énergies nouvelles devient un champ de bataille crucial pour l'adoption généralisée descarbure de silicium (SiC)appareils et modules d'alimentation. Les principaux fabricants de semi-conducteurs déploient activement des solutions telles que les configurations parallèles SiC MOS, les modules de commande électronique triphasés à pont complet et les modules SiC MOS de qualité automobile, qui mettent en évidence le potentiel important des matériaux SiC. Les caractéristiques de puissance élevée, de haute fréquence et de densité de puissance élevée des matériaux SiC permettent une réduction substantielle de la taille des systèmes de contrôle électronique. De plus, les excellentes propriétés du SiC à haute température ont suscité une attention considérable dans le secteur des véhicules à énergies nouvelles, entraînant un développement et un intérêt vigoureux.

Actuellement, les dispositifs basés sur SiC les plus courants sont les diodes SiC Schottky (SBD) et les MOSFET SiC. Alors que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) combinent les avantages des MOSFET et des transistors à jonction bipolaire (BJT),SiC, en tant que matériau semi-conducteur à large bande interdite de troisième génération, offre de meilleures performances globales par rapport au silicium (Si) traditionnel. Cependant, la plupart des discussions se concentrent sur les MOSFET SiC, tandis que les IGBT SiC reçoivent peu d'attention. Cette disparité est principalement due à la domination des IGBT à base de silicium sur le marché malgré les nombreux avantages de la technologie SiC.

À mesure que les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite de troisième génération gagnent du terrain, les dispositifs et modules SiC apparaissent comme des alternatives potentielles aux IGBT dans diverses industries. Néanmoins, le SiC n’a pas complètement remplacé les IGBT. Le principal obstacle à l’adoption est le coût ; Les dispositifs d'alimentation en SiC sont environ six à neuf fois plus chers que leurs homologues en silicium. Actuellement, la taille courante des plaquettes de SiC est de six pouces, ce qui nécessite la fabrication préalable de substrats en Si. Le taux de défauts plus élevé associé à ces tranches contribue à leurs coûts élevés, limitant leurs avantages en termes de prix.

Bien que certains efforts aient été déployés pour développer des IGBT SiC, leurs prix sont généralement peu attractifs pour la plupart des applications du marché. Dans les secteurs où le coût est primordial, les avantages technologiques du SiC peuvent ne pas être aussi convaincants que les avantages en termes de coûts des dispositifs traditionnels en silicium. Cependant, dans des secteurs comme l’industrie automobile, moins sensibles aux prix, les applications SiC MOSFET ont encore progressé. Malgré cela, les MOSFET SiC offrent effectivement des avantages en termes de performances par rapport aux IGBT Si dans certains domaines. Dans un avenir prévisible, les deux technologies devraient coexister, même si le manque actuel d’incitations du marché ou de demande technique limite le développement d’IGBT SiC plus performants.

À l'avenir,carbure de silicium (SiC)les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) devraient être principalement mis en œuvre dans les transformateurs électroniques de puissance (PET). Les PET sont essentiels dans le domaine de la technologie de conversion d'énergie, en particulier pour les applications moyenne et haute tension, notamment la construction de réseaux intelligents, l'intégration de l'énergie Internet, l'intégration des énergies renouvelables distribuées et les onduleurs de traction des locomotives électriques. Ils sont largement reconnus pour leur excellente contrôlabilité, leur compatibilité système élevée et leurs performances de qualité d'alimentation supérieure.

Cependant, la technologie PET traditionnelle est confrontée à plusieurs défis, notamment un faible rendement de conversion, des difficultés à améliorer la densité de puissance, des coûts élevés et une fiabilité insuffisante. Bon nombre de ces problèmes proviennent des limites de résistance à la tension des dispositifs à semi-conducteurs de puissance, qui nécessitent l'utilisation de structures complexes en série à plusieurs étages dans les applications haute tension (telles que celles approchant ou dépassant 10 kV). Cette complexité conduit à un nombre accru de composants de puissance, d’éléments de stockage d’énergie et d’inducteurs.

Pour relever ces défis, l'industrie étudie activement l'adoption de matériaux semi-conducteurs hautes performances, en particulier les IGBT SiC. En tant que matériau semi-conducteur à large bande interdite de troisième génération, le SiC répond aux exigences des applications haute tension, haute fréquence et haute puissance en raison de son intensité de champ électrique de claquage remarquablement élevée, de sa large bande interdite, de son taux de migration rapide de saturation électronique et de son excellente conductivité thermique. Les IGBT SiC ont déjà démontré des performances exceptionnelles dans la plage moyenne et haute tension (y compris, mais sans s'y limiter, 10 kV et moins) dans le domaine de l'électronique de puissance, grâce à leurs caractéristiques de conduction supérieures, leurs vitesses de commutation ultra-rapides et leur large zone de fonctionnement sûre.

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