Condensateurs électrolytiques en aluminium polymère
Soutenir la transition vers l'abandon des combustibles fossiles grâce à la puissance des composants électroniques
Quelles sont les conditions permettant d'accroître l'efficacité de la conversion d'énergie et des commandes de moteur et d'étendre l'utilisation des semi-conducteurs de puissance SiC et GaN ?
Les gouvernements du monde entier et les entreprises de tous les secteurs et de toutes les branches d'activité s'unissent pour s'efforcer d'atteindre la neutralité carbone (Fig. 1). Toutes les mesures de décarbonisation possibles et imaginables sont prises. Cela inclut, par exemple, l'utilisation d'énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, l'électrification d'équipements qui étaient auparavant utilisés en brûlant des combustibles fossiles, et la réduction de la consommation d'énergie d'appareils existants tels que les appareils ménagers, les équipements informatiques et les moteurs industriels.
Plusieurs pays et régions ont introduit des mécanismes de tarification du carbone afin de transférer les émissions de gaz à effet de serre des activités commerciales vers les coûts. Par conséquent, en plus d'être significatives en tant que contribution sociale, les initiatives de carbonisation ont désormais un impact numérique clair sur les états financiers qui servent de fiche d'évaluation pour la gestion d'entreprise.
Changement complet de modèle dans les matériaux semi-conducteurs pour la première fois depuis 50 ans
Les efforts de décarbonisation se sont multipliés. Dans ce contexte, il existe un domaine des semi-conducteurs où le rythme de l'innovation technologique s'accélère rapidement. Il s'agit du domaine des semi-conducteurs de puissance.
Les semi-conducteurs de puissance sont des dispositifs semi-conducteurs qui jouent un rôle dans la gestion, le contrôle et la conversion de l'énergie nécessaire au fonctionnement des équipements électriques et électroniques. Ces dispositifs sont intégrés dans ce que l'on appelle les circuits électroniques de puissance. Ces circuits comprennent des circuits de puissance qui alimentent de manière stable les appareils ménagers et les équipements informatiques, des circuits de conversion de puissance qui transmettent et distribuent l'énergie sans gaspillage, et des circuits qui entraînent des moteurs avec un rendement élevé à un couple et une vitesse de rotation qui peuvent être contrôlés librement. Ces semi-conducteurs de puissance, qui sont des dispositifs clés pour la réalisation d'une société durable, ont maintenant commencé à subir un changement de modèle complet qui n'arrive qu'une fois tous les 50 ans.
Les semi-conducteurs de puissance présentent diverses structures de dispositifs, notamment des MOSFET*1, des IGBT*2 et des diodes. Ils sont utilisés différemment en fonction de l'objectif visé. Néanmoins, bien que la structure diffère, le silicium (Si) a toujours été utilisé depuis plus de 50 ans comme matériau pour les dispositifs. Cela s'explique par le fait que le silicium possède de bonnes caractéristiques électriques et qu'il est facile à transformer en diverses structures de dispositifs en même temps.
*1 : Un transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) est un type de transistor à effet de champ. Il fonctionne comme un commutateur électrique. Ces transistors sont constitués de trois couches : un métal, un oxyde et un semi-conducteur. Le courant est activé et désactivé en appliquant une tension à l'électrode appelée grille.
*2: An Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is a transistor with a structure that combines a MOSFET and bipolar transistor. It is characterized by combining the high-speed operation of the MOSFET with the high withstand voltage and low resistance of the bipolar transistor.
Toutefois, les semi-conducteurs de puissance à base de Si ne sont plus en mesure de répondre aux exigences techniques élevées visant à réduire davantage la consommation d'énergie de divers équipements électriques et électroniques. Pour remédier à cette situation, des progrès sont en cours dans l'utilisation de nouveaux matériaux tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), qui conviennent mieux que le Si comme matériaux pour les semi-conducteurs de puissance. Le carbure de silicium et le nitrure de gallium possèdent de nombreuses propriétés et caractéristiques physiques adaptées aux semi-conducteurs de puissance. Il s'agit notamment de leur champ de claquage diélectrique (qui influe sur la tension de tenue), de leur mobilité (qui influe sur la vitesse de fonctionnement) et de leur conductivité thermique (qui influe sur la fiabilité). Si nous parvenons à développer un dispositif qui met en valeur ces excellentes caractéristiques, nous pourrons réaliser des semi-conducteurs de puissance encore plus performants.
Les MOSFET et les diodes à base de SiC ont déjà été commercialisés. Ils sont utilisés dans les onduleurs des moteurs de véhicules électriques, les convertisseurs DC/AC dans les conditionneurs d'énergie solaire et d'autres équipements. Les HEMT*3 à base de GaN ont également déjà été commercialisés. Ils sont maintenant utilisés dans les convertisseurs CA pour les PC ultra-petits, les chargeurs de smartphones et d'autres équipements.
*3 : Un transistor à haute mobilité d'électrons (HEMT) est un transistor à effet de champ qui permet une commutation à grande vitesse en associant des semi-conducteurs aux propriétés différentes pour induire des électrons à haute mobilité.
L'évolution des condensateurs, des inducteurs et d'autres équipements est essentielle pour exploiter le potentiel du SiC et du GaN
Il n'est pas possible d'exploiter pleinement le potentiel exceptionnel des semi-conducteurs de puissance fabriqués à partir de nouveaux matériaux en remplaçant simplement les dispositifs à base de Si dans les circuits d'électronique de puissance existants. En effet, les autres circuits intégrés semi-conducteurs, les composants passifs et même les logiciels de commande qui composent les circuits d'électronique de puissance ont été développés et sélectionnés en partant du principe qu'ils seraient utilisés dans des semi-conducteurs de puissance à base de Si. Il est nécessaire de redévelopper et de resélectionner ces composants périphériques afin d'utiliser efficacement les nouveaux semi-conducteurs de puissance à base de matériaux.
Par exemple, de nombreux HEMT GaN sont utilisés dans les circuits de convertisseurs AC/DC qui ont adopté les HEMT GaN récemment introduits pour réduire la consommation d'énergie dans les alimentations des serveurs des centres de données (Fig. 2). Il est possible d'améliorer la fréquence de commutation (fréquence de fonctionnement) des circuits électroniques de puissance en utilisant les caractéristiques des HEMT GaN, qui permettent une commutation à grande vitesse à des tensions élevées. La valeur de réactance des condensateurs intégrés dans les circuits et des inductances dans les circuits de traitement des signaux des réacteurs peut être plus faible dans les circuits à haute fréquence de fonctionnement. En général, les composants à faible réactance sont de petite taille. Il est donc possible de réduire la taille du circuit imprimé et d'améliorer la densité de puissance. De même, l'introduction de MOSFET SiC même dans les circuits d'onduleurs qui commandent les moteurs des VE et d'autres composants permet de réduire la taille des composants périphériques et de rendre l'ensemble des circuits d'onduleurs plus petits et plus légers.
D'autre part, un niveau élevé de bruit peut provenir d'alimentations à haute tension et à commutation rapide. Il est alors possible que le bruit affecte négativement le fonctionnement de l'équipement périphérique. Les alimentations comprenant des semi-conducteurs de puissance en SiC et GaN commutent à une fréquence encore plus élevée. Par conséquent, le risque d'apparition de bruit augmente encore. Par conséquent, une suppression plus stricte du bruit est nécessaire que lors de l'utilisation des circuits électroniques de puissance existants. Il est alors nécessaire d'utiliser des composants de suppression du bruit conçus pour être appliqués à des circuits à haute tension, à grand courant et à haute fréquence plutôt que des composants destinés à des circuits conventionnels.
En outre, il existe également un besoin de petits transformateurs fonctionnant à des fréquences encore plus élevées pour les transformateurs qui sont des composants particulièrement lourds, même parmi les composants passifs. Des transformateurs planaires à profil bas et d'autres composants ont déjà été développés et lancés sur le marché dans l'hypothèse où ils seraient utilisés dans des semi-conducteurs de puissance à base de SiC et de GaN.
Attention à l'évolution des composants périphériques en plus des semi-conducteurs de puissance
Divers types de semi-conducteurs, non limités aux semi-conducteurs de puissance, ont été fabriqués à base de Si jusqu'à présent. Par conséquent, de nombreux composants électroniques existants ont été développés dans l'hypothèse implicite qu'ils seront utilisés en étant combinés avec des semi-conducteurs à base de Si. Il peut s'avérer nécessaire de développer de nouveaux produits pour répondre aux nouvelles exigences techniques au lieu de simplement rechercher des produits encore meilleurs parmi les composants existants afin de maximiser l'effet de l'introduction de semi-conducteurs de puissance fabriqués à partir de nouveaux matériaux.
En général, les semi-conducteurs de puissance à base de Si ont tendance à fonctionner à des vitesses plus faibles, plus la tension et le courant qu'ils peuvent supporter sont élevés (Fig. 3). C'est la raison pour laquelle il n'y a pas assez de petits condensateurs et de réacteurs capables de supporter des tensions élevées et des courants importants. En outre, la tendance est à la simplification du système de dissipation de la chaleur et à la réduction de la taille, du poids et du coût des semi-conducteurs de puissance à base de SiC qui peuvent fonctionner de manière stable à des températures élevées. Dans ces cas, les composants passifs doivent également avoir une fiabilité élevée garantie dans un environnement à haute température.
L'introduction de nouveaux matériaux dans le domaine des semi-conducteurs de puissance est une étape majeure dans la mise à jour de l'écosystème électrique et électronique qui a été optimisé pour les matériaux au silicium pendant plus de 50 ans. C'est pourquoi nous souhaitons également accorder une grande attention à l'évolution des composants électroniques périphériques optimisés pour les nouveaux matériaux.
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