Dans le paysage en constante évolution de l’électronique de puissance, le choix entre les modules de puissance à base de semi-conducteurs et les composants discrets a un impact significatif sur l’efficacité, la fiabilité et la performance globale des systèmes électroniques.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les modules de puissance à base de semi-conducteurs ont gagné en importance en raison de leurs nombreux avantages sur les composants discrets traditionnels. Dans le paysage en constante évolution de l’électronique de puissance, le choix entre les modules de puissance à base de semi-conducteurs et les composants discrets impacte de manière significative l’efficacité, la fiabilité et la performance globale du système.
Figure 1. Module IGBT Flow 1 avec des condensateurs intégrés. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Avantages des modules de puissance à base de semi-conducteurs
Les modules de puissance à base de semi-conducteurs intègrent plusieurs composants dans un seul boîtier, ce qui permet un design plus compact par rapport aux composants discrets. Les modules peuvent facilement intégrer n’importe quoi, des condensateurs pour améliorer le comportement de commutation et l’inductance parasite aux shunts pour la mesure de courant. Leur efficacité spatiale est cruciale dans les systèmes électroniques où l’espace est limité, tels que les onduleurs de fréquence de taille livre, les systèmes d’énergie renouvelable et les alimentations sans interruption. Les semi-conducteurs sont placés de manière à assurer des boucles de commutation réduites qui maximisent l’efficacité et permettent des fonctionnalités difficiles à réaliser avec des composants discrets.
Un autre aspect est l’amélioration de la fiabilité. Dans de nombreuses applications, la fiabilité est plus importante que le prix. Les composants discrets traditionnels sont sujets à des problèmes de fiabilité tels que les défaillances des joints de soudure et le stress thermique. En revanche, les modules de puissance à base de semi-conducteurs sont conçus avec des technologies d’emballage avancées qui améliorent les performances thermiques et réduisent le risque de défaillances des composants. Leur fiabilité accrue est essentielle dans les applications critiques où une interruption du système n’est pas envisageable.
La fiabilité comprend les performances thermiques. Les modules de puissance sont souvent équipés de solutions de gestion thermique avancées, telles que la technologie de collage direct, pour dissiper la chaleur plus efficacement. Cela abaisse leur température de fonctionnement, prolonge la durée de vie des composants et assure des performances stables dans le temps. Différents matériaux DCB ont des propriétés thermiques différentes. Tandis que l’Al2O3 est un matériau largement utilisé, l’AlN, par exemple, offre une très haute conductivité thermique. Parce qu’il est plus fragile, le Si3N4 constitue un bon compromis entre les deux matériaux.
Un sujet important est l’intégration simplifiée et la réduction des coûts d’assemblage. Intégrer des composants discrets nécessite une considération minutieuse de leur placement, de leur routage et de leur gestion thermique. Les modules de puissance à base de semi-conducteurs simplifient le processus d’intégration en consolidant plusieurs composants dans un seul boîtier. Cela réduit les coûts d’assemblage et rationalise la fabrication, ce qui permet un délai de mise sur le marché plus rapide des systèmes électroniques. Plusieurs étapes peuvent être évitées, car les modules viennent avec une isolation électrique au dissipateur thermique, peuvent être dotés d’une couche de matériau d’interface thermique pré-appliqué, et nécessitent seulement un nombre limité de vis pour être montés.
Enfin, les modules de puissance atteignent une densité de puissance bien plus élevée par rapport aux composants discrets. En regroupant de manière compacte les composants, les modules à base de semi-conducteurs peuvent fournir plus de puissance dans un espace plus réduit. Cela est particulièrement avantageux dans les applications où l’efficacité énergétique et les contraintes de taille sont cruciales, telles que les onduleurs solaires et les appareils électroniques portables comme les machines de soudage, et plus encore dans les applications de commande intégrée.
Figure 2. Comparaison de la capacité de cyclage de puissance entre le matériau de soudure standard et avancé. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Comparaison des mécaniques
Une comparaison plus approfondie entre la mécanique des composants discrets et des modules de puissance révèle de vastes différences dans leur manipulation et leur assemblage. Les modules sont essentiellement des sous-systèmes pré-testés. Leurs fabricants garantissent que toutes les pièces expédiées ont passé des tests mécaniques et électriques rigoureux. Les composants discrets, en revanche, nécessitent de nombreux processus supplémentaires, principalement manuels, qui influencent leur fiabilité: les pins doivent être pliés, les matériaux d’interface thermique appliqués, et, dans certains cas, une isolation électrique supplémentaire doit être ajoutée au dissipateur thermique. Les composants à manipuler incluent des composants traversants tels que les TO-220, TO-264, etc., qui doivent être assemblés, fixés et soudés au PCB avant d’être montés sur un dissipateur thermique. Ils sont connectés pour former une étape d’onduleur, un circuit PFC, ou un hacheur de frein. Les applications de commande utilisent couramment des ponts de diodes. Le défi est toujours de rendre l’assemblage aussi sans stress que possible, ce qui peut être difficile, car les composants discrets ont des hauteurs différentes.
Figure 3. Application avec des composants discrets et avec un module de puissance. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Comparaison du comportement électrique
Une comparaison de leur comportement électrique révèle d’autres inconvénients des composants discrets. D’une part, les composants discrets ne peuvent pas être positionnés de manière optimale pour les chemins de commutation. Et, d’autre part, en raison de leur taille physique, les composants discrets nécessitent plus d’espace sur le PCB et ne peuvent pas être placés aussi près les uns des autres que les IGBT et les diodes utilisés dans un module de puissance. En conséquence, les composants discrets ont une densité de puissance inférieure à celle des modules de puissance.
La Figure 3 met en évidence les différences entre l’utilisation de composants discrets et de modules de puissance dans de petites applications de puissance.
De plus, la parallélisation des composants discrets nécessite de considérer encore plus de composants, tandis que les modules de puissance peuvent simplement être remplacés par le boîtier de taille supérieure. Pour faciliter davantage la manipulation, les modules peuvent être livrés avec des broches à souder, des broches à emmancher et, sur demande, avec du matériau de changement de phase pré-appliqué.
Les modules de puissance à base de semi-conducteurs offrent une multitude d’avantages par rapport aux composants discrets traditionnels, allant de leur conception compacte et de leur fiabilité accrue à leurs performances thermiques améliorées et leur intégration simplifiée. En tant qu’acteur de premier plan dans l’industrie, Vincotech a contribué de manière significative à l’évolution de la technologie des modules de puissance. Par son engagement envers l’innovation, la personnalisation et la durabilité, les offres de Vincotech permettent aux concepteurs de systèmes électroniques de répondre aux exigences du marché dynamique et concurrentiel d’aujourd’hui.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].