Introduction
Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), révolutionnent l’électronique de puissance. Ces matériaux de nouvelle génération surpassent les dispositifs traditionnels en silicium (IGBT, MOSFET superjonction) en termes d’efficacité et de performances. Toutefois, leur intégration requiert une approche de conception systémique, et non plus linéaire.
Cet article explore les perspectives de marché du SiC et du GaN, leurs applications en forte croissance, ainsi que les défis techniques à relever pour réussir leur intégration.
Tendances du marché des semi-conducteurs WBG
Croissance rapide du SiC et du GaN
D’après Yole Group, le marché mondial de l’électronique de puissance passera de 23 milliards USD en 2023 à 56 milliards USD en 2029. Les semi-conducteurs WBG capteront plus de 35 % de ce marché, avec le SiC représentant à lui seul 29 % des revenus.
FIGURE 1 : Évolution des parts de marché du SiC, GaN et silicium de 2021 à 2029 (Source : Yole Group)
Le SiC s’impose surtout dans l’automobile, suivi de l’industrie, des énergies renouvelables et du transport. Le GaN, encore émergent, est utilisé dans l’électronique grand public et commence à pénétrer le secteur automobile.
Applications émergentes en électronique de puissance
L’ensemble des marchés basse, moyenne et haute puissance poursuit un objectif commun : maximiser l’efficacité énergétique tout en réduisant la taille et le coût des systèmes. Le SiC et le GaN sont clés pour y parvenir, grâce à leurs faibles pertes (RDS(on)), leur capacité à commuter à haute fréquence et leur faible charge de grille.
Les principaux moteurs de cette évolution sont :
- L’électrification des véhicules (xEVs)
- L’automatisation industrielle
- Le développement des énergies renouvelables
Le marché des xEVs atteindra 93 millions d’unités en 2028. En parallèle, l’Union européenne impose des normes strictes (classe IE4 pour moteurs à induction), et vise l’installation de 60 millions de pompes à chaleur d’ici 2030.
FIGURE 2 : Ventes de pompes à chaleur dans 21 pays européens (Source : EHPA)
La transition énergétique s’accélère également grâce au stockage d’énergie (BESS), qui passera de 8,2 à 40 milliards USD entre 2022 et 2028. Objectif : pallier l’intermittence des sources solaire et éolienne.
FIGURE 3 : Synergie entre énergies renouvelables et véhicules électriques (Source : Arrow Electronics)
Domaines d’application du SiC et du GaN
Le SiC est privilégié dans les systèmes haute puissance : traction électrique (xEVs), onduleurs photovoltaïques, alimentations industrielles, test & mesure. D’autres cas d’usage incluent :
- Systèmes de stockage d’énergie (ESS)
- Contrôle moteur
- Transports lourds (bus, camions, trains, navires)
- Éolien et ferroviaire
- Disjoncteurs électroniques et générateurs à induction
FIGURE 4 : Applications typiques du SiC et du GaN selon le spectre de puissance (Source : Arrow Electronics)
| Substrat | Plage de tension | Fréquence de commutation |
|---|---|---|
| Silicium | 25 V à 1,7 kV | Faible à moyenne |
| GaN | 40 V à 650 V | Très élevée |
| SiC | 650 V à 3,3 kV | Moyenne à élevée |
Bonnes pratiques pour la conception avec le WBG
Avantages clés pour les concepteurs
Les dispositifs SiC et GaN permettent :
- La simplification des topologies
- L’utilisation de composants passifs miniaturisés
- La réduction des dissipateurs thermiques
- Une densité de puissance accrue
Même si leur coût unitaire est plus élevé, leur intégration permet de réduire significativement le coût global du système.
FIGURE 5 : Avantages système directs des technologies WBG (Source : Arrow Electronics)
Défis techniques à relever
Une approche holistique est essentielle : conception des drivers de grille, choix des composants passifs, et gestion thermique doivent être revus en profondeur.
Conception des drivers de grille
Les drivers doivent assurer vitesse et robustesse. Les MOSFETs SiC requièrent de -2 V à -5 V pour s’éteindre, tandis que les FETs GaN fonctionnent entre 3 et 4 V avec un seuil de commutation très bas (1-2 V). Une conception précise est indispensable pour éviter toute défaillance.
Les fabricants proposent désormais des solutions intégrées avec drivers pour réduire les inductances parasites et améliorer la fiabilité.
| Fabricant | Produit | Tension | Configuration |
|---|---|---|---|
| Infineon | Integrated Power Stage | Haute tension | Mono-interrupteur, demi-pont |
| Innoscience | SolidGaN | Basse à moyenne tension | — |
| STMicro | MasterGaN | Haute tension | Mono-interrupteur, demi-pont |
| onsemi | iGaN | Haute tension | Mono-interrupteur |
Exigences sur les composants passifs
Les hautes fréquences permettent de réduire la taille des passifs, mais leurs caractéristiques doivent être rigoureusement spécifiées :
| Composant | Spécifications requises |
|---|---|
| Condensateurs | MLCC ou film céramique, stabilité thermique |
| Inducteurs | Faibles pertes, EMI réduite, saturation élevée |
| Transformateurs | Noyau ferrite, isolation renforcée |
| Résistances | Haute tension, robustesse aux impulsions |
Maîtrise thermique
Malgré des pertes réduites, la densité de puissance élevée impose des méthodes avancées :
- Dissipateurs compacts
- Refroidissement liquide
- Matériaux thermiques de pointe
- Capteurs virtuels via jumeaux numériques
Conclusion
Les semi-conducteurs à large bande interdite comme le SiC et le GaN sont incontournables pour les convertisseurs de puissance de nouvelle génération. Leur adoption permet des gains notables en efficacité, compacité, et coût système. Toutefois, réussir leur intégration nécessite une conception orientée système, centrée sur les drivers, les composants passifs, et la gestion thermique.
Article original publié sur Power Electronics News.