L’un des avantages les plus importants du SiC dans les conceptions industrielles est sa capacité à bien fonctionner à des températures élevées sans fuite excessive de porteurs. Pour maximiser le potentiel du SiC dans les conceptions nécessitant une compatibilité haute température, il est important de comprendre comment les dispositifs réagissent dans des conditions qui impactent leur performance et leur efficacité.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Le carbure de silicium (SiC) présente de nombreux avantages par rapport aux technologies de traitement du silicium traditionnel dans l’électronique de puissance. Il combine une mobilité électronique plus élevée avec une bande interdite plus large et une meilleure conductivité thermique. Grâce à ces propriétés, les dispositifs SiC exhibent une résistance en état passant (Rds(on)) plus faible comparée aux dispositifs en silicium de qualifications similaires. En plus d’une mobilité de porteurs plus élevée, cette résistance acheminée plus faible est assistée par la très grande force de champ de rupture offerte par le SiC par rapport au silicium. Cette propriété permet une couche de dérive plus mince dans la structure du dispositif.
Peut-être que l’avantage le plus important du SiC pour de nombreuses conceptions industrielles, que d’autres technologies ne peuvent pas facilement aborder, est sa capacité à bien fonctionner à des températures élevées sans fuite excessive de porteurs. Un contributeur majeur à cela est la concentration intrinsèque de porteurs plus faible du SiC. Cependant, pour maximiser le potentiel du SiC dans les conceptions nécessitant une compatibilité haute température, il est important de comprendre comment les dispositifs réagissent dans des conditions qui impactent leur performance et leur efficacité.
Les ingénieurs de SemiQ ont mené des tests approfondis démontrant le comportement des MOSFETs sur l’ensemble de la plage de températures. Ces tests fournissent des points de données importants qui indiquent comment exploiter au mieux les propriétés thermiques et électriques du SiC.
Les tests sont effectués jusqu’à la fabrication pour les modules MOSFET SiC 1.2 kV de QSIC, avec toutes les pièces testées à 1.4 kV pour assurer la fiabilité. Pour garantir une tension de seuil de grille stable et une qualité d’oxyde de grille pour chaque module, SemiQ mène des tests de rodage de grille au niveau de la tranche. En plus des tests de rodage, divers tests de stress, y compris le stress de grille, le stress de drain en polarisation inverse à haute température (HTRB), ainsi que le test combiné de stress en haute humidité, haute tension et haute température (H3TRB), sont utilisés pour garantir que les pièces sont conformes aux normes de qualité automobile et industrielle.
Dans le travail de caractérisation des dispositifs SiC de la société, SemiQ a montré comment les coefficients de température négatifs et positifs de la résistance en état passant sur l’ensemble des plages de températures de fonctionnement peuvent influencer les décisions de conception lorsque la fiabilité maximale est nécessaire. La société a effectué des expériences sur son MOSFET SiC 1.2 kV dans un four calibré utilisant l’analyseur de dispositifs de puissance Keysight B1505A. Pour s’assurer que les effets de la température ambiante étaient clairement montrés, les expériences ont été menées seulement après qu’un temps suffisant se soit écoulé depuis la mise à température cible du four pour que les dispositifs chauffent ou refroidissent au niveau correct. Pendant les expériences, l’auto-échauffement a été atténué en utilisant des largeurs d’impulsions courtes et de faibles cycles de service.
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Les expériences ont démontré qu’autour de la température ambiante, le RDS(on) d’un MOSFET SiC atteint son minimum. En dessous de cette température, la résistance peut augmenter de manière spectaculaire en fonction de la tension appliquée entre la grille et la source. Des tensions plus faibles augmentent la sensibilité à la température, augmentant la température à laquelle le coefficient de température passe vers le positif.
Le coefficient de température négatif en dessous de la température ambiante a des implications pour les dispositifs fonctionnant en parallèle. Si le système commence à fonctionner à basse température ambiante, l’effet peut conduire l’un des dispositifs à passer beaucoup plus de courant et à surcharger en raison d’une défaillance thermique. Cependant, augmenter la tension grille-source à environ 18 V-20 V réduit le coefficient et augmente le risque de développement d’un déséquilibre.
Bien que la tension de seuil ait tendance à diminuer avec l’augmentation de la température, grâce à la réduction de la tension de bande interdite, le maintien d’une haute tension grille-source est important pour la performance globale du dispositif. Cela est vrai même à des températures plus élevées. Les expériences montrent que le courant de drain tend à diminuer avec la température. Plusieurs facteurs contribuent à cette réponse. La mobilité des porteurs change avec la température, et la bande interdite se réduit, ce qui impacte la concentration intrinsèque de porteurs. Cela conduit également à une baisse de la tension de seuil dépendante de la température.
Figure 1. Résistance normalisée en état passant vs. température. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Cependant, les MOSFETs SiC continueront à améliorer de manière significative le RDS(on) lorsque la tension grille-source augmente. Bien que 10 V soit au-dessus de la tension de seuil typique d’un MOSFET SiC, les pertes par conduction à ce niveau entraîneraient très probablement une défaillance thermique du dispositif. Fonctionner à 20 V ou plus offre une meilleure performance globale. Lorsque le dispositif est éteint, en raison de la dépendance de la tension de seuil à la température, la recommandation de SemiQ est de maintenir une polarisation de grille de -5 V. Cette faible tension empêche les effets de mise sous tension parasitaire non intentionnés et assure un comportement correct à des températures aussi élevées que 175°C où la tension de seuil peut chuter à seulement 1,8 V par rapport à son niveau typique autour de 3 V.
À des températures élevées, le coefficient positif des MOSFETs SiC augmente les pertes par conduction. Cependant, il peut également être important de considérer l’impact du courant de drain, qui peut substantiellement affecter les pertes. Typiquement, la résistance en état passant augmente avec le courant de drain. Elle augmente d’environ 50 % de 20 A à 120 A. Combinée à l’augmentation de la résistance avec la température, cela peut mener à une résistance de moins de 40 mΩ pour le MOSFET SiC 1.2 kV de SemiQ à environ 140 mΩ à 175°C en passant un courant de 120 A. Les concepteurs de circuits peuvent choisir de faire fonctionner les dispositifs en parallèle pour passer moins de courant à travers chaque dispositif où la résistance en état passant doit être maintenue aussi basse que possible.
La figure 2 illustre la relation entre la résistance en état passant et le courant de drain à travers une plage de températures (-55°C, 25°C, 125°C, et 175°C). À -55°C et 25°C, le dispositif présente des résistances en état passant plus faibles et une variabilité réduite comparée à celles observées à 125°C et 175°C. Typiquement, les MOSFETs SiC montrent un coefficient de température négatif (NTC) à des températures plus basses jusqu’à atteindre un seuil spécifique, puis passent à un coefficient de température positif (PTC).
Figure 2. Résistance en état passant vs. courant de drain pour diverses températures. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
L’effet de la diode de corps sur le comportement de commutation est une autre zone où les concepteurs de circuits peuvent se concentrer pour tirer pleinement parti des propriétés du SiC et utiliser des fréquences de commutation plus élevées. Un effet de la diode de corps est le courant de récupération inverse, causé par les porteurs de charge minoritaires étant éliminés de la diode de corps du MOSFET lorsque le dispositif est remis sous tension. Ce courant de récupération inverse est traduit en pertes d’énergie, affectant directement l’efficacité du convertisseur de puissance. La tension directe de la diode de corps dans les dispositifs SiC est également plus élevée que celle du silicium. Pour cette raison, il est important d’éviter d’utiliser la diode de corps en dehors du temps mort dans le cycle de commutation pour minimiser les pertes.
Cependant, par rapport aux dispositifs à base de silicium conventionnel, ceux construits sur des processus SiC exhibent des temps de récupération courts lorsque les dispositifs sont éteints. Cette réduction offre l’occasion d’augmenter la fréquence de commutation. Cela permet à son tour aux concepteurs d’utiliser des composants passifs externes plus petits dans la circuiterie de support, ce qui aide à réduire le volume et les coûts des convertisseurs de puissance.
Un test à double impulsion (DPT) fournit un aperçu précieux des performances détaillées de mise sous tension et de mise hors tension. Le DPT allume et éteint le transistor à différents niveaux de courant. En ajustant les temps de commutation, les formes d’onde peuvent être observées sur toute la plage des conditions de fonctionnement. Utiliser deux impulsions est important car cela permet l’évaluation du courant de récupération inverse. D’autres effets incluent la résonance causée par de hauts changements de courant dans le temps (di/dt) qui interagissent avec les inductances et les capacités parasites dans le dispositif qui peuvent former des circuits résonnants LC.
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Figure 3. (a) Formes d’onde de commutation Vds et Ids en mise sous tension à 25°C et 175°C (b) (a) Formes d’onde de commutation Vds et Ids en mise hors tension à 25°C et 175°C pour GP2T040A120J avec une tension de bus DC de 800 V, un courant de charge de 40 A, et en utilisant une résistance de grille externe de 4,3 Ω mΩ. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
SemiQ a effectué des tests sur des dispositifs dans des boîtiers TO-263-7L pour étudier les effets de la température sur ce comportement. Dans cette configuration de test, seul le dispositif à tester était soumis à la chaleur, et des pads montés en surface étaient utilisés pour le connecter au PCB. Un radiateur externe à clipser calibré a été utilisé pour maintenir une température contrôlée.
Les tests montrent que le temps de récupération inverse tend à augmenter avec la température. Cela conduit à des pertes de mise sous tension qui montrent une tendance à la hausse à des températures élevées. Cependant, les pertes de mise hors tension restent relativement constantes. Les tests ont également montré que les formes d’onde de mise sous tension présentent plus de résonance que les formes d’onde de mise hors tension. Bien que la mise hors tension implique un changement rapide de tension, les éléments parasitaires peuvent ne pas former un circuit résonnant LC aussi fort pendant cette phase, conduisant à une résonance relativement plus faible. Le résultat est que les conceptions de circuits qui se concentrent sur la réduction des effets de la diode de corps et de la résonance, que les amortisseurs peuvent faciliter, sont les plus importantes pendant la phase de mise sous tension, surtout si le dispositif est censé fonctionner en haut de la plage de températures.
Bien qu’il y ait souvent une marge de sécurité établie par les fabricants de dispositifs pour garantir que les MOSFETs peuvent supporter leur tension de rupture nominale, les tests ont montré que cette tension augmente avec la température. En prenant comme exemple un MOSFET SiC 1.2 kV, ce dispositif démontre une tension de rupture d’au moins 1520 V à −50°C, augmentant à 1570 V à 150°C. Bien que le courant de fuite de drain ait également tendance à augmenter avec la température, principalement causé par la génération thermique de porteurs, le coefficient de température positif de la tension de rupture masque cet effet en pratique.
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Figure 4. Résultats des tests HTRB à 175°C et 1300V en polarisation inverse. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
L’étude minutieuse du comportement du MOSFET SiC 1.2 kV fournit des informations précieuses sur les caractéristiques statiques et dynamiques de ce type de dispositif. Pour les concepteurs cherchant à tirer parti de la capacité du SiC à gérer une fréquence de commutation plus élevée du convertisseur de puissance, il est important de considérer les pertes dépendantes de la température. Les pertes de mise sous tension montrent une tendance à la hausse à des températures élevées, mais les pertes de mise hors tension restent relativement constantes. En prêtant attention à ces différences, les concepteurs peuvent compenser ces effets et tirer pleinement parti des améliorations d’efficacité rendues possibles par la technologie SiC, comme démontré par les modules MOSFET SiC 1.2 kV de la société.
Soutenus par plus de 54 millions d’heures de tests de stress HTRB et H3TRB, les modules permettent une efficacité de conversion de puissance aussi élevée que 98%, ce qui aide à améliorer la stabilité thermique et à renforcer la fiabilité. Ces avantages rendent les modules SiC idéaux pour une gamme d’applications, y compris les alimentations pour les équipements de puissance en courant continu, les onduleurs, les entraînements de moteurs, les stations de recharge de véhicules électriques, et bien plus encore.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].