Réduction des émissions de carbone du secteur des transports grâce aux modules de puissance

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

Dans le cadre des objectifs communs de réduction des émissions de carbone et de neutralité carbone, l’infrastructure ferroviaire revêt une importance stratégique pour la décarbonisation du secteur des transports. Cependant, de nos jours encore, de nombreuses rames de train diesel sont en service, surtout sur les lignes non électrifiées. En Europe (UE-27), ces lignes non électrifiées représentent 43 % des réseaux ferroviaires fédéraux.

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Récemment, les trains à batterie permettent un transport sans émissions de CO₂ même sur des lignes non électrifiées ou partiellement électrifiées. Pour ces trains à batterie, des convertisseurs en carbure de silicium (SiC) permettent d’augmenter l’efficacité du groupe motopropulseur et de récupérer plus d’énergie de freinage. Ainsi, le SiC est parfaitement adapté aux trains à batterie, augmentant l’autonomie, réduisant la taille de la batterie et diminuant les coûts d’exploitation.

Depuis de nombreuses années, Mitsubishi Electric a acquis de l’expérience sur le terrain avec les modules de puissance SiC dans les applications ferroviaires. Les premiers convertisseurs de traction avec les modules de puissance SiC hybrides de Mitsubishi ont été déployés en 2013. En 2015, le premier convertisseur de traction avec des modules de puissance Full-SiC a commencé son fonctionnement sur le terrain. En 2022, plus de 55 types de trains différents au Japon utilisent des onduleurs de traction SiC, principalement avec les modules de puissance SiC de Mitsubishi Electric.

En mai 2023, Mitsubishi Electric a annoncé la disponibilité de leur nouveau module de puissance SiC de 3,3 kV avec diode Schottky embarquée (SBD) et une capacité de courant de 800 A. L’intégration de la SBD permet le fonctionnement unipolaire pour éviter la dégradation bipolaire. De plus, cet appareil permet une réduction substantielle des pertes de commutation et une résistance thermique plus faible par rapport aux anciens modules de puissance SiC de 3,3 kV. Enfin, en juin 2024, Mitsubishi Electric a annoncé deux variantes supplémentaires de module de puissance avec SBD intégrée, évaluées pour 200 A et 400 A.

Cette famille de modules de puissance SiC récemment lancée, avec SBD intégrée, s’appelle Unifull. Elle est dédiée à l’utilisation de convertisseurs ferroviaires de pointe, qu’ils soient auxiliaires, à batterie ou de traction.

Performance Exceptionnelle

Les modules Unifull offrent une performance de commutation supérieure par rapport à leur précédente génération de modules SiC. Cela est réalisé grâce à une conception de puce optimisée, une vitesse de commutation accrue et un temps de retard de commutation réduit. Cela se traduit par une réduction de 67 % de l’énergie de commutation en comparant le Unifull FMF800DC-66BEW avec le prédécesseur FMF750DC-66A dans des conditions nominales. La technologie d’emballage des modules de puissance Unifull a été améliorée en utilisant un substrat en nitrure d’aluminium en combinaison avec un soudage à faible R_th pour réduire la résistance thermique entre la jonction et le boîtier, afin d’améliorer les performances thermiques.

Pour comparer les performances des nouveaux modules Unifull avec le module SiC prédécesseur FMF750DC-66A, une simulation a été réalisée en tenant compte des conditions de fonctionnement décrites dans la Figure 1. Il est observé que le FMF800DC-66BEW permet un courant de sortie plus élevé et donc une puissance de sortie plus élevée sur toute la plage de fréquence de commutation de la simulation par rapport au FMF750DC-66A. Par exemple, le courant de sortie peut être augmenté de 62 % en considérant une fréquence de commutation de 7 kHz et les conditions d’exploitation données. Alternativement, la fréquence de commutation pourrait être augmentée, par exemple, de 2 kHz à 7 kHz tout en maintenant le même courant de sortie. Ainsi, le nouveau Unifull FMF800DC-66BEW permet aux utilisateurs d’augmenter considérablement le courant de sortie ou la fréquence de commutation.

En comparant le nouveau module Unifull évalué à 400 A, FMF400DC-66BEW, dans les mêmes conditions de fonctionnement, les simulations montrent qu’il peut également surpasser le FMF750DC-66A grâce à sa performance de commutation supérieure. Ainsi, les utilisateurs pourraient envisager de remplacer le FMF750DC-66A par un module de puissance Unifull de 400 A.

Figure 1. Courant de sortie réalisable en fonction de la fréquence de commutation du module de puissance SiC Unifull et du module de puissance SiC de 3,3 kV de génération précédente. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Structure SBD intégrée pour éviter la dégradation bipolaire

La dégradation bipolaire fait référence à un mécanisme de dégradation indésirable dans les dispositifs SiC, dans lequel des défauts d’empilement se développent à partir de dislocations de plan basal. Cette expansion des défauts d’empilement est causée par des courants bipolaires. La dégradation bipolaire entraînera une augmentation de la résistance à l’état passant R_DS(on) du dispositif SiC. Cet effet est particulièrement crucial pour les dispositifs SiC à haute tension (c’est-à-dire, tension de blocage de 3,3 kV ou plus). En raison de la couche épitaxiale plus épaisse dans de tels dispositifs à haute tension, les défauts d’empilement peuvent compromettre une plus grande surface. Bien qu’un MOSFET SiC soit lui-même un dispositif unipolaire, sa diode de corps intrinsèque est un dispositif bipolaire. Par conséquent, le fonctionnement de la diode de corps doit être évité car son courant bipolaire peut entraîner une croissance des défauts d’empilement et une dégradation bipolaire.

Dans le passé, Mitsubishi Electric a abordé ce mécanisme de dégradation en montant des puces SiC Schottky Barrier Diode (SBD) unipolaires à côté des puces MOSFET SiC (cf. Figure 2 (a)). Puisque la tension directe de la SBD est considérablement inférieure à la tension de seuil de la diode du corps SiC, la SBD conduira le courant inverse, et le flux de courant bipolaire à travers la diode de corps du MOSFET est évité. Depuis le début, Mitsubishi Electric a utilisé cette méthode pour ses dispositifs SiC à haute tension. Aujourd’hui, nous voyons que l’efficacité de cette méthode a été prouvée par de nombreuses années d’opérations de terrain fiables dans des convertisseurs ferroviaires SiC.

Cependant, le montage de puces SBD supplémentaires occupe un espace précieux à l’intérieur du module de puissance. Néanmoins, il ne faut pas faire de compromis sur la qualité et la fiabilité de nos modules de puissance SiC. Par conséquent, Mitsubishi Electric a développé la puce MOSFET avec SBD intégrée.

La Figure 3 montre la structure de la puce d’un MOSFET SiC conventionnel en comparaison avec un MOSFET avec SBD intégrée. Dans la Figure 3 (b), il est évident que la SBD court-circuite la diode de corps. Cela empêche les courants bipolaires et, de ce fait, la dégradation bipolaire. De plus, il n’est pas nécessaire d’ajouter des puces SiC SBD dédiées. Cela fait également gagner de l’espace précieux à l’intérieur du module de puissance.

Figure 2. (a) Puce MOSFET conventionnelle et puce SBD en parallèle (b) Puce MOSFET Unifull avec SBD intégrée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Figure 3. (a) MOSFET SiC conventionnel avec diode de corps intrinsèque (b) MOSFET Unifull avec SBD intégrée et diode de corps désactivée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Amélioration du courant de surtension avec les cellules BMA

En cas de défaillance du convertisseur, un courant de surtension élevé peut circuler à travers les dispositifs semiconducteurs de puissance pendant une courte période. La perte énergétique excessive due à ce courant exceptionnellement élevé et l’augmentation de température qui en résulte peuvent entraîner la défaillance d’un dispositif. Par conséquent, la capacité de courant de surtension du dispositif est un paramètre clé pour la fiabilité du module.

Il est connu que la connexion de plusieurs puces MOSFET avec SBD intégrée en parallèle sauf que cela conduit à une capacité de courant de surtension inférieure par rapport à la capacité combinée attendue de toutes les puces parallèles en raison d’un phénomène d’accumulation de courant à une seule puce. Afin d’augmenter la capacité de courant de surtension de la technologie MOSFET avec SBD intégrée, Mitsubishi Electric a développé une nouvelle structure appelée cellules d’activation en mode bipolaire (cellules BMA) pour améliorer la capacité de courant de surtension.

Dans un scénario normal de courant de surtension pour les puces MOSFET avec SBD intégrée sans les cellules BMA, le courant de surtension augmenterait lentement au niveau de la SBD intégrée. Ce flux de courant unipolaire initial I_sd a provoqué une augmentation de tension V_sd basée sur les caractéristiques de la SBD. Cependant, avec l’augmentation du courant de surtension et donc de la chute de tension, la diode bipolaire parasitaire de la puce correspondante sera activée après que sa tension de seuil a été atteinte.

Cela entraînera un flux de courant bipolaire pendant l’événement de courant de surtension, provoquant une modulation de conductivité dans la région de dérive due à l’injection de porteurs minoritaires et, par conséquent, à une diminution de la tension de V_sd, comme on le voit dans la Figure 4 (a). Le point de transition de tension d’un flux de courant unipolaire à un flux de courant bipolaire est défini comme la tension de snapback V_snap et peut varier entre différentes puces en fonction de leur largeur de SBD. Dans un cas exemplaire de 4 puces connectées en parallèle (cf. Figure 4 (b)), la puce A possède une V_snap plus basse par rapport aux 3 autres puces appelées B. Le courant bipolaire commencera à circuler au niveau de la puce A à la V_snap la plus faible en raison de sa résistance plus faible par rapport aux autres puces qui n’ont pas encore atteint leur tension de V_snap. Par conséquent, la puce A prend en charge l’ensemble du courant de surtension, ce qui entraîne un phénomène d’accumulation de courant. Ainsi, la capacité globale de courant de surtension est uniquement déterminée par la capacité de courant de surtension d’une seule puce avec la plus basse V_snap. Malheureusement, la V_snap varie déjà d’environ 1 V lorsque la largeur de la SBD varie juste de 0,1 µm. En raison du processus de fabrication et de ses tolérances, il est très difficile de produire des puces avec une V_snap uniforme parmi toutes les puces, entraînant une capacité globale de courant de surtension faible d’un module MOSFET avec SBD intégrée normal.

Figure 4. (a) Courant de source-drain I_sd et tension de source-drain V_sd sous condition de courant de surtension ; (b) Exemple de quatre puces SBD-MOSFET connectées en parallèle ; (c) Caractéristique I_sd vs V_sd de l’exemple. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Grâce à la nouvelle structure de cellule BMA, les tolérances dans la V_snap entre les puces connectées en parallèle peuvent être compensées. En remplissant partiellement une zone SBD intégrée avec un corps, une diode pn est créée à la place d’une SBD normale. Cette cellule BMA est illustrée dans la Figure 5 (a). En cas d’un événement de courant de surtension, le courant circulera initialement à travers les cellules SBD voisines sous forme de courant unipolaire. Lorsque le courant d’anomalie atteindra un certain niveau, les cellules BMA deviendront actives. En raison du flux de courant bipolaire à travers la cellule BMA, les porteurs minoritaires provoqueront une modulation de conductivité de la couche de dérive à la cellule BMA et à proximité en raison de la diffusion des porteurs à l’intérieur de la cellule. Ainsi, la résistance de la couche de dérive des cellules SBD adjacentes près de la cellule BMA diminuera en raison de la modulation de conductivité, ce qui conduira à une densité de courant plus élevée au niveau de la région JFET des cellules adjacentes. Par conséquent, la tension appliquée à la région JFET et donc, la tension à la diode de corps parasitaire de la cellule, augmentera jusqu’à atteindre sa tension de seuil, entraînant l’activation du flux de courant bipolaire de la cellule. L’activation du flux de courant bipolaire dans la cellule SBD entraînera à nouveau l’activation du flux de courant bipolaire des cellules SBD adjacentes suivant le même principe, entraînant une propagation de l’opération bipolaire à toutes les cellules. Cela est montré dans la Figure 5 (b). Ainsi, la cellule BMA permet de stabiliser la V_snap et permet à toutes les cellules de prendre en charge le courant de surtension grâce à la propagation bipolaire au lieu de l’accumulation de courant sur une seule puce.

La courbe de Weibull dans la Figure 6 (a) montre qu’en utilisant la technologie de cellule BMA, les MOSFET SiC avec SBD intégrée peuvent atteindre une capacité de courant de surtension similaire à celle des MOSFET SiC habituels fonctionnant avec diode de corps. De plus, la comparaison de la surface de la puce après un test de courant de surtension avec et sans cellules BMA est montrée dans la Figure 6 (b). En l’absence des cellules BMA, la défaillance est concentrée sur une seule puce qui a la plus faible Vsnap. Cependant, les puces avec cellules BMA montrent des dommages sur toutes les puces, indiquant une distribution plus uniforme du courant de surtension. Par conséquent, le concept des cellules BMA a été prouvé comme prévu. Pour atteindre l’amélioration de la capacité de courant de surtension, il a été démontré qu’utiliser 0,2 % de la zone active pour la cellule BMA est déjà suffisant.

Figure 5. (a) Vue en coupe de la cellule BMA ; (b) Cellule BMA durant un événement de courant de surtension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Figure 6. (a) Courbe de Weibull des résultats de mesure de courant de surtension ; (b) Puces défaillantes après évaluation de la capacité de courant de surtension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

La cellule BMA est uniquement active lors d’événements irréguliers pour améliorer la capacité de courant de surtension. En revanche, en fonctionnement normal, la cellule BMA ne s’active pas, de sorte qu’aucun courant bipolaire ne circule à travers les diodes de corps parasitaires, et donc, aucun risque de dégradation bipolaire ne se produit.

Rugosité accrue contre la dégradation bipolaire

Pour valider la robustesse des nouveaux modules de puissance Unifull contre la dégradation bipolaire, un test de courant de surtension répétitif a été réalisé, dans lequel 50 impulsions de surtension avec une densité de courant de pointe d’environ 550 A/cm² pendant 10 ms ont été appliquées à différentes puces MOSFET. Par la suite, le dispositif fonctionne en « fonctionnement normal » pendant une semaine pour permettre les expansions de défauts d’empilement. « Fonctionnement normal » dans ce cas signifie une fréquence de commutation de 10 kHz, un temps de mort de 1 µs, une densité de courant de 100 A/cm² à 150 °C.

Pour examiner l’impact de la dégradation bipolaire durant ces événements de courant de surtension, le rapport relatif ΔR_ON de R_ON avant et après un test de courant de surtension excessif a été évalué. Ce rapport peut être corrélé directement à la surface d’expansion des défauts d’empilement. La Figure 7 illustre la fréquence cumulative du rapport ΔR_ON après un test de courant de surtension répétitif combiné avec un fonctionnement normal. Dans les conditions données, le MOSFET conventionnel atteint déjà une augmentation de R_ON de 20 % avec une probabilité d’environ 1 %. En revanche, la probabilité que le MOSFET avec SBD intégrée subisse une augmentation de R_ON de 10 % est d’environ 10-11.

Encore une fois, cela souligne clairement la fiabilité supérieure du MOSFET SiC Unifull avec SBD intégrée par rapport à un MOSFET conventionnel.

Figure 7. Fréquence cumulative d’augmentations de R_ON après un fonctionnement répétitif de courant de surtension et une semaine de fonctionnement normal. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Robustesse à l’humidité

Particulièrement pour les applications ferroviaires, il existe une préoccupation légitime concernant l’opération à forte humidité. Étant donné que les modules de puissance ne sont pas hermétiquement scellés, de la vapeur pourrait diffuser à l’intérieur du module de puissance et atteindre éventuellement la proximité des puces électroniques de puissance. Cela pourrait entraîner une dégradation et une défaillance inattendue du dispositif sur le terrain.

Il a été pour objectif d’un groupe de travail ECPE (composé de grands fabricants de puissance, de concepteurs de convertisseurs ferroviaires et d’utilisateurs) d’évaluer le risque d’humidité élevée et de développer un schéma de test pour confirmer la robustesse à l’humidité des semiconducteurs de puissance. La directive ECPE PSRRA 01 a été publiée, avec le schéma de test HV-H3TRB qui l’accompagne.

Selon cette directive, le FMF800DC-66BEW a été testé à une température de 85 °C et 85 % d’humidité relative pendant 2000 heures. Bien que la directive ECPE exige une tension de drain-source de 1950 V, nous avons effectué le test avec 2100 V pour confirmer notre large marge de qualité. Les résultats du test, présentés dans la Figure 8, montrent qu’il n’y a pas d’augmentation du courant de fuite durant la période de test de 2000 heures. De plus, nous avons confirmé la stabilité des caractéristiques électriques du dispositif après le test. Ces résultats de test confirment l’excellente robustesse à l’humidité des nouveaux modules de puissance SiC Unifull.

Figure 8. Confirmation de la robustesse à l’humidité selon le test HV-H3TRB. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

La famille de produits Unifull dispose de la technologie de puces SiC haute tension de troisième génération de Mitsubishi Electric dans un emballage standardisé LV100 avec une tension d’isolement de 6 kV. Grâce à la conception symétrique et à faible inductance de l’emballage, une utilisation optimale de la technologie SiC est assurée.

La Figure 9 montre la gamme de la famille de produits Unifull. Les modules Unifull sont disponibles pour une tension de blocage de 3,3 kV pour des capacités de courant allant de 200 A à 800 A. Les applications ciblées pour ce groupe de produits incluent particulièrement des applications avec de fortes exigences en matière de performance et de fiabilité. Cela comprend les convertisseurs auxiliaires ainsi que les convertisseurs de traction à faible et haute puissance dans des applications ferroviaires.

Figure 9. Famille de produits Unifull. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Électrification des chemins de fer

Aujourd’hui, 43 % des lignes ferroviaires européennes ne sont pas électrifiées. Étant donné que les trains diesel ne seront plus utilisés à l’avenir, les trains à batterie constituent une solution pour décarboniser davantage le secteur des transports. Pour de telles applications, les modules de puissance SiC Unifull de 3,3 kV offrent des pertes de commutation considérablement réduites et une résistance thermique inférieure. Cela permet aux convertisseurs de puissance d’avoir une densité de puissance plus élevée et une efficacité accrue. La robustesse de ces dispositifs a été confirmée contre la dégradation bipolaire et l’exploitation à haute humidité.

Les modules de puissance SiC Unifull de 3,3 kV peuvent également être utilisés dans d’autres applications qui exigent les normes les plus élevées en matière d’efficacité, de densité de puissance et de fiabilité.

Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est coécrit par Nils Soltau, D. He, Mitsubishi Electric Europe B.V., Allemagne, et R. Tsuda, S. Yamamoto, Mitsubishi Electric Corporation, Japon.