Composants de puissance SiC vs GaN : les principales différences

Le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) sont deux semi-conducteurs à large bande interdite qui surpassent le silicium en conversion de puissance : ils supportent des champs plus élevés, commutent plus vite et perdent moins d'énergie. En pratique, le critère de choix est la tension. Le SiC s'impose pour les systèmes haute tension et forte puissance comme les onduleurs de véhicules électriques, tandis que le GaN excelle aux tensions plus basses et aux fréquences de commutation très élevées, comme dans les chargeurs rapides compacts.

CritèreSiCGaN
Bande interditeEnviron 3.3 eV (4H-SiC), contre 1.12 eV pour le siliciumEnviron 3.4 eV
Champ électrique critiqueEnviron dix fois celui du siliciumEnviron dix fois celui du silicium
Conductivité thermiqueÉlevée, environ trois fois celle du silicium, ce qui facilite le refroidissementComparable à celle du silicium, inférieure à celle du SiC
Composant typiqueMOSFET verticaux et diodes SchottkyHEMT latéraux utilisant un gaz d'électrons bidimensionnel comme canal
Plage de tension typiqueD'environ 650 V à 3.3 kV, et au-delàPrincipalement jusqu'à environ 650 V
Fréquence de commutationÉlevée (de quelques dizaines à quelques centaines de kHz)Très élevée (de quelques centaines de kHz jusqu'au MHz)
Substrat et wafersLes wafers SiC sont coûteux et difficiles à faire croîtreGénéralement épitaxié sur wafers de silicium (GaN-on-Si), moins cher et compatible avec les usines silicium ; le GaN-on-SiC est utilisé en RF
Difficultés de conceptionFiabilité de l'oxyde de grille et besoin d'une tension de commande de grille plus élevéeIl faut éviter le comportement normally-on, et la grille ne tolère qu'une faible excursion de tension
Usages typiquesOnduleurs de traction pour véhicules électriques, chargeurs embarqués, onduleurs solaires, variateurs de moteurs industriels, ferroviaireChargeurs rapides et adaptateurs compacts, alimentations de data centers, amplificateurs RF 5G

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

SiC
Lorsque la tension et la puissance sont élevées et que le rendement et la chaleur comptent : onduleurs de véhicules, systèmes de puissance solaires et industriels.
GaN
Lorsque la tension est modérée et que l'on veut des convertisseurs petits, légers et très efficaces à haute fréquence de commutation : chargeurs, adaptateurs, alimentations de serveurs.
Dans les deux cas
Les deux exigent des précautions à haute vitesse de commutation, car les fronts rapides provoquent des oscillations et du bruit. Le routage et la commande de grille comptent autant que le composant.

Questions fréquentes

Lequel est le meilleur, le SiC ou le GaN ?

Aucun n'est meilleur dans l'absolu. Le SiC convient aux hautes tensions et fortes puissances, comme les onduleurs de véhicules électriques, tandis que le GaN convient aux tensions plus basses et aux fréquences de commutation très élevées, comme les chargeurs compacts.

Pourquoi le SiC et le GaN sont-ils meilleurs que le silicium pour les composants de puissance ?

Tous deux ont une bande interdite plus large et un champ électrique critique environ dix fois supérieur à celui du silicium : ils supportent donc des tensions plus élevées, commutent plus vite et perdent moins d'énergie.

Pourquoi le GaN sur silicium est-il moins cher que le SiC ?

Les composants de puissance GaN sont généralement épitaxiés sur des wafers de silicium, bon marché et compatibles avec les usines silicium existantes. Les wafers SiC sont coûteux et difficiles à faire croître.

Lequel gère le mieux la chaleur, le SiC ou le GaN ?

Le SiC. Sa conductivité thermique est environ trois fois celle du silicium, tandis que celle du GaN est comparable à celle du silicium.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la principale raison pour laquelle le SiC (carbure de silicium) est plus avantageux que le Si pour les composants de puissance haute tension ?

  1. ASon champ de claquage est environ 10 fois plus élevé que celui du Si
  2. BSa bande interdite est plus petite que celle du Si
  3. CSes plaquettes sont moins chères que celles du Si et leur diamètre s'agrandit plus facilement
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Réponse : A. Son champ de claquage est environ 10 fois plus élevé que celui du Si

Le SiC a une grande bande interdite, d'environ 3,3 eV, et un champ de claquage environ 10 fois supérieur à celui du Si (environ 3 MV/cm). Pour une même tenue en tension, la couche de dérive peut être environ 10 fois plus mince et environ 100 fois plus dopée, si bien que sa résistance est théoriquement divisée par plusieurs centaines. Sa conductivité thermique, environ 3 fois celle du Si, le rend résistant aux hautes températures, et son adoption s'étend notamment aux onduleurs de VE. En revanche, ses plaquettes sont plus chères que celles du Si, et le passage aux grands diamètres (8 pouces) est encore en cours.

Comment désigne-t-on collectivement les semi-conducteurs dont la bande interdite est plus grande que celle du silicium, comme le SiC et le GaN ?

  1. ASemi-conducteurs à large bande interdite
  2. BSemi-conducteurs à bande interdite étroite
  3. CSemi-conducteurs amorphes
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Réponse : A. Semi-conducteurs à large bande interdite

Les semi-conducteurs dont la bande interdite atteint environ 3 eV ou plus sont dits à large bande interdite ; le SiC (environ 3,3 eV) et le GaN (environ 3,4 eV) en sont les représentants. Leur champ de claquage élevé et leur faible densité de porteurs intrinsèques leur permettent de fonctionner à haute température ; ils servent aux composants de puissance haute tension à faibles pertes et aux composants haute fréquence. Le Ga2O3 (environ 4,8 eV) et le diamant (environ 5,5 eV), encore plus larges, sont appelés semi-conducteurs à ultra-large bande interdite.

Quel est le principal avantage de l'utilisation de composants de puissance SiC dans l'onduleur d'un véhicule électrique ?

  1. AIls sont toujours moins chers que le silicium
  2. BLeurs faibles pertes allongent l'autonomie et permettent de réduire la taille du système de refroidissement
  3. CLe moteur devient inutile
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Réponse : B. Leurs faibles pertes allongent l'autonomie et permettent de réduire la taille du système de refroidissement

Les composants SiC ayant une faible résistance à l'état passant, de faibles pertes par commutation et une bonne tenue en température, ils réduisent les pertes de l'onduleur d'un VE. Moins de pertes signifie une autonomie allongée de quelques % à environ 10 % avec la même batterie, ainsi qu'un refroidissement et un onduleur plus compacts et plus légers. Leur diffusion s'est accélérée depuis leur adoption à grande échelle dans la Tesla Model 3 en 2018, et l'effet est particulièrement important avec les batteries haute tension de classe 800 V. Leur défaut est un coût supérieur à celui des IGBT Si.

  1. Quel problème exige particulièrement des contre-mesures lors de la commutation rapide de composants de puissance SiC ou GaN ?
  2. Pourquoi le GaN convient-il aux transistors haute fréquence et forte puissance ?
  3. Quelle structure la plupart des composants de puissance GaN actuellement répandus adoptent-ils ?

Questions d'entraînement sur Semi-conducteurs de puissance

Termes clés expliqués

SiC (carbure de silicium)
Semi-conducteur à large bande interdite d'environ 3,3 eV. Son champ de claquage élevé en fait un matériau de choix pour les composants de puissance haute tension et à faibles pertes.
GaN (nitrure de gallium)
Semi-conducteur composé III-V dont la bande interdite est d'environ 3,4 eV. Utilisé pour les LED bleues et les composants haute fréquence et de puissance.
Semi-conducteur à large bande interdite
Semi-conducteur dont la bande interdite est plus large que celle du silicium, comme SiC ou GaN. Champ de claquage élevé, adapté au fonctionnement à haute tension et haute température.
MOSFET de puissance
MOSFET conçu pour supporter des courants et des tensions élevés. Commutation rapide ; très utilisé dans les circuits d'alimentation.

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