Qu'est-ce que Semi-conducteur de puissance (composant de puissance) ?
Composant semi-conducteur qui commute des tensions élevées et de forts courants pour convertir et commander l'énergie électrique. On parle aussi de composant de puissance. Les principaux types sont les diodes, les MOSFET de puissance, les IGBT et les thyristors, en Si, SiC ou GaN.
Nom japonais: パワー半導体
« Semi-conducteur de puissance (composant de puissance) » apparaît dans 52 questions d'entraînement réparties sur 14 thèmes, dont Semi-conducteurs de puissance, Croissance épitaxiale, Industrie et marché des semi-conducteurs.
Différences avec les circuits intégrés logiques et mémoire
Les semi-conducteurs de puissance (composants de puissance) sont les composants semi-conducteurs qui convertissent et commandent l'énergie électrique. Dans le redressement de l'alternatif en continu, dans l'onduleur qui transforme le continu en alternatif, dans le convertisseur DC-DC qui change la tension et dans la commande des moteurs, ils servent d'interrupteurs qui établissent et coupent le courant. Les circuits intégrés logiques et mémoire traitent de petits signaux sous des tensions d'alimentation d'environ 1 V et ont gagné en densité grâce à la miniaturisation. Les semi-conducteurs de puissance, eux, supportent en ordre de grandeur des tensions de quelques dizaines de volts à plusieurs kilovolts et des courants de quelques ampères à des milliers d'ampères. Bloquer une tension élevée exige une couche de dérive épaisse et faiblement dopée ; c'est pourquoi la plupart ont une structure verticale, où le courant circule de la face avant de la puce vers sa face arrière. Ils sont vendus comme semi-conducteurs discrets, avec un composant par boîtier, ou comme modules de puissance qui associent plusieurs puces sur un substrat isolant pour supporter de forts courants.
Principaux types de composants
Les diodes n'ont pas de borne de commande et servent au redressement et, dans les onduleurs, à faire circuler le courant de roue libre ; outre la diode à jonction pn, il existe la diode Schottky, qui n'a presque pas de recouvrement inverse. Les MOSFET de puissance ne conduisent qu'avec des porteurs majoritaires et commutent donc vite ; en silicium, ils sont surtout utilisés jusqu'à quelques centaines de volts dans les alimentations. Les IGBT sont des composants bipolaires commandés par une grille MOS, dont la modulation de conductivité maintient une faible tension à l'état passant même à haute tension de blocage ; en silicium, ils sont l'interrupteur principal entre environ 600 V et 6,5 kV dans les onduleurs de véhicules électriques, la traction ferroviaire et les entraînements de moteurs industriels. Les thyristors sont des composants pnpn à quatre couches qui, une fois amorcés par la gâchette, restent passants jusqu'à ce que le courant tombe sous le courant de maintien ; ils servent à la commande de phase en alternatif et à la conversion de très hautes tensions et de très forts courants, comme dans le transport d'électricité en courant continu haute tension (HVDC).
Matériaux : Si, SiC et GaN
Le silicium (Si) reste le matériau le plus utilisé, grâce à de grandes plaquettes et à une fabrication mature et peu coûteuse. Le carbure de silicium (SiC, bande interdite d'environ 3,3 eV) et le nitrure de gallium (GaN, environ 3,4 eV) sont des semi-conducteurs à large bande interdite dont le champ de claquage est environ dix fois celui du silicium : la même tension peut donc être bloquée par une couche de dérive plus mince et plus dopée, ce qui réduit fortement la résistance à l'état passant et les pertes de commutation. Le SiC est surtout utilisé sous forme de MOSFET et de diodes Schottky à partir de la classe 600 V, dans les onduleurs de véhicules électriques, les chargeurs rapides et les onduleurs photovoltaïques. La plupart des composants GaN sont des HEMT latéraux sur substrat de silicium, utilisés jusqu'à quelques centaines de volts là où la commutation rapide est un atout, comme dans les adaptateurs secteur compacts et les alimentations de serveurs.
Pertes et principales applications
Les pertes se répartissent en pertes par conduction, dues à la chute de tension à l'état passant, et en pertes de commutation, dues au chevauchement de la tension et du courant à chaque transition. Les pertes par conduction valent le carré du courant multiplié par la résistance à l'état passant pour un MOSFET, et environ la tension à l'état passant multipliée par le courant pour un IGBT ou une diode ; les pertes de commutation valent l'énergie perdue à chaque transition multipliée par la fréquence de commutation. Toutes ces pertes deviennent de la chaleur : des boîtiers à faible résistance thermique et un bon refroidissement sont donc indispensables pour maintenir la température de jonction sous sa valeur nominale (typiquement 150 à 175 °C pour le silicium). Les principales applications sont les onduleurs de traction et les chargeurs embarqués des véhicules électriques et hybrides, les alimentations à découpage des PC et des serveurs, la traction ferroviaire, les onduleurs des appareils ménagers comme les climatiseurs, les entraînements de moteurs industriels, la conversion de l'énergie solaire et éolienne, et les installations de transport d'électricité.
S'entraîner : questions sur Semi-conducteur de puissance (composant de puissance)
ASon champ de claquage est environ 10 fois plus élevé que celui du Si
BSa bande interdite est plus petite que celle du Si
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 au milieu des années 2020.
CUniquement les pertes dues au courant de fuite en veille
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Réponse : B. Les pertes par commutation
Les pertes par commutation naissent de la présence simultanée de tension et de courant à l'instant de la commutation et valent « pertes par commutation unitaire × fréquence de commutation ». Multiplier la fréquence par 10 multiplie ces pertes par 10. Les pertes par conduction, en revanche, valent I²R pendant l'état passant pour un MOSFET, ou environ tension de saturation × courant pour un IGBT, et ne dépendent pas de la fréquence. Une fréquence plus élevée permettant de miniaturiser bobines et condensateurs, la tendance récente est de monter en fréquence avec le SiC et le GaN, dont les pertes par commutation sont faibles.
Questions fréquentes
En quoi les semi-conducteurs de puissance diffèrent-ils des circuits logiques ?
Les circuits logiques et les mémoires traitent et stockent l'information sous basse tension et intègrent un très grand nombre de transistors. Les semi-conducteurs de puissance traitent l'énergie elle-même et commutent des tensions de quelques dizaines de volts à plusieurs kilovolts et de forts courants. Pour bloquer des tensions élevées, ils ont le plus souvent une structure verticale avec une couche de dérive épaisse, et ils sont utilisés comme composants discrets ou en modules.
Quels sont les principaux types de semi-conducteurs de puissance ?
Les principaux sont les diodes pour le redressement et la roue libre (diodes à jonction pn et diodes Schottky), les MOSFET de puissance pour la commutation rapide, les IGBT pour les tensions et courants élevés, et les thyristors pour la conversion de très hautes tensions et de très forts courants. Le choix dépend de la tension, du courant et de la fréquence de commutation de l'application.
Pourquoi les semi-conducteurs de puissance en SiC et GaN sont-ils plus avantageux que ceux en silicium ?
Le SiC et le GaN ont une large bande interdite et un champ de claquage environ dix fois supérieur à celui du silicium : ils bloquent la même tension avec une couche de dérive bien plus mince, ce qui réduit la résistance à l'état passant et les pertes de commutation. Les alimentations et les convertisseurs deviennent plus efficaces et plus compacts, mais les substrats et les composants restent plus chers que ceux en silicium.
« Semi-conducteur de puissance (composant de puissance) » dans les explications
La grille d'un composant de puissance présente une forte capacité, de l'ordre du nF ; une commutation rapide exige de la charger et décharger en peu de temps avec un courant de plusieurs A.
Les composants de puissance GaN commutant rapidement, de quelques centaines de kHz au MHz, ils permettent de réduire la taille des transformateurs et condensateurs des chargeurs ; des chargeurs compacts de forte puissance, d'un volume environ réduit de moitié pour la même puissance, ont ainsi vu le jour.
Les semi-conducteurs de puissance sont des composants qui contrôlent et convertissent efficacement de fortes puissances par commutation, pour la commande des moteurs ou la conversion de tension des alimentations ; ils comprennent les diodes, MOSFET, IGBT, thyristors, etc.