Couverture ElectroniqueS n°127

Riche en annonces, notamment en modules IGBT, la dernière mouture de PCIM a fait la part belle aux semi-conducteurs composés. Ceux-ci s'affirment comme des candidats de plus en plus crédibles pour prendre la relève du silicium. D u14au16mai, les principaux acteurs de la filière électronique de puissance s'étaient une nouvelle fois donné rendez-vous à Nuremberg pour la manifestation PCIM ( Power Conversion Intelligent Motion ). Parallèlement à un riche cycle de conférences s'est tenue la traditionnelle exposition qui bénéficiait cette année d'une aura particulière, avec un nombre d'exposants inédit et une surface d'exposition revue à la hausse. Côté annonces, les modules de puissance se sont une nouvelle fois taillé la part du lion. Pour ceux-ci le recours à des semi-conducteurs en carbure de silicium commence à se banaliser, tant les bénéfices apportés en termes de rendement énergétique et de compacité du produit fini s'imposent comme une évidence dans de nombreuses applications. Ainsi, Cree a mis en exergue les performances de son second module de puissance faisant exclusivement appel à des semi-conducteurs, Mosfet et diodes Schottky, en carbure de silicium. Adoptant le format six-pack , une première pour un module tout SiC (le précédent produit de l'américain prenait la forme d'un bras de pont), ce CCS050M12CM2 de 1200V/50A est présenté dans un boîtier standard de 45 x108 mm. Son ambition est de réduire fortement les pertes énergétiques dans les onduleurs triphasés jusqu'à 50kW. Par rapport aux solutions IGBT silicium à l'état de l'art, l'apport du carbure de silicium se traduit par une diminution jusqu'à 70% de la taille du dissipateur, ou par un accroissement de 50% de la densité de puissance. « Notre module permet de monter à des fréquences de commutation cinq fois supérieures à celles autorisées par les produits à IGBT », commente Paul Kierstead, directeur du marketing chez Cree, « ce qui réduit notamment le dimensionnement des composants magnétiques et, incidemment, permet de gagner en volume et de diminuer le coût du système final ». Anticipant une forte demande dans les secteurs industriel et automobile, Toshiba a récemment démarré la production de masse de composants de puissance en carbure de silicium. Un marché sur lequel la société compte prendre une part non négligeable de quelque 30%. Dans son usine de Himeji seront dans un premier temps produites des diodes Schottky. Pour l'heure, présent à Nuremberg par l'intermédiaire de son distributeur Glyn, le japonais a annoncé un module hybride incluant deux commutateurs IEGT ( Injection Enhanced Gate Transistor ), affublés chacun d'une diode en SiC. Ce module demipont de 1 700 V/1 200 A, référencé MG1200V2YS71, affiche des pertes de recouvrement inverse jusqu'à 97% inférieures à celles d'un module classique à diodes silicium. Œuvre de l'institut Fraunhofer iZM de Berlin, cet onduleur solaire de 15kW exploite des composants en carbure de silicium. Le fort rendement et une fréquence de commutation de 48 kHz se traduisent par un faible volume. la manifestation connaît un succès grandissant L'édition 2013 de pciM qui s'est tenue du 14 au 16 mai 2013 à nuremberg a attiré 7883 visiteurs, soit 15% de plus que l'an dernier. un résultat d'autant plus remarquable que la manifestation n'a pas profité, comme en 2012, de la synergie avec sMt Hybrid packaging. un nombre record de 395 exposants (365 en 2012), auxquels s'ajoutaient 87 sociétés représentées, se sont partagé les 18500m² mis à disposition par l'organisateur. afin de répondre à la demande, l'exposition occupait pour la première fois la totalité des halls 7 et 9 du Messezentrum de nuremberg. si l'on s'en tient aux seules trois dernières éditions, la superficie dévolue à pciM aura ainsi gagné quelque 30%. Les conférences techniques, qui se sont tenues en parallèle de l'exposition proprement dite, ont quant à elle attiré 726 auditeurs. parmi les nouveautés enregistrées cette année: la mise en place d'un second forum (avec notamment un débat sur la collecte des énergies ambiantes, ou energy harvesting) et un espace dédié aux acteurs impliqués dans le stockage de l'énergie. La prochaine édition se tiendra du 20 au 22 mai 2014. Pour ce qui est des modules de puissance silicium, Infineon Technologies a levé le voile sur des modules IGBT 1200 V de haute fiabilité, aptes à supporter les dures exigences du milieu automobile. Par rapport au standard de l'industrie, les membres de la famille EconoDUAL 3 sont crédités d'une tenue aux cyclages et aux chocs thermiques améliorée d'un facteur trois et dix, respectivement. L'usage de fils de bonding en cuivre et d'un procédé DCB ( Direct Copper Bonding ) amélioré a permis de réduire la résistance interne des connexions et d'obtenir une densité de puissance inédite pour l'empreinte considérée. Enfin, l'intégration d'une nouvelle diode à temps de recouvrement doux a pour effet d'améliorer le comportement aux IEM. Les deux premiers modules 1200 V/400 A et 1200 V/600 A seront échantillonnés au quatrième trimestre 2013, pour une mise en production au second semestre 2014. pleins phares sur les modules IgbT Les applications automobiles sont également visées par Mitsubishi avec deux séries de modules IGBT, destinées aux véhicules électriques ou hybrides. D'un côté, la série J1 est constituée de produits de 650 V/600 A et de 900 V/400 A. Proposés dans des boîtiers compacts six-en-un, ces derniers incorporent les puces CSTBT ( Carrier Stored Trench gate Bipolar Transistor ) de sixième génération du japonais. De l'autre, il est question de modules intelligents à fort calibre en courant. Ces IPM ( Intelligent Power Module ) sont des versions de 600V/800A et de 1200V/500A, incluant le pilote d'IGBT et les fonctions de protection. Ils sont caractérisés par une faible tension de saturation, soit typiquement 1,8V ou 2V, à une température de jonction de 25 °C. Les premiers échantillons seront disponibles en août, pour une production début 2014. L'édition 2014 de pciM qui s'est tenue du 14 au 16 mai à nuremberg a attiré près de 7900 visiteurs, soit 15% de plus que l'an dernier. Pour sa part, Semikron mettait l'accent sur l'éolien avec SKiiPX, un module IGBT conçu pour endurer les conditions climatiques extrêmes, y compris la présence de condensation en mode fonctionnel. La construction interne de SKiiPX met à profit la technologie SKiN dévoilée par l'allemand lors de l'édition 2011 de PCIM. Rappelons que celle-ci a pour intérêt d'éliminer les connexions par fils, les joints de brasure et autres dépôts de pâte thermique. Elle les remplace par des joints frittés et un film flexible incorporant les pistes de cuivre. La mise en œuvre de ces divers procédés se traduirait par un doublement de la densité de puissance. De fait, la société estime que le volume d'un onduleur triphasé pour éolienne, dans la gamme 1 à 6MW, peut ainsi être réduit de moitié, pour un coût abaissé de 15%. SKiiPX est fourni sous la forme d'un sous-système assemblé et testé, incluant l'électronique de commande de grille, les fonctions de protection et le système de refroidissement. Plusieurs modules sont venus compléter l'offre de Vincotech. Signalons, en particulier, un module de puissance de 2 400 V/800 A dévolu aux onduleurs solaires triphasés et aux alimentations secourues jusqu'à 400 kW. La topologie NPC ( Neutral Point Clamped , onduleur clampé par le neutre) adoptée pour le 2xflowNPC 4w a pour principal intérêt de relaxer les contraintes de filtrage et de diminuer les pertes associées. Par ailleurs, la famille 3xflowAMNPC 4w compte désormais un nouvel élément 1200 V/600 A, ciblant notamment le marché des onduleurs solaires en topologie multi-niveau jusqu'à 200kW. Pour ces deux modules, une conception à faibles inductances parasites laisse envisager un fonctionnement jusqu'à une fréquence PWM au-delà de 20kHz, une valeur peu usuelle pour ces gammes de puissance. De son côté, ABB a développé une série de modules IGBT, avec diode de roue libre, de très forte puissance. Pour une tenue en tension de 4500V, les StakPak en technologie à contacts pressés offrent un courant collecteur jusqu'à 2000A. Selon la référence, ils sont composés de quatre ou de six sous-modules, pour une empreinte globale de 235,1x273,3 mm. Vicor a quant à lui élargi sa gamme de convertisseurs DC-DC isolés Picor Cool-Power avec des modules optimisés pour les applications industrielles sous 24V, ou du domaine de la défense et de l'aéronautique fonctionnant sous 28 V. Ces membres de la famille PI31xx sont présentés dans un format de boîtier CMS de 22x16,5x2,56 mm. La densité de puissance obtenue est ici de 334W par pouce cube, soit 20,4W parcm 3 ,alors que l'isolation entre entrée et sortie est de 2 250 V. A l'instar de leurs prédécesseurs, ces modules reposent sur une topologie de commutation au zéro de tension (ZVS, Zero Voltage Switching ). La fréquence de commutation élevée, soit 900kHz, réduit les exigences en matière de filtrage et d'encombrement des condensateurs de sortie. A cet égard, afin de proposer une solution complète à très forte densité de puissance, les PI31xx seront associés aux filtres CEM actifs QuietPower de la société. Côté composants discrets, Rohm a dévoilé un nouveau modèle de transistor haute tension combinant les avantages des Mosfet à superjonction et des IGBT. A savoir la vitesse de commutation élevée, ainsi que les caractéristiques à faible courant des premiers, et la forte tension de claquage des seconds. Ce « Mos hybride» est destiné aux alimentations à découpage et aux étages de correction du facteur de puissance, dont il entend réduire les pertes sur une large plage d'intensités de courant. Les marchés visés sont les serveurs, les équipements industriels et les appareils domestiques. Les premiers produits seront disponibles cet été. International Rectifier a, de son côté, lancé une famille de Mosfet en tranchée qualifiés AEC-Q101. Au nombre de 22, les COOLiR-FET sont des modèles 40 V canal N. présentant des valeurs de résistance à l'état passant à l'état de l'art. Ainsi, pour la référence AUIRFS8409-7P en boîtier D²PAK-7P, le RDS(on) est inférieur à 0,75 mO (0,55 mO en valeur typique), pour une tension grille-source de 10 V et un courant de drain de 100A. L'ensemble de la gamme couvre la plage 100 A à 240 A, des intensités correspondant à une température de boîtier de 25°C. Différents formats sont proposés : D²PAK-7P, D²PAK, DPAK, TO-262, IPAK et TO-220. Enfin, ON Semiconductor a introduit la nouvelle génération d'IGBT Field Stop II.Vis-à-vis des produits antérieurs, les performances en régime de commutation ont été améliorées. La société évoque ainsi une réduction des pertes jusqu'à 30 % en régime de commutation. Le gaN vole la vedette au siC Pour l'heure, les premiers produits FSII sont les NGTBxxN120IHRWG de1200VetlesNGTBxxN135IHRW de 1350V. Disponibles en versions de 20, 30 et 40A, ces IGBT ciblent les applications de chauffage par induction et de commutation douce à des fréquences de 15 à 30 kHz. La gamme sera ensuite étendue avec des séries à performances thermiques renforcées (température de jonction jusqu'à 175 °C), à destination des onduleurs solaires, des alimentations à découpage et sans interruption. Il est désormais entendu que l'avenir de l'électronique de puissance passera par l'usage de semi-conducteurs à grand gap, afin de pallier les limitations du silicium. Si les avis convergent pour admettre que le choix entre carbure de silicium et nitrure de gallium sera dicté par la tension de claquage, la frontière reste encore floue. Beaucoup la situent néanmoins aux alentours de 1000V. Sous ce seuil, le nitrure de gallium sera digne d'intérêt en raison d'un excellent compromis entre performances et coût. Ce dernier facteur étant renforcé par l'usage d'un substrat silicium. « A long terme, en électronique de puissance, personne ne songe vraiment à utiliser du GaN sur SiC », estime Marianne Germain, CEO d'EpiGaN, « l'avantage du SiC sur le GaN réside dans sa meilleure conductivité thermique. Si vous déposez du GaN sur du SiC, vous arrivez alors à la conductivité thermique du GaN, ce qui présente un intérêt limité. Si l'on veut vraiment bénéficier de la haute conductivité thermique du SiC, alors autant privilégier une solution tout SiC! ». De nombreux protagonistes, impliqués à des degrés divers dans la technologie GaN, étaient présents à Nuremberg. Le thème du GaN pour la conversion d'énergie a par ailleurs fait l'objet d'une session de conférences particulière faisant intervenir des sociétés comme EPC, Transphorm, GaN Systems et International Rectifier. Ce dernier dispose pour l'heure de produits basse tension (100 V), issus de la famille GaN-powIR, que l'on retrouve dans un amplificateur audio en classe D pour le home cinema de Samsung. Notons qu'il s'agit là du premier amplificateur de ce type mettant à contribution la technologie GaN sur silicium. ce module de puissance hybride de 1700v de toshiba intègre deux commutateurs iegt, chacun affublé d'une diode en carbure de silicium. Mais International Rectifier a aussi procédé à l'échantillonnage de ses premiers commutateurs GaN de 600 V (50 à 200 mO). La mise en production est envisagée pour fin 2013 ou début 2014. Ces composants discrets seront suivis par des modules 600 V. Dans de nombreuses applications de conversion d'énergie et de commande de moteur, les gains, en termes de rendement et de densité de puissance, s'annoncent importants. Par exemple, dans un onduleur triphasé de 400 W pour la commande de moteur, par rapport à une solution à IGBT, les essais réalisés par la société font état de pertes en conduction (à 25 °C) et en commutation (à 6 kHz) réduites d'un facteur six et deux, respectivement. on a pu noter la présence à nuremberg de nombreux protagonistes impliqués dans la filière gan sur silicium. et notamment epigan, qui a procédé à l'échantillonnage de tranches de diamètre 200 mm. Les transistors HEMT àappau-vrissement d'International Rectifier sont normalement conducteurs ( normally on ) en l'absence de polarisation de grille, par opposition au mode à enrichissement qui est caractérisé par un canal non conducteur ( normally off ). « J'entends souvent dire que le développement de composants enombreux ur silicium. ntillonnage GaN normally off est une nécessité pour offrir toutes les garanties d'un succès commercial, ce qui est faux », commente Michael Briere, consultant scientifique pour International Rectifier, dont il fut le vice-président exécutif et le CTO. Si un comportement normalement ouvert est exigé, faire appel à une structure cas-code, nécessitant l'ajout d'un Mosfet basse tension, est alors la solution adoptée. « Cette approche présente plusieurs avantages, le moindre n'étant pas lié à la longue expérience acquise pour piloter la grille d'un Mosfet silicium, ce qui n'est pas le cas avec un composant en GaN », conclut M. Briere. Pour sa part, STMicroelectronics a opté pour une approche différente. La société mise en effet sur des HEMT GaN sur silicium, affichant un comportement normalement ouvert, évitant ainsi le recours à un montage cascode. « Nous avons choisi la voie la plus difficile, car une structure HEMT GaN normally off est complexe à réaliser, tant au niveau du design que de la fabrication, ne serait-ce que pour maîtriser la tension de seuil » explique Mario Aleo, directeur général de la division transistors de puissance chez ST. Contrairement à EPC ou International Rectifier, ST compte se positionner directement sur le créneau 600V, sans passer par les paliers inférieurs. « Nous avons opté pour une tension de 600V, car nous estimons que c'est là que se situent les meil leures opportunités, par exemple pour adresser le marché automobile», ajoute Mario Aleo, « par ailleurs, avec une architecture évolutive, nous aurons aussi beaucoup plus de facilités pour descendre ultérieurement en tension ». Dès à présent, des échantillons 600 V circulent auprès de quelques clients privilégiés. La production de volume n'est pas envisagée avant le second semestre 2014.

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