Tendances technologiques pour de meilleurs rendements de conversion d'énergie

Posted By : Alice Matthews
Tendances technologiques pour de meilleurs rendements de conversion d'énergie

Les dernières avancées en matière de MOSFET super-jonction et de diodes au carbure de silicium, donnent aux concepteurs plus de liberté pour optimiser les performances et le rendement des applications de conversion d'énergie à coût sensible.

Auteur : Michael Piela, Toshiba Electronics Europe

Dans le cadre des efforts croissants pour améliorer le rendement énergétique des systèmes de conversion d'énergie tels que les circuits PFC (Power Factor Corection, ou compensation de facteur de puissance) ou les alimentations à découpage, les MOSFET super-jonction et les diodes SiC (carbure de silicium) à bande interdite large, ont désormais la préférence des concepteurs à la recherche de performance énergétique. Ces deux technologies ont permis d'obtenir des puces de plus petite taille, pour des valeurs identiques de résistance à l'état passant du MOSFET, ou de tension inverse de diode, ce qui a permis aux concepteurs de réduire la taille des circuits et d'augmenter la densité de courant. Alors que l'adoption de ces technologies par le marché va croissant, de nouvelles demandes voient le jour, comme la diminution du niveau de bruit.

La réduction du bruit électromagnétique émis est intéressante pour certaines alimentations haut-de-gamme, destinées aux téléviseurs LCD, aux éclairages à LED, aux appareils médicaux, ou encore aux adaptateurs secteur pour notebooks et autres tablettes. Les topologies à commutation résonnante, comme les convertisseurs LLC à commutation à tension nulle, sont souvent utilisées pour ce type d'application, à cause de leur faible niveau d'émission électromagnétique intrinsèque. La commutation au primaire d'un circuit LLC tel qu'illustré en Figure 1 (MOSFET Q1 et Q2), est désormais souvent assurée par des transistors super-jonction, afin d'obtenir des alimentations compactes et avec un rendement optimum.

Figure 1

Figure 1

Progrès des transistors super-jonction
Les MOSFET super-jonction ont permis aux concepteurs d'alimentation de bénéficier de pertes de conduction sensiblement inférieures, à taille de puce donnée, par rapport à des MOSFET silicium plans conventionnels. Etant donné que leur architecture permet aussi d'obtenir une charge électrique de grille et une capacitance plus faibles, les MOSFET super-jonction présentent également des pertes de commutation inférieures à celles des transistors silicium conventionnels.

La Figure 2a montre la structure des premiers dispositifs super-jonction, traditionnellement fabriqués par multi-épitaxie. Le dopage élevé de la région-N de l'illustration permet d'obtenir une résistance à l'état passant bien plus faible qu'avec un transistor plan conventionnel. Les régions type-P entourant le canal-N sont conçues pour obtenir la tension de claquage désirée.

Figure 2a Figure 2b

     Figure 2a                                                                                                Figure 2b

Les structures type-N et type-P de ces dispositifs ont été produites grâce à des procédés multi-épitaxiaux, ce qui s'est traduit par des dimensions supérieures à la normale, et a donc un impact sur la taille globale du dispositif. La nature de la fabrication multi-épitaxiale limite également les possibilités techniques du canal-N pour minimiser la résistance à l'état passant.

Certains procédés de fabrication améliorés, comme le "deep trench filling" (remplissage de tranchée profonde) qui permet une fabrication par épitaxie simple, offrent aujourd'hui aux concepteurs une plus grande liberté pour optimiser les proportions géométriques des canaux-N et P, et ainsi minimiser encore la résistance à l'état passant, tout en réduisant aussi la taille du MOSFET. La Figure 2b montre le famille Toshiba 4ème génération, DTMOS IV, qui tire profit d'une épitaxie simple pour obtenir une réduction de 27% du pas du dispositif, tout en réduisant de 30% la résistance à l'état passant par unité de surface de puce. DTMOS V est lui-aussi un procédé "deep trench", avec d'autres améliorations au niveau de la structure des cellules.

Le procédé simple-épitaxie permet aussi aux MOSFET super-jonction de fournir une performance plus stable en fonction de la température. Au bout du compte, cela permet de contrer la chute de rendement typique observée aux températures élevées sur les convertisseurs d'énergie. La Figure 3 montre comment la variation en fonction de la température de la résistance à l'état passant normalisée, est sensiblement réduite sur les dispositifs qui font appel aux technologies de dernière génération, avec par exemple une résistance à l'état passant 12% plus faible à 150°C.

Figure 3

Figure 3

Les FET DTMOS V répondent aux exigences d'EMI (Electro Magnetic Interference, ou parasite électromagnétique) réduites
Avec l'arrivée des dispositifs de 5ème génération DTMOS V, les concepteurs peuvent désormais choisir des MOSFET super-jonction offrant le faible niveau de bruit nécessaire aux convertisseurs d'énergie. Les FET DTMOS V présentent aussi un bon équilibre entre faible niveau de bruit et bonne performance de commutation. Ceci est possible grâce à une structure de grille modifiée, qui entraine une augmentation de la capacitance de transfert inverse, entre grille et drain (CRSS ou CGD).

Le bruit émis est comparable à ce que l'on peut observer avec certains dispositifs à faible niveau EMI concurrents, tandis que dans le même temps on obtient l'excellente résistance à l'état passant qui caractérise la technologie super-jonction. La Figure 4 compare le niveau d'EMI émis par des dispositifs canal-N, classe 0.38 mΩ, 600V, de 4ème et 5ème génération, utilisés dans le circuit PFC d'une alimentation de téléviseur, et montre une réduction sensible du niveau d'interférence, d'une technologie par rapport à la précédente.

Figure 4

Figure 4

Les diodes de redressement se renforcent avec les progrès du SiC
En plus du rendement élevé et de la densité de courant des commutateurs de puissance super-jonction en technologie "deep trench", les générations de diodes carbure de silicium (SiC) combinent un rendement énergétique intrinsèque supérieur à celui des diodes silicium, plus : une densité de courant supérieure, des courants nominaux plus élevés, une plus grande robustesse, et un meilleur rapport performances/prix.

Récapitulatif des avantages du SiC
Les propriétés du carbure de silicium (SiC) permettent aux diodes SBD (Schottky Barrier Diode, ou diode barrière Schottky) SiC d'offrir une récupération inverse rapide et stable en température, comparable aux diodes SBD silicium conventionnelles, qui garantit une coupure efficace, sans souffrir du courant de fuite relativement élevé et dépendant de la température typique des SBD conventionnelles, qui peut générer de l'instabilité thermique si la tension inverse n'est pas volontairement limitée. En outre, la large bande interdite du SiC permet au dispositif d'accepter une tension nominale plus élevée par rapport à sa taille, et permet ainsi de proposer des dispositifs 650V et 1200V en boîtiers standard pour montage en surface ou traversant. Cette combinaison de caractéristiques rend les diodes SiC parfaites pour des applications comme la compensation de facteur de puissance, lorsqu'on les utilise comme illustré en Figure 5, en association avec un MOSFET rapide super-jonction, tel qu'un dispositif DTMOS IV type-X.

Figure 5

Figure 5

Les Figures 6a et 6b montrent la structure améliorée d'une diode SBD SiC, comparée à celle d'une diode SBD silicium classique.

 Figure 6a 6b

Figure 6a                                                                                 Figure 6b

Les principaux objectifs des diodes SBD SiC 650V dernière-génération sont d'améliorer le rapport performance/coût, et d'augmenter la valeur crête maximum du courant direct, afin d'obtenir des dispositifs plus robustes, capables de résister à des conditions d'utilisation exceptionnellement difficiles.

Comme pour les semiconducteurs LSI, la taille de puce des semiconducteurs de puissance est un facteur déterminant pour le coût du dispositif. Le développement de diodes SBD SiC de 2ème génération a mis l'accent sur la réduction d'épaisseur des puces. L'épaisseur a ainsi pu être réduite de deux-tiers, apportant une réduction de coût, tout en augmentant la densité de courant d'un facteur jusqu'à 1.5.

Pour augmenter le courant crête admissible et ainsi obtenir des dispositifs plus robustes pour les applications de commutation de puissance, l'architecture première-génération a été modifiée pour minimiser la modulation de la conductivité (mesurée par la tension directe de diode, VF) et permettre de ce fait un courant direct maximum, IFSM, plus élevé. La Figure 7 montre comment ceci a pu être réalisé en optimisant la surface de la région P+.

Figure 7

Figure 7

Les modifications apportées à la structure de la diode ont modifié la relation entre la densité de courant et VF, en relevant la tension à laquelle la modulation de conductivité commence à se produire, comme illustré en Figure 8. Ceci permet au dispositif de présenter un courant IFSM plus élevé. Ainsi l'architecture 2ème génération a permis d'augmenter la valeur IFSM bien au-delà de celle des dispositifs 1ère génération.

Figure 8

Figure 8

Les concepteurs d'alimentation sont sous pression pour satisfaire des demandes persistantes de rendement énergétique, de fiabilité et de miniaturisation supérieurs, avec des contraintes de coût de plus en plus serrées. En outre, ils ne peuvent plus consacrer autant de temps à chasser les EMI (Electro Magnetic Interference, ou parasite électromagnétique) lors de la conception. 

Leur réussite dépend de la mise en oeuvre des dernières technologies de semiconducteurs de puissance, qui permettent d'obtenir une résistance à l'état passant et un niveau de bruit inférieurs s'agissant des MOSFET de puissance, et des fuites réduites ainsi qu'une plus grande stabilité de température, s'agissant des diodes de redressement. Les MOSFET super-jonction et les diodes SiC dernière-génération permettent d'obtenir ces avancées, ainsi que de meilleures performances de commutation, une robustesse et une fiabilité plus élevées, et une densité de courant accrue, le tout à un prix suffisamment attractif pour des applications à coût sensible.

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