Revue : [REVUE471]

Titre : REE N°02, Revue de l'Electricité et de l'Electronique, février 2004.

Cité dans : [DIV105]  Les revues RGE Revue de Générale de l'Electricité et REE Revue de l'Electricité et de l'Electronique, France.

Vers : Editorial par Jean-Marie Peter et Pierre Aloisi
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Vers : DOSSIER - Les composants de puissance
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Editorial par Jean-Marie Peter et Pierre Aloisi

Réunir un dossier sur les composants de puissance en quelques papiers est, aujourd'hui, une gageure; le domaine étant très vaste depuis les composants " actifs " jusqu'aux composants " passifs ". Autant dans les actifs, il est possible de considérer aujourd'hui que l'innovation est faible :
c'est davantage la consolidation de technologies bien connues que la découverte de nouvelles voies;
en ce qui concerne la famille des passifs, dans laquelle on peut intégrer l'encapsulation, il y a des avancées significatives telles que les supercapacités, les polymères, etc.
Les papiers présentés apportent surtout une vue générale sur une famille donnée de produits: le MOSFET de puissance a complètement conquis les marchés basse tension de la téléphonie et de l'automobile, grâce à ses faibles pertes, sa mise en œuvre aisée et sa robustesse. Aujourd'hui, les progrès sont plutôt dans l' encapsulation et l'intégration à faible niveau de fonctions simples: multi-commutateurs, protection, interface avec un micro calculateur, etc.
Pour des tensions de fonctionnement plus importantes (secteur) où le MOS a pour concurrent l'IGBT, des progrès semblent se dessiner avec des MOS à faible résistance interne qu'offre la technologie de " Superjonction" MOS (Coolmos, Mdmesh...).
L'IGBT atteint aujourd'hui une certaine maturité: les vitesses de commutation et la tension de déchet varient peu et tendent vers une asymptote proche de la théorie, tandis que la robustesse continue à s'améliorer. La partie très haute tension (> 1,7 kV) devient un terrain privilégié pour ce type de produit. Des IGBT de 8 kV sont annoncés qui seraient les bienvenus dans la traction et la commande de moteurs très puissants (navires).
Dans la presse spécialisée, on a décrit de nombreux composants de laboratoire souvent très complexes dérivés de l'IGBT avec en premier une grille de commande supplémentaire qui permettraient des commutations plus performantes, mais aucun de ces nouveaux composants n'a présenté des avantages suffisants pour être industrialisés.
Pour les diodes, le composant semi-conducteur est le plus utilisé, les progrès sont très lents et on ne voit pas, hélas, d'amélioration significative dans les prochaines années.
La fiabilité des composants actifs est de plus en plus à l'ordre du jour surtout avec la montée en tension des IGBT :
la traction et toute commande de forte puissance soumettent les commutateurs à des contraintes thermiques élevées et surtout du cyclage thermique, qui à cause des coefficients de dilatation des différents matériaux utilisés impliquent des efforts de cisaillement sur ceux-ci et réduisent leur durée de vie. De nouvelles études, de nouveaux matériaux et de nouveaux boîtiers augmentent chaque année la durée de vie potentielle de ces produits.
Un des moyens modernes d'étude rapide des phénomènes thermiques est évidemment la simulation, la difficulté est la dépendance des caractéristiques des composants avec la température, qui en retour, agissent sur la température, le point de stabilisation est toujours difficile a obtenir, de nombreuses récurrences sont nécessaires ce qui augmente fortement les temps de calcul et la convergence. De nombreuses approches sont possibles, la plupart essaient, conjuguant les différents aspects du problème, de donner des résultats assez précis dans un temps compatible avec les machines actuelles.
Il n'était pas possible de proposer un dossier sur les composants de puissance sans donner un certain éclairage a une possibilité de révolution du domaine du semi-conducteur, le matériau de base utilisé. Il faut se rappeler que celui-ci a démarré, il y a déjà un demi-siècle avec du germanium pour rapidement passer au silicium monocristallin plus abondant et dont la métallurgie est relativement simple. Il a beaucoup donné: plus de 2 kA sur une seule pastille, jusqu'à 10 kV pour les thyristors et des fréquences de plusieurs gigaHertz, pour les transistors hyperfréquences, toutefois son passage au semiconducteur intrinsèque (où le semiconducteur perd ses qualités) à une température relativement basse (entre 200 et 300 De), la température maximum de jonction est limitée aux environ 150 DC depuis longtemps et sa faible tenue aux champs électriques importants, font qu'aujourd'hui il est nécessaire de trouver un matériau qui puisse tenir des tensions élevées et des hautes températures de façon à limiter les systèmes de refroidissement toujours volumineux. Encore que dans ce domaine il faille aussi se pencher sérieusement sur des boîtiers et des isolants qui tiennent également ces températures, ce qui est très loin d'être évident.
Le premier matériau entré en scène est le carbure de silicium (SiC) qui part du silicium bien connu et offre une "figure de mérite" thermique dix fois meilleure que celle du silicium et également un facteur de dix pour la tenue en tension, sans oublier une densité de courant plusieurs centaines de fois plus importante (ce qui réduit d'autant la taille de la puce pour le même courant transité). Pour l'instant la métallurgie de ce matériau est difficile (micropipes: déformations du cristal qui le rendent inapte), son utilisation pas très aisée (absence d'oxyde naturel), il est aussi très mal aisé de créer des contacts et d'obtenir le dopage désiré.
Est'il vraiment le matériau d'avenir ou bien devons nous en attendre d'autres comme le diamant qui est encore plus prometteur ?
Toutefois le premier papier donne un panorama des différents commutateurs possibles obtenus en laboratoire avec du SiC, ensuite une application comme limiteur de courant est démontrée mais dont le coût est aujourd'hui très important. L'IGBT ou le MOSFET à SiC sont très difficile a réaliser à cause des limitations du matériau (oxyde, dopage), aussi une bonne méthode pour créer des commutateurs haute tension est d'utiliser la technologie JFET, qui ne nécessite pas d'oxyde performant, associé, en série, a un MOSFET basse tension en silicium standard, car le JFET est un commutateur normalement conducteur à tension nulle sur sa commande, un dernier papier en indique l'application.
En conclusion on pourrait aussi se concentrer sur les différents composants " passifs" de l'électronique de puissance, en particulier les boîtiers, car' la conception de ceux-ci présente la principale voie de recherche des prochaines années: obtenir une bonne fiabilité, être pratiques à utiliser, offrir une bonne protection contre les interférences électromagnétiques, etc. De nouveaux matériaux comme les polymères peuvent également offrir des fonctionnalités intéressantes en protection. Il reste aussi le problème, jamais résolu élégamment, du stockage de l'énergie, peut-être le principal défi de la prochaine décennie, les " supercapacités "en sont peut être le premier pas.

Pierre AloÏsi
Ingénieur électronique CNAM, Professeur à Supélec et à l'ENSEEIHT
Pierre Aloisi est également retraité de Motorola semiconducteurs, ancien responsable du laboratoire d' application des produits de puissance. Auteur d'une centaine de publications sur l'utilisation pratique des MOS de puissance et des IGBT. Président de séances dans différentes conférences internationales.

Jean-Marie Peter,
Congrès Power Conversion Europe

DOSSIER - Les composants de puissance

Présentation : L'évolution des composants semi-conducteurs de puissance
par J.-M. Peter, P. Aloisi , p. 20

Today's and tomorrow's industrial utilization of silicon carbide semiconductor power devices
par D. Stephani p. 23

Limiteur de courant en carbure de silicium
par D. Tournier, P. Godignon, D. Planson, F. Nallet, J. Millan, F. Sarrus, J.F. de Palma p. 25

Méthode originale de mesure des décharges partielles dans les modules de puissance haute tension
par Th. Lebey, D. Malec, S. Dinculescu, F. Breit, E. Dutarde p. 31

Recent achievements and approaches for further optimisation of high current low voltage power smiconductor components
par A. Lindemann p. 37

Banc de cyclage actif pour l'analyse de la fatigue thermique les brasures de composants IGBTs
par L. Dupont, S. Lefebvre, Z. Khatir, G. Coquery, J.C. Faugières p. 45

Simulation électro-thermo-fluidique d'un bras d'onduleur IGBT fonctionnent en MLI
par H. Feral, J.-P. Fradin, F. Richardeau, J. Vallon, P. Ladoux p. 52

Serial connection of SiC VJFETs - features of a fast high voltage switch
par R. Elpelt, P. Friedrichs, R. SchOrner, C.-O. Dohnke, H. Mitlehner, D. Stephani p. 60

REPERES - L'influence de l'évolution de l'électronique en aéronautique

Présentation
par J.-M. Berges p. 72

Impacts de l'électronique en aéronautique entre 1953 et 2003
par M. Pélegrin p.73

Apport de l'électronique et de l'informatique à l'équipement des avions de combat français et à leurs conditions d'emploi depuis cinquante ans
par J. Vedel p. 90

Au sommaire des prochains numéros
REE N° 3 - Mars 2004
Dossier: Les systèmes de navigation maritime et fluviale
Repères 1) : Le marquage dans l'industrie
Repères 2) : Grands réseaux d'électricité

REE N° 4 - Avril 2004
Dossier: La supervision: outils et applications
Repères: Les communications métropolitaines optiques

INDUSTRIE & MARCHÉS

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RÉGIONS

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