Couverture ElectroniqueS n°127

Avec un nombre record d'exposants et de visiteurs, la manifestation PCIM, qui s'est tenue du 7 au 9 mai à Nuremberg, a fait carton plein. Côté produits, les composants, modules et systèmes exploitant des puces SiC ou GaN ont été omniprésents. PCIM FRANCHIT LA BARRE DES 12000 VISITEURS > La manifestation PCIM a attiré 12182 visiteurs (11602 en 2018) et réuni 515 exposants et co-exposants (506 en 2018). Par ailleurs, 804 congressistes ont été dénombrés. > Pour l'occasion, la surface de l'exposition a été portée à 25000 m², soit 1500 m² de plus que l'an dernier. > PCIM et le salon «SMT Hybrid Packaging» sur l'intégration des systèmes en microélectronique se sont tenus en parallèle. > La prochaine édition de PCIM se tiendra du 5 au 7 mai 2020 au même lieu. Enélectronique de puissance, les semi-conducteurs à grand gap (ou à large bande interdite) sont de plus en plus plébiscités, compte tenu des gains promis en termes de rendement, de densité de puissance, de poids et de volume des systèmes. Sans réelle surprise, lors de la dernière édition de la manifestation PCIM, composants, modules et systèmes tirant profit des vertus du carbure de silicium (SiC) et du nitrure de gallium (GaN) ont confirmé cette tendance. Cree, qui a récemment annoncé un investissement d'1 milliard de dollars sur cinq ans dans la filière carbure de silicium, a ainsi profité de l'événement pour présenter un grand nombre de modules, de puces nues et de composants discrets (Mosfet 1200 V de troisième génération, diodes Schottky 650V de sixième génération) à destination des applications industrielles, des véhicules électriques et des énergies renouvelables. Au travers de sa filiale Wolfspeed, l'américain peut se targuer d'offrir aujourd'hui le plus vaste choix de Mosfet SiC du marché, sous la forme de puces nues. Les der nières CPM3 1200 V affichent des résistances à l'état passant particulièrement basses : soit 13 ou 16 mO (à 25°C) seulement. UnitedSiC dispose également d'un catalogue bien étoffé de composants en carbure de silicium : Fet, Jfet et diodes Schottky. L'américain a dévoilé sept Fet de 650V, qui viennent compléter les séries UJ3C et UF3C, respectivement destinées à la commutation douce pour un usage général ou à la commutation dure. Ces transistors ciblent notamment les marchés en pleine croissance des serveurs pour les centres de données, des stations de base 5G et des véhicules électriques. Ils trouveront leur juste emploi dans les alimentations à découpage, les redresseurs et les chargeurs embarqués. Ces Fet sont proposés selon la configuration cascode chère à la société. Un Jfet en carbure de silicium est ici associé à un Mosfet en silicium, afin de réaliser un interrupteur normalement ouvert ( normallyoff ), dont la grille peut être commandée par un driver standard. De ce fait, la mise à niveau d'un système existant s'en trouve facilitée. Avec des bénéfices attendus en termes de pertes en commutation et en conduction, de propriétés thermiques et de protection contre les décharges électrostatiques. « Dans le cas d'une nouvelle conception, avec de tels composants, il sera possible d'augmenter la fréquence de commutation pour gagner en compacité, mais aussi en coût des composants passif s», certifie Jonathan Dodge, ingénieur d'application senior chez UnitedSiC. Deux formats de boîtiers sont ici proposés: TO220-3L (3 produits) et D2PAK3L (4 produits). Dans le premier cas, la résistance à l'état passant est typiquement de 27 ou 80 mO pour les UJ3C et de 42 mO pour le modèle de la série UF3C. Dans le second cas, cette RDS(on) est de 27 ou 80mO pour les UJ3C, de 27 ou 40mO pour les UF3C. Acteur majeur de la filière carbure de silicium, Rohm a présenté sur son stand de nombreuses réalisations exploitant ses composants. L'usage du carbure de silicium se banalise De son côté, Infineon Technologies est entré dans une phase de production en gros volume d'une gamme complète de Mosfet CoolSiC de 1200 V, en boîtiers TO247-3 et TO247-4. Afin de répondre aux différents besoins, son catalogue de Mosfet discrets en carbure de sili-cium est décliné en sept niveaux de résistance à l'état passant (de 30 à 350mO, à une température de jonction de 25°C). Cette offre sera complétée par des produits en boîtier CMS, mais aussi par une famille de Mosfet de 650 V, a promis l'allemand. Dans un autre registre, ce dernier a présenté une large palette de modules de puissance. Nous citerons les HybridPACK et les HybridPACK DSC ( Double Sided Cooling , à refroidissement par les deux faces) pour les véhicules électriques/ hybrides, les Easy 3B de 12mm de hauteur sans semelle et les XHP 3. Ces derniers sont des modules IGBT destinés aux applications de puissance entre 3,3 et 6,5 kV : traction, véhicules utilitaires, agricoles ou autres, entraînements moyenne tension… Leur boîtier est de construction symétrique et de faibles inductances parasites se traduisent par des performances améliorées en régime de commutation. Les dimensions du boîtier XHP 3 sont de 140 x 100 x 40 mm (lon-gueur, largeur, hauteur). Les premiers modules, à base de puces IGBT3, en tirant profit sont des modèles de 3,3kV en topologie demi-pont, dont le courant nominal est de 450 A. Des terminaisons soudées par ultrasons, un substrat en nitrure d'aluminium (AlN), ainsi qu'une semelle en aluminium-carbure de silicium (AlSiC), garantissent un haut niveau de fiabilité et de robustesse. Aux fins d'évolutivité, la mise en parallèle des modules est facilitée. Pour simplifier encore la tâche des concepteurs, Infineon entend proposer des modules groupés, ayant des caractéristiques statiques et dynamiques appariées. Pour sa 41 e édition, la manifestation PCIM a réuni 515 exposants et coexposants, soit un peu plus que l'an dernier. Un zeste d'intelligence artificielle Pre-Switch, une jeune société californienne, a quant à elle présenté un onduleur de 200kW/100kHz pour véhicules électriques, à base de transistors de puissance en carbure de silicium. Baptisé CleanWave, ce système donne la possibilité aux concepteurs d'évaluer la précision obtenue avec l'architecture à commutation douce de la société, en fonction des variations de la charge, de la température, de la tolérance des composants et de la dégradation des conditions opératoires. La plateforme de Pre-Switch inclut la carte contrôleur Pre-Drive 3, alimentée par un FPGA Pre-Flex, et une carte de commande de grille. L'originalité de la solution tient au fait qu'elle fait appel à l'intelligence artificielle pour ajuster en permanence la synchronisation relative des éléments du système, et ainsi maintenir un régime de commutation douce en toutes circonstances. « Cette IA embarquée s'adapte au système en prédisant le comportement du commutateur avec des informations incomplètes sur le dispositif, comme la température et les tolérances », indique Bruce Renouard, CEO de Pre-Switch. Si le marché des véhicules électriques est en ligne de mire, la société indique que sa solution de commutation douce se révélera aussi profitable aux moteurs industriels et aux convertisseurs de puissance utilisés dans les applications solaires, éoliennes, de traction et autres au-delà de 100kW. Microchip, via sa filiale Micro-semi, fait aussi le forcing en composants en carbure de silicium. La société a en effet enté-riné la mise en production de quelque 35 produits discrets SiC prenant la forme de Mosfet de 700V et de diodes Schottky de 700 V et 1 200 V. Ceux-ci viennent compléter un portefeuille existant de modules de puissance SiC. Les nouveaux venus entendent améliorer le rendement, la densité de puissance et la robustesse des systèmes embarqués dans les véhicules électriques, ou destinés aux applications industrielles ou autres. Ces transistors ont passé avec succès les tests de robustesse à des niveaux considérés comme critiques, garantissant ainsi une fiabilité à long terme. Pour ce qui est des diodes, lorsqu'elles sont soumises à des tests de robustesse UIS ( Unclamped Inductive Switching ), la société met en avant des performances de 20 % supérieures vis-à-vis des diodes Schottky SiC actuelles. Ces tests ont pour objet de mesurer jusqu'à quel point les composants supportent la dégradation ou les pannes précoces en conditions d'avalanche, des situations qui surviennent lorsqu'un pic de tension excède la tension de claquage du composant. Selon l'américain, les Mosfet ont également obtenu de meilleurs résultats que les produits concurrents, y compris après 100 000 cycles de tests UIS répétitifs. Pour sa part, ON Semiconductor a présenté un IGBT hybride de 650 V incluant une diode Schottky en carbure de sili-cium, accompagné de son pilote de grille. L'ensemble entend offrir de faibles pertes, tant en régime de conduction que de commutation. Référencé AFGHL50T65SQDC, cet IGBT de quatrième génération, en boîtier TO-247-3L, est en mesure de délivrer un courant de drain de 100 A et 50 A, respectivement à 25 °C et 100 °C (températures de boîtier). Pour des intensités supérieures, le coefficient de température positif facilite la mise en parallèle. Quant à la tension de saturation (VCE(sat) ), elle est typiquement de 1,6 V à 50 A. Qualifié AEC-Q101, le composant encaisse une température de jonction de 175 °C. Il trouvera son juste emploi dans les chargeurs de batterie pour les véhicules électriques/hybrides, les convertisseurs DC-DC, les étages de correction du facteur de puissance (PFC) et les onduleurs industriels. Pour exploiter pleinement le potentiel de cet IGBT, la société propose les pilotes de grille de la série NCD(V)57000. Ces drivers à fort courant (+7,A/-7,1A) procurent une isolation de 5kVeff (UL1577). Le boîtier SOIC-16W garantit une distance d'isolement de 8 mm entre l'entrée et la sortie. Par ailleurs, l'américain a effectué des démonstrations exploitant son outil Strata Developer Studio, annoncé en début d'année au CES de Las Vegas. Basée sur le cloud, cette plateforme offre un environnement personnalisé aux ingénieurs de conception. Elle leur permet de travailler plus rapidement et simplement avec les cartes d'évaluation et de développement, en leur fournissant la documentation, les informations produit, les notes d'application et les fichiers de conception de référence les plus récents. La société assure que toutes ses nouvelles cartes d'évaluation seront StrataReady . Cela signifie qu'elles seront automatiquement reconnues par Strata Developer Studio une fois connectées à l'ordinateur hôte. Cette carte d'Exagan permet d'évaluer les performances de ses G-Fet et de ses G-Drive de 650V, ces derniers associant un transistor GaN et son pilote. < Dans son onduleur de 200kW baptisé CleanWave, la jeune société Pre-Switch a mis une dose d'intelligence artificielle pour minimiser les pertes de commutation. Cissoid, le spécialiste belge des semi-conducteurs haute température pour les environnements sévères, a développé une carte destinée à la commande des modules de puis-sance en topologie demi-pont, de largeur 62 mm standard, réalisés à partir de Mosfet en carbure de silicium. Basée sur un chipset de la famille Hades de la société, ladite carte, bien qu'optimisée pour les modules Mosfet SiC, est aussi en mesure de piloter les modules de puissance à base d'IGBT. Et ce tout en offrant une marge thermique pour la conception de convertisseurs de puissance à forte densité dans les applications automobiles et industrielles. La carte autorise la commutation haute fréquence (au-delà de 100 kHz) des Mosfet SiC, avec une immunité aux dv/dt supérieure à 50kV/µs. Il en résulte un excellent rendement et une baisse du poids et du volume des convertisseurs de puissance. Cette carte, qui accepte des modules de 1200V (CMT-TIT8243A) ou de 1700V (CMT-TIT8244A), est conçue pour fonctionner dans des environnements difficiles. Elle offre une isolation à hauteur de 3 600 VAC (à 50 Hz et pendant 60 s) et des distances d'isolement de 12mm (distance d'isolement dans l'air) et 14 mm (longueur de la ligne de fuite). Des fonctions de protection sont également de mise: le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO), le clamping Miller actif et la détection de la désaturation. Du côté de chez GaN Spécialiste des semi-conducteurs en GaN sur silicium, Exagan ne manque pas d'ambition. Fin 2018, la société a créé une filiale (Exagan Taiwan Ltd.) et établi un centre en charge des ventes et des applications à Taïwan. En mai dernier, un centre de support technique au développement d'applications de conversion d'énergie, tirant profit des semiconducteurs de puissance en GaN sur silicium du grenoblois, a été ouvert à Toulouse. « La vocation d'Exagan est de fortement investir au niveau des applications et ne pas se contenter de vendre des transistors à nos clients. Nous voulons aussi les accompagner dans leurs projets, et telle sera la vocation de notre centre toulousain, aujourd'hui fort d'une douzaine de personnes », confie Frédéric Dupont, cofondateur et CEO d'Exagan. À Nuremberg, Exagan exposait ses deux familles de produits actuelles. En premier lieu, les transistors de puissance G-Fet (au nombre de cinq), notamment intégrés côté primaire dans des chargeurs de 65 W conformes USB Type C. Ces chargeurs sont d'une compacité qu'il ne serait pas envisageable d'obtenir avec des composants en silicium (à volume donné, une approche tout silicium ne permettrait pas de dépasser 30W). En second lieu, les plus récents G-Drive, qui associent dans le même boîtier deux puces : d'un côté un G-Fet, de l'autre son pilote de grille avec Mosfet (pour réaliser une structure cascode) en silicium. S'ajoutent des fonctions de protection (thermique, contre les courts-circuits…) et de diagnostic. « Des protections internes supposent que le temps de réaction du circuit intégré soit très court, et l'on parle ici de 30 ns, ce qui implique un driver rapide situé au plus près de la puce GaN, raison pour laquelle nous avons tout mis dans le même boîtier », explique Laurent Guillot, directeur de l'ingénierie des produits chez Exagan. Les applications de puissance (alimentations industrielles), de quelques centaines de watts à quelques kilowatts, sont notamment ciblées par ces G-Drive de 650V, actuellement au nombre de trois (10A, 25A et 35A). Si les G-Fet sont d'ores et déjà échantillonnés (le fondeur est X-Fab, auquel Exa-gan fournit les tranches épi-taxiées de 200 mm réalisées à Grenoble), les G-Drive le seront à partir du mois de juin. Une étape future consistera à monter en tension, soit jusqu'à 900 V et 1 200 V pour un positionnement sur le marché des véhicules électriques. « Nous avons déjà réalisé des prototypes de puces GaN 1200V en partant de notre plateforme 650 V. Concrètement, une approche monolithique suppose non seulement d'augmenter l'épaisseur de la couche épitaxiée, tout en minimisant notamment les effets capacitifs induits, mais aussi de modifier le layout du composant pour tenir la tension », analyse Laurent Guillot. VisIC Technologies a également misé sur le nitrure de gallium sur silicium pour les applications du domaine de l'électronique de puissance. Ses transistors GaN de 650V sont basés sur la plateforme ALL-Switch ( Advanced Low Loss Switch ) de l'israélien. Il s'agit là de SiP ( system-in-package, boîtier-système ) multi-puces en boîtier isolé, intégrant un transistor de puissance à faible R DS(on) (typiquement 22mO pour le modèle V22N65A de 650 V/80 A, à refroidisse-ment par la face supérieure) et une fonction sécuritaire garantissant un comportement nor-mally-off . L'ensemble est piloté par un driver de Mosfet 12V ou 15 V standard. « Nos produits 650 V sont actuellement échan-tillonnés, pour une mise en production l'an prochain. D'ici deux ans, nous aurons une offre en 1 200 V », précise Luc Van de Perre, vice-président des ventes de VisIC Technologies. À Nuremberg, la société a annoncé une carte de développement regroupant de multiples V22N65A mis en parallèle pour réaliser un demi-pont de puissance de 600A crête, à partir d'une tension de bus de 500V. Le partage de courant et la compensation des inductances sont ici réalisés entre six interrupteurs de puissance (12 au total pour réaliser la topologie demi-pont) mis en parallèle. En fonction des niveaux de courant et de puissance souhaités, il est possible d'utiliser entre 2 et 6 des commutateurs en parallèle. Par ailleurs, la fréquence de commutation est ajustable jusqu'à hauteur de 100kHz. Cette carte de référence constitue un outil pour démarrer avec un onduleur à fort courant tel qu'utilisé dans les véhicules électriques, les chargeurs off-board, les grands systèmes d'alimentations secourues, les fermes solaires et pour la commande des moteurs industriels. Sur cette carte de VisIC Technologies sont regroupés de multiples transistors GaN en parallèle, selon une configuration demi-pont, avec partage du courant. Enfin, GaN Systems a mis en exergue ses derniers transis-tors E-HEMT en GaN sur silicium. Et notamment son dernier produit, le GS-065-150, un transistor de 650 V susceptible de délivrer un courant d'intensité record, soit 150A. Par rapport aux IGBT comparables, le canadien annonce des per tes cent fois moindres en régime de commutation. La puce, dont l'empreinte est de 12,56 x 5,6 mm, est créditée d'une résistance à l'état passant de 10mO, alors que la charge de grille est donnée pour 33 nC. L'association de plusieurs puces dans un module permettra de réaliser des configurations allant du bras de pont jusqu'au pont triphasé dans une grande diversité d'applications : onduleurs solaires, entraînements de moteurs industriels, systèmes de stockage de l'énergie, chargeurs embarqués dans les véhicules électriques…

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