Avantages et applications du SiC et accélération de la décarbonisation

Quels sont les avantages du SiC par rapport au Si ?

À la base, le carbure de silicium (SiC) est considéré comme un semi-conducteur à large bande interdite qui présente des avantages inhérents par rapport aux semi-conducteurs Si conventionnels. Ces propriétés matérielles du SiC permettent d’obtenir des résultats plus élevés :

• Champ de rupture
• Vitesse de dérive des électrons
• Conductivité thermique

Champ de rupture

Le champ de rupture plus élevé permet au dispositif de résister à des tensions plus élevées pour une surface donnée. Cela permet aux concepteurs de dispositifs d’augmenter la surface consacrée au flux de courant pour la même taille de matrice, ce qui réduit la résistance des dispositifs pour une surface donnée, Rsp. La résistance du dispositif est directement liée aux pertes de puissance par conduction, de sorte qu’un Rsp plus faible se traduira par des pertes plus faibles, ce qui se traduira par un rendement plus élevé.

Vitesse de dérive des électrons

La vitesse de dérive des électrons est la vitesse à laquelle les électrons se déplacent dans un matériau sous l’effet d’un champ électrique. Dans le cas des semi-conducteurs SiC, la vitesse de dérive des électrons est deux fois plus élevée que celle des semi-conducteurs à base de Si. Plus les électrons se déplacent rapidement, plus le dispositif peut s’allumer et s’éteindre rapidement. Le concepteur d’un système tire deux avantages de cette commutation plus rapide. Tout d’abord, les pertes de puissance sont réduites pendant la période de transition entre la marche et l’arrêt. Deuxièmement, des fréquences de commutation plus élevées permettent d’utiliser des magnétiques et des condensateurs plus petits.

Conductivité thermique

La conductivité thermique du SiC est environ trois fois supérieure à celle du Si et réunit tous les avantages des autres propriétés. La conductivité thermique se traduit par la rapidité avec laquelle la chaleur est transférée de la jonction du semi-conducteur à l’environnement extérieur. Cela signifie que les dispositifs en SiC peuvent fonctionner jusqu’à 200 °C, alors que la limite typique du Si est de 150 °C.

La combinaison de ces trois avantages permet au concepteur du système de concevoir un produit plus efficace tout en le rendant plus petit, plus léger et, en fin de compte, moins cher. On sait que les dispositifs en carbure de silicium sont plus chers que leurs équivalents en silicium, mais si l’on ajoute les réductions de coûts dues à l’utilisation de composants passifs plus petits et à une gestion thermique moins importante, le coût global du système peut diminuer de 20 %. Les propriétés du carbure de silicium en font un matériau très avantageux pour les applications de haute puissance qui nécessitent une tension élevée, un courant élevé, des températures élevées et une conductivité thermique importante pour un poids total réduit. Les MOSFET et les diodes Schottky diodes (sous forme de modules discrets ou de modules de puissance) sont les principales technologies de semi-conducteurs utilisant le SiC.

Applications pratiques des avantages du carbure de silicium

Le carbure de silicium est adopté dans toute une série d’applications existantes telles que les véhicules électriques, les onduleurs solaires, les systèmes de stockage d’énergie et les stations de recharge pour véhicules électriques. Les concepteurs et les fabricants de systèmes tirent de nombreux avantages de ce changement, mais comment ces avantages se traduisent-ils pour le consommateur de ces produits finis ?

Pour commencer, examinons les véhicules électriques (VE). La principale raison qui limite leur adoption à grande échelle est l’inquiétude liée à leur autonomie. L’utilisation du SiC permet d’augmenter l’autonomie d’un véhicule électrique de plus de 7 %. Il suffit de passer d’un onduleur à base d’IGBT à un onduleur SiC pour que l’autonomie s’en trouve considérablement améliorée. Les avantages ne s’arrêtent pas là. L’utilisation du SiC pour les VE permet également de relever le défi de l’adoption des VE : le coût. Les batteries utilisées dans les VE sont la partie la plus coûteuse du véhicule. Si l’utilisation du SiC permet d’augmenter l’autonomie du véhicule de 7 %, elle peut également permettre de réduire la taille de la batterie de 7 % tout en conservant une autonomie équivalente à celle de la batterie de base sans SiC. Un bloc-batterie plus petit se traduira directement par une réduction du coût global du véhicule électrique. C’est la raison pour laquelle l’adoption du SiC dans les véhicules électriques est si forte et c’est ce qui explique les prévisions de revenus importants pour les fabricants de SiC.

Les stations de recharge des VE et la mise en place de cette infrastructure de recharge sont associées aux VE. Dans le cas des stations de recharge pour VE, l’une des principales considérations est la densité de puissance. C’est là que le SiC intervient, en permettant aux concepteurs de systèmes d’augmenter la puissance fournie dans le même volume ou de conserver la même puissance tout en réduisant le volume de 300 %. L’augmentation de la puissance dans le même volume est la principale force motrice de l’utilisation du SiC pour les stations de recharge des véhicules électriques. L’objectif est de pouvoir recharger un véhicule électrique dans le même laps de temps qu’une personne passe à une station-service. Cela n’est possible qu’en augmentant la quantité d’énergie fournie au véhicule par la station de recharge.

Le carbure de silicium aide également le marché des énergies renouvelables en permettant de fabriquer des onduleurs solaires plus petits et plus légers. Grâce à une fréquence de commutation plus rapide rendue possible par le carbure de silicium, les onduleurs solaires peuvent utiliser des magnétiques plus petits et plus légers. Selon le niveau de puissance, l’onduleur solaire peut ainsi peser moins de 50 livres (environ 22,6 kg). Cinquante livres est la limite maximale qu’une personne peut soulever, fixée par l’Occupational Safety and Health Administration (OSHA). Pour soulever un équipement de plus de 50 livres, il faut au moins deux personnes ou un appareil de levage. En créant un onduleur solaire plus léger, une organisation n’a besoin que d’une seule personne pour l’installation. Le coût de l’installation est ainsi réduit, ce qui le rend souhaitable pour les installateurs et les consommateurs. Cet avantage s’applique également aux chargeurs muraux de VE. L’utilisation du SiC dans les onduleurs solaires présente bien entendu d’autres avantages pratiques, tels qu’un gain d’efficacité global et une réduction du coût total du système.

Les commandes de moteurs industriels bénéficient également du passage au SiC. Le SiC permet d’améliorer l’efficacité des variateurs de vitesse, de réduire leur taille et d’augmenter la dissipation thermique, ce qui permet de placer le variateur de vitesse localement ou sur le moteur lui-même. Les solutions utilisant des IGBT Si n’ont donc plus besoin de plusieurs longs câbles remontant vers l’armoire d’alimentation. Au lieu de cela, les solutions SiC n’ont besoin que de deux câbles allant jusqu’à l’armoire d’alimentation. Cela permet d’éliminer les centaines de mètres de câbles coûteux et complexes nécessaires pour cet exemple de bras robotique articulé à sept moteurs de l’image 2. Vous trouverez plus d’informations sur ce sujet ici : MOSFET SiC et IGBT Si : Avantages des MOSFET SiC

Les exemples d’application précédents bénéficient tous de la durabilité et de la fiabilité robustes du SiC, ce qui constitue un facteur de différenciation crucial lorsque les concepteurs envisagent d’utiliser d’autres semi-conducteurs à large bande interdite tels que le nitrure de gallium (GaN).

En savoir plus sur les différences entre GaN et SiC.

Le carbure de silicium au service de la décarbonisation du monde

Le point commun des applications décrites ci-dessus est qu’elles permettent toutes de progresser vers la décarbonisation. Cependant, elles le font de différentes manières.

Les véhicules électriques contribuent à la décarbonisation en réduisant directement le nombre de livres de CO2 émis par le transport. Ils n’émettent pas de gaz d’échappement, mais consomment de l’électricité produite par des sources émettrices de CO2. En tenant compte de ces émissions, le ministère américain de l’environnement estime que les émissions annuelles d’un VE s’élèvent à 2 817 livres de CO2 (environ 1277 kg), contre 12 594 livres de CO2 (environ 5 712 kg) pour un véhicule à essence. Cela représente une réduction de 78 % de la quantité de CO2 émise dans l’atmosphère.

Les stations de recharge des VE n’ont pas d’impact direct sur la décarbonisation, mais sans une infrastructure solide de stations de recharge rapide à courant continu, l’adoption des VE sera limitée. Les inquiétudes liées à l’autonomie reste un facteur important du manque d’adoption des VE. 90 % des ménages américains qui possèdent un véhicule électrique possèdent un autre véhicule qui n’est probablement pas un véhicule électrique. Ces statistiques démontrent que les consommateurs ne sont pas convaincus que leur véhicule électrique peut répondre à tous leurs besoins, notamment en ce qui concerne les trajets longue distance.

Depuis 2009, le coût de la production d’énergie solaire photovoltaïque (PV) a chuté de près de 90 %, ce qui en fait la source de production d’énergie la moins coûteuse, à 37 $/MWh en 2020. À titre de comparaison, le charbon coûte 112 $/MWh et le gaz naturel 59 $/MWh. L’énergie solaire permet au monde de produire de l’énergie sans émissions de CO2, et ce au coût le plus bas par rapport aux autres sources d’énergie. Le SiC ne peut pas s’attribuer tout le mérite de cette réduction des coûts, mais il contribue à la baisse du coût de la production d’énergie solaire.

Le monde évolue vers une utilisation accrue de l’énergie électrique. Il est donc important de continuer à améliorer l’efficacité des équipements qui consomment cette énergie électrique. Les moteurs électriques représentent 40 à 50 % de la consommation mondiale d’électricité. Il est essentiel de rendre ces moteurs électriques très efficaces, car un petit gain d’efficacité est amplifié par le grand nombre de ces moteurs dans le monde.

Non seulement le SiC contribue à accélérer la décarbonisation dans les applications existantes, mais il permet des applications qui n’étaient pas réalisables auparavant. Les avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL) en sont un exemple. Tout comme le SiC permet d’augmenter l’autonomie des véhicules électriques, il permet également d’augmenter l’autonomie des avions à décollage et atterrissage verticaux, ce qui les rend plus pratiques.

Les semi-conducteurs SiC contribuent à accélérer l’adoption de ces systèmes finaux en les rendant plus efficaces, plus fiables, plus robustes, plus petits, plus légers et globalement moins coûteux.

Laissez Arrow Electronics être votre guide en matière de SiC

Comme pour toute nouvelle technologie, il y aura des changements rapides et des difficultés à surmonter. Arrow Electronics a travaillé avec son portefeuille de fournisseurs SiC pour développer l’expertise et les outils nécessaires à une transition rapide et réussie vers le SiC. Ces fournisseurs SiC comprennent Infineon Technologies, Microchip Technology, onsemi, ST Microelectronics et Wolfspeed.

Pour tirer parti de tous les avantages du SiC, il est nécessaire de réévaluer l’ensemble de la conception, ce qui oblige les concepteurs de systèmes à choisir de nouveaux pilotes de grille, capteurs de courant, condensateurs, magnétiques, connecteurs et même le contrôleur. Conscients de cela, Wolfspeed et Arrow Electronics ont travaillé conjointement pour développer le Wolfspeed SpeedVal Kit™, une plateforme d’évaluation modulaire pour SiC. Celle-ci permet à un concepteur de système d’évaluer rapidement différents dispositifs SiC en combinaison avec divers pilotes de grille et contrôleurs dans un environnement prêt à l’emploi.

Le SiC présente des avantages évidents par rapport aux technologies du Si qui permettent au monde d’accélérer la décarbonisation. Arrow Electronics est particulièrement bien placé pour contribuer à accélérer l’adoption du SiC et le mouvement vers la décarbonisation grâce à son expertise dédiée à la haute puissance et à son portefeuille de fournisseurs de premier plan.

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