Les applications automobiles sont à la pointe du développement en matière de technologies de semi-conducteurs plus économes en énergie, avec les semi-conducteurs à large bande (WBG) largement utilisés dans les voitures et pour prendre en charge l'infrastructure, comme la recharge des véhicules électriques.
Leur bande interdite plus large est la grosse différence entre les technologies WBG et les semi-conducteurs conventionnels ou « en silicium ». Cette bande interdite est la différence d'énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction ; cette différence permet aux dispositifs de puissance avec semi-conducteur WBG de fonctionner à des tensions, températures et fréquences plus élevées, ce qui est possible avec l'utilisation de matériaux sans silicium nouveaux et émergents.
Les modules de puissance WBG représentent un segment petit mais en plein essor de l'électronique de puissance. Ils servent à convertir, contrôler et traiter l'électricité. Les dispositifs de puissance avec semi-conducteur WBG permettant de générer, transmettre et consommer de l'énergie de manière plus efficace, ils sont tout indiqués dans de nombreuses applications automobiles.
Attention au gap… et aux matériaux
La bande interdite des semi-conducteurs au silicium va de 1 à 1,5 électronvolt (eV) alors que les semi-conducteurs WBG ont des bandes interdites plus larges, de 2 à 4 eV. Pour faire simple, une bande interdite plus large est meilleure parce qu'un semi-conducteur WBG peut fonctionner à des températures maximales plus élevées que celles d'un semi-conducteur en silicium, une caractéristique très appréciée dans les applications automobiles.
La bande interdite d'un matériau, telle que définie en physique, est la différence d'énergie entre l'état non occupé le plus bas de la bande de conduction (la bande que les électrons peuvent franchir) et l'état occupé le plus haut de la bande de valence, qui est la bande d'orbites que les électrons peuvent franchir lorsqu'ils sont excités par l'application d'énergie. L'énergie nécessaire pour activer les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction est déterminée par ce « gap » (ou bande interdite).
Outre le gap, les matériaux utilisés dans les semi-conducteurs WBG sont ce qui les différencient des semi-conducteurs traditionnels. Les plus courants sont le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC). On prévoit que les débouchés commerciaux des technologies basées sur ces éléments dépasseront 6,9 millions de dollars d'ici 2032.
Le GaN a une bande interdite de 3,2 eV tandis que le SiC a une bande interdite de 3,4 eV, des performances 3 fois supérieures à celles du silicium. Du fait de leurs bandes interdites plus larges, le GaN et le SiC supportent des tensions et des fréquences plus élevées que les semi-conducteurs en silicium, mais ils sont aussi différents l'un de l'autre. Ces facteurs affectent leur mode de fonctionnement et leurs cas d'utilisation, y compris dans l'automobile.
La différence la plus marquante entre le GaN et le SiC est leur vitesse que l'on définit comme la rapidité à laquelle l'électronique traverse le matériau du semi-conducteur. La « mobilité électronique » du GaN est 30 % plus rapide que celle du silicium à 2 000 cm2/Vs. La mobilité électronique du SiC est de 650 cm2/Vs. La mobilité électronique plus élevée du GaN le destine aux applications haute fréquence et haute performance tandis que la conductivité thermique plus élevée du SiC et son fonctionnement à une fréquence plus basse le rend intéressant dans les applications à alimentation plus élevée.
Ces différences expliquent pourquoi les semi-conducteurs GaN sont bien adaptés aux dispositifs RF qui commutent dans la bande gigahertz, et pourquoi le SiC est utilisé dans les véhicules électriques et les centres de données, certaines conceptions à énergie solaire, la traction ferroviaire, les éoliennes, la distribution d'électricité et l'imagerie médicale et industrielle ; ils ont tendance à avoir besoin de tensions finales plus élevées et d'une meilleure dissipation thermique.
Les technologies dominantes à base de silicium ayant commencé à atteindre leurs limites de performance dans un nombre croissant d'applications existantes et émergentes, le GaN et le SiC offrent plusieurs avantages lorsqu'ils sont utilisés dans les applications automobiles.
Le WBG peut supporter la chaleur de l’automobile
Le bénéfice global des semi-conducteurs WBG est qu'ils peuvent supporter des champs électriques plus forts et des tensions plus élevées, et qu'ils fonctionnent à des fréquences de commutation supérieures, ce qui améliore les performances. Ils tolèrent également des températures maximales plus élevées que les composant en silicium.
Les technologies WBG peuvent également prendre moins de place parce que le commutateur est plus rapide : l'énergie est distribuée en paquets plus petits, ce qui nécessite donc de stocker moins d'énergie dans les dispositifs passifs et inductifs du circuit. La miniaturisation est toujours une bonne chose dans l'automobile, en particulier, lorsqu'elle rime avec plus de puissance et meilleure efficacité énergétique ; le poids de la voiture diminue, ce qui est une bonne chose pour la consommation de carburant et la réduction des émissions de CO2. C'est particulièrement vrai pour les véhicules électriques puisque le GaN et le SiC ne s'utilisent pas seulement à l'intérieur de la voiture, mais aussi dans l'infrastructure de recharge.
Le GaN permettant de construire des systèmes de puissance plus petits, plus efficaces et moins chers, il prend en charge plusieurs aspects clés de l'électrification des véhicules : des batteries plus petites et plus légères, des performances de recharge accrues et une meilleure autonomie des véhicules électriques. Le GaN prend également en charge les applications de puissance sans fil et les capacités de véhicule autonome.
Dans l'infrastructure de recharge des véhicules électriques, le chargeur embarqué (OBS) est la pièce essentielle. En effet, chaque véhicule électrique en a besoin et il doit pouvoir convertir le courant CA de la prise murale en courant CC pour charger la batterie. Les transistors GaN permettent de réduire la taille et d'alléger les OBC, ce qui par voie de conséquence réduit le poids total du véhicule et prolonge l'autonomie. Les transistors GaN peuvent également servir d'onduleurs de traction, pour convertir l'alimentation CC en alimentation CA dans la batterie, et ils améliorent l'autonome par une gestion plus efficace de l'énergie.
Entre-temps, l'infrastructure de recharge nécessaire pour soutenir l'adoption des véhicules électriques reçoit l'aide de la technologie SiC via les produits de puissance basés SiC, ce qui inclut les puces nues, les diodes Schottky discrètes et les MOSFET, ainsi que les modules de puissance. Les capacités de conversion de puissance plus élevées, les commutations de vitesse plus rapides et les performances thermiques accrues font du SiC l'infrastructure de recharge rapide parfaite pour véhicules électriques. Comme le GaN, le SiC permet de miniaturiser et d'alléger les dispositifs par rapport aux options en silicium conventionnelles.
La technologie SiC joue un rôle primordial dans la construction de l'infrastructure de recharge rapide nécessaire pour apaiser toute anxiété en matière d'autonomie des véhicules électriques, de fiabilité et de solidité nécessaires au niveau du dispositif système. Tandis que l'autonomie des véhicules électriques s'améliore grâce à l'adoption de batteries plus puissantes et plus légères, les OBC acquièrent une dimension bidirectionnelle via les solutions basées sur le SiC également capables de prendre en charge des applications de réseau intelligent et des capacités d'e-commerce au niveau de l'infrastructure de recharge des véhicules électriques.
La flexibilité est également primordiale pour les conceptions automobiles, un élément que les technologies GaN et SiC prennent en charge parce qu'elles sont plus petites, plus légères et qu'elles gèrent mieux l'énergie. Pour que les véhicules électriques deviennent la norme, il faut que l'infrastructure de recharge en soutien puisse accueillir de nombreux types de véhicules et d'acteurs différents (pas simplement les conducteurs de véhicules électriques, mais également les municipalités et les entrepreneurs qui auront tous besoin de stations de recharge, besoins qui doivent être traités par les concepteurs de système).
Les semi-conducteurs WBG ont un potentiel énorme pour résoudre les problèmes de puissance du secteur automobile, mais aussi d'autres applications dans les énergies alternatives et les alimentations électriques sans coupure – consultez ce livre électronique pour en savoir plus. Décupler la puissance tout en protégeant l'environnement, voilà ce que permettent les technologies WBG au niveau des dispositifs de puissance puisqu'elles réduisent la taille, améliorent l'efficacité énergétique et diminuent la consommation globale ; trois points essentiels dans le domaine de l'automobile.
