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RÉSUMÉ
La maturité d'une filière technologique se traduit par l'émergence de nouvelles solutions techniques dans de nombreuses applications. Il en fut ainsi pour la filière silicium avec les composants de type GTO, bipolaires, MOSFET ou IGBT. Le carbure de silicium n'est pas arrivé à un stade de maturité aussi avancé que le silicium. Mais la disponibilité de composants aux performances supérieures à leurs homologues en Si permet d'envisager leur utilisation dans de nombreuses applications. Ces nouveaux composants devraient repousser les limites des performances de la filière silicium pas exemple en haute tension et en haute température.
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The maturity of a technological branch is reflected by the development of new technical solutions in numerous applications. This was the case for the silicon branch with GTO, bipolar, MOSFET or IGBT components. The silicon carbide has not reached as advanced a maturity stage as that of the silicon. However, the availability of components with superior performances to that of their Si counterparts allows for envisaging use in numerous applications. These new components are to push back the limits of the performances of the silicon branch, in high voltage and high temperature for instance.
Auteur(s)
-
Dominique TOURNIER : Maître de conférences - INSA de Lyon
INTRODUCTION
La maturité d'une filière technologique se traduit par l'émergence de nouvelles solutions techniques dans de nombreuses applications. Il en fut ainsi pour la filière silicium avec les composants de type GTO, bipolaires, MOSFET, IGBT...
Le développement de ces derniers a eu un impact certain dans le domaine de l'électronique de puissance, permettant la conception de nouvelles architectures de conversion d'énergie plus performantes et apportant des solutions techniques novatrices dans de nombreux domaines du génie électrique.
Le SiC (carbure de silicium) n'est pas arrivé à un stade de maturité aussi avancé que le silicium. Pour autant, la disponibilité de composants ayant des performances supérieures à leurs homologues en Si permet d'envisager leur utilisation dans de nombreuses applications. Ces nouveaux composants devraient permettre de repousser les limites des performances d'ores et déjà atteintes de la filière silicium pour les domaines de la haute tension et de la haute température, par exemple.
Dans le dossier [D 3 120] sont présentées les technologies de fabrication des composants de puissance en SiC. Ce dossier [D 3 122] présente un état de l'art de quelques « applications phares », en s'attachant à mettre en évidence les gains apportés par la technologie SiC pour l'électronique de puissance, sans la prétention d'être exhaustif dans le contenu, mais avec l'objectif d'illustrer les potentialités de cette nouvelle filière technologique.
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Application spécifique : limitation de courant
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2. Applications phares de l'électronique de puissance
2.1 Contexte
Plusieurs applications sont des éléments moteurs du développement de la filière SiC dans sa globalité. Elles s'inscrivent dans les préoccupations de gestion et de maîtrise de l'énergie par la réduction des pertes dans les système de conversion d'énergie, dans les installations électriques et les réseaux de distribution. Nous allons présenter quelques-unes de ces applications afin d'illustrer les différents débouchés possibles des composants de puissance en SiC :
-
la traction électrique ;
-
la correction de facteur de puissance ;
-
les applications haute température.
Notons que cette liste n'est aucunement restrictive.
HAUT DE PAGE2.2 Traction électrique et véhicules hybrides
Dans l'optique de compacité et de meilleur rendement, Toyota et Ford ont été précurseurs dans le développement de technologies de véhicules (figure 1) associant en parallèle des moteurs thermique et électrique « véhicule hybride, ... ». L'utilisation de composants en SiC dans le système électrique permet une réduction de masse, de volume ainsi qu'un meilleur rendement pour une plus grande densité de puissance et une meilleure fiabilité dans des conditions de fonctionnement sévères.
Dans ce type d'application, l'utilisation de composants SiC permet d'assurer la conversion d'énergie :
-
« DC-AC » entre les batteries et le moteur électrique ;
-
« DC-DC » entre les batteries et les organes de motorisation électrique tels que les lève-vitres ;
-
réversible (AC-DC) du moteur électrique vers les batteries (récupération d'énergie).
L'architecture typique (figure 2) est un convertisseur de tension d'une gamme de puissance comprise entre 2 et 5 kW, assurant la conversion (DC-DC) de 300 – 450 V en 43 V. Les interrupteurs I1, I2, I3, I4 peuvent être des MOSFET, JFET ou MESFET en Si ou SiC, les diodes D1 et D2 sont en SiC.
Les modélisations...
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Applications phares de l'électronique de puissance
ANNEXES
Le tableau repris dans le dossier [D 3 120] dresse la situation actuelle du marché des composants de puissance en carbure de silicium, présentant les acteurs principaux et les tendances à venir.
Concernant l'évolution des plaquettes en Sic au cours des 10 dernières années, l'augmentation des volumes de production a permis une diminution notable du coût par unité de surface d'un facteur 3 par rapport à 1997 (figure reprise dans le dossier [D 3 120]) (1 400 $ pour
3/8 contre 2 400 $ pour
aujourd'hui).
En 2004, le marché pour les composants SiC représente 13 millions de dollars. Avec un taux de croissance annuel de 30 % (dont 3/4 concerne des diodes), ce marché est estimé à 53 millions de dollars en 2009 (Yole développement). L'estimation de la distribution du marché selon les applications est présentée sur la figure . Les applications principales...
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