Les transistors de puissance en SiC se divisent en 3 catégories : les transistors à jonction bipolaire (BJT), les transistors à effet de champs (FET) et les transistors à effet de champs à grille isolée (MOSFET). Notons qu’il existe des travaux sur des composants IGBT en SiC [18, 19], sauf que leurs performances sont loin d’être satisfaisantes. Ceci est dû à un nombre de défis techniques difficiles à surmonter :
• La difficulté de réaliser des IGBT SiC avec un canal de type N
• La nécessité d’une tension négative importante appliquée à la grille pour amorcer l’IGBT de type P
I.1.3.1 Le transistor bipolaire en SiC (BJT)
Le BJT SiC peut être intéressant pour les applications de puissance. Il ne manifeste pas les problèmes de grilles connus dans les MOSFET en SiC (voir paragraphe I.1.3.3), et il possède des résistances plus faibles à l’état passant [20] induisant ainsi des pertes par conduction plus modérées.
Cependant, l’inconvénient majeur des transistors BJT est la nécessité d’appliquer une alimentation permanente en courant continu pour les maintenir à l’état passant. De plus, son gain, déjà faible, diminue davantage avec l’augmentation de sa température. Une des solutions proposées est la configuration de Darlington [21]. Toutefois, avec cette configu-ration les caractéristiques de conduction (RON, chute de tension à l’état passant, ...) se trouvent dégradées [22].
I.1.3.2 Le transistor à effet de champs en SiC (JFET)
Les premiers composants JFET fabriqués en SiC sont des composants normalement passant « Normally ON ». C’est-à-dire malgré l’absence de la tension de commande appli-quée à la grille, ils permettent toujours la conduction du courant, ce qui est évidemment déconseillé en électronique de puissance (risque de court-circuit).
Une des solutions à ce problème est d’associer le JFET SiC à un MOSFET Si basse tension, en série, dans une configuration dite « Cascode » (Figure I.3) qui permet de rendre le composant normalement bloquant « Normally OFF » [23].
Figure I.3: Configuration « Cascode » d’un JFET SiC normalement passant avec un MOSFET Si basse tension
En effet, sans l’application d’une tension positive à la grille du MOSFET Si (les bornes G-S dans la Figure I.3), ce dernier restera toujours bloqué et la tension appliquée aux bornes de D-S sera complètement supportée par le JFET SiC. Lorsque une tension posi-tive est appliquée aux bornes de G-S, le MOSFET Si s’amorce et la tension à ces bornes drain-source internes prendra une faible valeur (Vds,ON, voir équation I.7). Ceci conduit à l’amorçage du JFET étant normalement passant.
Vds,ON = Rds,ON · Id (I.7) Avec :
• Vds,ON : Tension drain-source aux bornes du MOSFET • Rds,ON : Résistance drain-source du MOSFET
• Id : Courant traversant le drain du MOSFET
L’inconvénient principal de cette structure est la génération des pertes additionnelles dues à la présence de la résistance du MOSFET Si. De plus, le fonctionnement de cette structure se trouve limité par la température de jonction maximale du Si qui est beaucoup plus faible que celle du SiC.
Par ailleurs, d’autres recherches ont été menées pour fabriquer des JFET en SiC nor-malement ouvert comme le :
• TI-JFET « Trench and Implanted gate - FET » [24]
• SIAFET « Static induction Injected Accumulated FET » [25] • SEJFET « Static Expansion JFET » [26, 27]
• BGJFET « Buried Gate JFET » [28]
Malgré le développement réalisé dans ce domaine, le JFET en SiC n’est toujours pas mature et le circuit de commande de la grille (Driver) doit fournir un courant relativement important pour assurer son bon fonctionnement. Par exemple, le composant SJEP120R100 fabriqué par le fondeur SemiSouth, exige un courant de 220 mA sous une tension de 3 V pour rester à l’état passant, rendant ainsi le circuit de commande plus complexe.
I.1.3.3 Le transistor à effet de champs à grille isolée (MOSFET) en SiC
Le MOSFET en SiC est le composant le plus prometteur pour les applications haute tension. Parmi ceux qui sont disponibles sur le marché, nous trouvons des composants ayant une tenue en tension de l’ordre de plusieurs KV, tout en gardant une résistance à l’état passant relativement faible.
En effet, S. Sabri et al. ont [29] présenté une nouvelle puce MOSFET en SiC avec une tenue en tension de 6.5 kV et un courant continu nominal de 30 A. Ceci montre bien l’intérêt de MOSFET SiC, par rapport à son homologue en Si, car ce dernier supporte des tensions relativement limitées tout en possédant des résistances à l’état passant beaucoup plus élevées.
A titre d’exemple, Infineon a récemment proposé un MOSFET en Si avec une ten-sion de claquage nominal de 950 V (IPN95R2K0P7 [30]), sauf que ce composant a une résistance à l’état passant (Rds,ON) de 2 Ω).
Une comparaison rapide avec les MOSFETs à base de SiC proposés par CREE, montre clairement les avantages de ces derniers (Tableau I.5).
Fabricant Identifiant Matériau
Tension de claquage (VBR) Courant continu nominal (Id) Résistance à l’état passant (Rds,ON) Infineon IPN95R2K0P7[30] Si 950 V 4 A à 25◦C 1.71 Ω à 25◦C CREE C3M0016120K[31] SiC 1200 V 115 A à 25◦C 16 mΩ à 25◦C CREE C2M0045170P[32] SiC 1700 V 72 Aà 25◦C 45 mΩ à 25◦C Tableau I.5: Comparaison des MOSFET les plus performants en Si et en SiC De plus, cette augmentation de tenue en tension permet au MOSFET en SiC de rem-placer le transistor bipolaire à grille isolée en Si (IGBT). En effet, d’après ROHM [10],
l’utilisation du MOSFET en SiC pour remplacer l’IGBT en Si (de même calibre) permet de réduire les pertes à l’amorçage (Turn ON) de 33.58% et les pertes au blocage (Turn OFF) de 87.75% (Figure I.4). Cette diminution considérable des pertes par commuta-tion permet d’augmenter la fréquence des commutacommuta-tions des MOSFET SiC par rapport à l’IGBT, et par conséquent réduire la taille et l’encombrement des filtres ainsi que le coût du convertisseur.
(a)
(b)
Figure I.4: Comparaison des formes d’onde lors de l’amorçage (a) et lors du blocage (b), d’un MOSFET en SiC avec un IGBT en Si