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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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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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3. Application spécifique : limitation de courant
3.1 Contexte
L'expansion des réseaux électriques en tous genres : distribution d'énergie, télécommunication, dans les secteurs tant industriels que domestiques a fortement contribué à l'augmentation des risques d'apparition de défauts, tels qu'une surtension ou une surintensité. Cette multiplicité et complexité des réseaux électriques et le besoin de disposer de systèmes fiables et à haut rendement ont favorisé le développement de dispositifs de protection, et plus particulièrement de la protection série. Du fait de la forte énergie apparaissant lors d'un court-circuit, plusieurs contraintes apparaissent pour la conception d'un composant limiteur de courant. La première concerne son aptitude à limiter et à dissiper l'énergie du court-circuit, sous forme de chaleur. La deuxième contrainte est la capacité du composant (ou du système) à fonctionner sous haute tension, du fait des surtensions pouvant apparaître dans les installations électriques en cas de défaut.
Une grande variété de dispositifs de limitation de courant de défaut existe pour la protection série des installations électriques : composants utilisant des polymères , systèmes de régulation ou systèmes plus complexes tels que circuit-breakers, disjoncteurs mécaniques ou fusibles conventionnels. Néanmoins, très peu de dispositifs formés à base de semi-conducteurs ont été proposés à ce jour. Bien que des diodes de régulation de courant CRD soient disponibles sur le marché , leurs capacités en courant et en tension (tenue en tension : V BR = 100 V, courant de limitation maximal : I MAX = 10 mA) ne permettent pas leur utilisation dans des système de puissance.
En opposition avec le silicium, l'utilisation de composants fabriqués à base de carbure de silicium (SiC) est réellement attrayante pour les applications à fort courant et à haute tension. Une des applications prometteuses pour ces composants est la limitation de courant pour la protection des systèmes électroniques de puissance (ou protection série), tirant ainsi le bénéfice de la haute conductivité thermique (λ = 4,9 W · cm−1 · K−1) et de la grande largeur de bande interdite (E G = 3,1 eV) de ce matériau semi-conducteur.
Différentes...
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ANNEXES
Le tableau 1 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 1 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...
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