SiC MOSFET vs. Si IGBT : avantages du SiC MOSFET

Par Omara Aziz

MOSFET vs. IGBT : L'avenir du contrôle de commande de moteur

Les dispositifs électromécaniques — interrupteurs, solénoïdes, encodeurs, générateurs, et moteurs électriques — sont le pont fondamental entre le monde numérique et le monde physique. La magie de tous ces dispositifs réside dans leur capacité à convertir des signaux électriques en actions mécaniques.
 
Alors que des industries comme la fabrication automatisée, les véhicules électriques, les systèmes de bâtiment avancés et les appareils intelligents progressent, la demande pour un contrôle, une efficacité et des capacités accrus de ces dispositifs électromécaniques augmente également. Cet article explore comment les percées dans les MOSFET en carbure de silicium (SiC MOSFET) redéfinissent les capacités des moteurs électriques qui ont historiquement utilisé des IGBT en silicium (Si IGBT) pour l'inversion de puissance. Cette innovation élargit les capacités des applications de commande de moteur dans presque toutes les industries.

Que sont les IGBT en Si et les MOSFET en SiC ?

Si IGBT est l'abréviation de transistors bipolaires à grille isolée en silicium. SiC MOSFET est l'abréviation de transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur en carbure de silicium.
 
Les Si IGBT sont des dispositifs contrôlés par le courant, basculés par un courant appliqué à la borne de grille du transistor, tandis que les MOSFET sont contrôlés par la tension par une tension appliquée à la borne de grille.
 
La principale différence entre Si IGBTs et SiC MOSFETs est le type de courant qu'ils peuvent gérer. En général, les MOSFET conviennent aux applications de commutation à haute fréquence, tandis que les IGBT sont mieux adaptés aux applications de haute puissance.

Pourquoi les IGBTs en silicium et les MOSFETs en carbure de silicium sont essentiels dans les applications de commande de moteurs

Les moteurs électriques sont omniprésents dans la technologie moderne et dépendent souvent des systèmes de batteries comme source d'énergie. Par exemple, les véhicules électriques utilisent des systèmes de batteries massifs qui fournissent de l'énergie DC au véhicule, créant ainsi un mouvement physique via des moteurs électriques AC. Un contrôle absolu de ces moteurs AC est essentiel pour la performance et l'efficacité du véhicule, ainsi que pour la sécurité des occupants. Cependant, ce système de transmission repose sur des onduleurs pour convertir l'énergie DC de la batterie en un signal AC que les moteurs peuvent utiliser pour créer le mouvement.
 
Ces onduleurs contrôlent précisément la vitesse, le couple, la puissance et l'efficacité du moteur et permettent des capacités de freinage régénératif. En fin de compte, l'onduleur est aussi précieux pour le système de transmission que le moteur. Comme c'est le cas pour tous les dispositifs dans les applications de puissance, les onduleurs peuvent varier considérablement en capacités et exigences de conception et sont essentiels à la performance globale du système de puissance DC vers moteur AC.
 
Deux types d'onduleurs sont utilisés dans les applications modernes de moteur DC à AC: les IGBT en silicium et les MOSFET en carbure de silicium. Historiquement, les Si IGBT sont les plus courants, mais les SiC MOSFET ont multiplié leur popularité en raison de leurs divers avantages de performance et de la baisse continue des coûts. Lorsque les MOSFET SiC ont été introduits sur le marché, leur coût était largement prohibitif pour la plupart des applications de commande de moteur. Cependant, à mesure que l'adoption de cette technologie supérieure augmente, la fabrication à grande échelle a considérablement réduit le coût des MOSFET SiC.

Avantages et inconvénients des IGBT en Si par rapport aux MOSFET en SiC

Les IGBT en silicium sont historiquement utilisés dans les applications de commande de moteur CC vers CA en raison de leur capacité à gérer de hauts courants, leur vitesse de commutation rapide et leur faible coût. Plus important encore, les IGBT en silicium ont une tension nominale élevée avec une faible chute de tension, des pertes de conductance et une impédance thermique, ce qui en fait un choix évident dans les applications de commande de moteur à haute puissance comme les systèmes de fabrication. Cependant, un inconvénient considérable des IGBT en silicium est qu'ils sont très sensibles à l'emballement thermique. L'emballement thermique se produit lorsque la température du dispositif augmente de manière incontrôlable, entraînant un dysfonctionnement du dispositif et finalement une défaillance. Dans les applications de commande de moteur où le courant élevé, la tension élevée et les conditions de fonctionnement sont courants, comme dans les véhicules électriques ou la fabrication, l'emballement thermique peut être un risque de conception significatif.
 
Comme solution à ce défi de conception, les MOSFET en SiC sont plus résistants à l'emballement thermique. Le carbure de silicium est plus conducteur thermiquement, permettant une meilleure dissipation de la chaleur au niveau du dispositif et des températures de fonctionnement stables. Les MOSFET en SiC sont mieux adaptés aux espaces ambiants plus chauds, tels que les applications automobiles et industrielles. De plus, étant donné leur conductivité thermique, les MOSFET en SiC peuvent éliminer le besoin de systèmes de refroidissement supplémentaires, ce qui peut potentiellement réduire la taille globale du système et ainsi réduire le coût du système.
 
Parce que les MOSFET en SiC fonctionnent à des fréquences de commutation beaucoup plus élevées que les IGBT en silicium, ils sont idéaux pour les applications où un contrôle précis du moteur est essentiel. Les hautes fréquences de commutation sont primordiales dans la fabrication automatisée, où des servomoteurs très précis sont utilisés pour le contrôle des bras d'outils, le soudage de précision et le placement précis des objets.
 
En outre, un avantage notable des systèmes de pilote de moteur MOSFET en SiC par rapport aux systèmes IGBT en silicium est leur capacité à être intégrés dans les ensembles moteur, avec un contrôleur de moteur et un onduleur intégrés dans le même boîtier que le moteur.
 
En déplaçant l'ensemble du pilote de moteur à l'emplacement local du moteur, le câblage entre les inverseurs de puissance et le pilote de moteur peut être considérablement réduit, permettant des économies significatives. Dans l'exemple de l'Image B, un panneau de puissance traditionnel IGBT en silicium peut nécessiter 21 câbles uniques pour alimenter les sept moteurs (étiquetés ‘M’) du bras robotique, ce qui pourrait représenter des centaines de mètres d'une infrastructure de câblage coûteuse et complexe. Avec un système de commande de moteur MOSFET en SiC, le nombre de câbles peut être réduit à deux longs câbles qui se connectent à chaque moteur de l'ensemble local du moteur.

Inconvénients des MOSFET en SiC par rapport aux IGBT en Si

Cependant, il y a des inconvénients aux MOSFET SiC par rapport aux IGBT Si. Tout d'abord, les MOSFET SiC sont encore plus chers que les IGBT Si, ce qui les rend potentiellement moins adaptés aux applications sensibles au coût. Bien que les MOSFET SiC soient eux-mêmes plus coûteux, certaines applications peuvent voir une réduction de prix dans le système global de commande de moteur (par réduction du câblage, des composants passifs, de la gestion thermique, etc.) et peuvent être globalement moins chers par rapport à un système IGBT Si. Ces économies de coûts peuvent nécessiter une conception impliquée et une analyse de l'étude de coût entre les deux systèmes d'application mais pourraient conduire à une efficacité accrue et à des économies de coûts.
 
Un autre inconvénient des MOSFET SiC est qu'ils peuvent présenter des exigences de commande de grille plus complexes qui peuvent les rendre moins idéaux que les IGBT dans des applications où d'autres composants du système peuvent limiter les ressources de commande de grille.

Technologie d'onduleur améliorée avec MOSFET en carbure de silicium

Les MOSFETs en carbure de silicium ont considérablement amélioré la technologie des onduleurs pour les systèmes d'entraînement de moteur. Comme c'est le cas avec tous les types de composants, il existe des applications particulières où les IGBTs peuvent encore être mieux adaptés. Cependant, les onduleurs MOSFET en SiC offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux IGBTs en Si, ce qui en fait des solutions très attrayantes pour les applications d'entraînement de moteur et une vaste gamme d'autres applications.
 
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