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1 plugging a laptop into a substation communication network, IEDs can be explored, SA configurations based on the SCD Semi-conducteurs file can be inspected and SA de puissance network traffic can be thoroughly analyzed. The tools used for these tasks are described in the following paragraphs. 2 ème partie : boîtiers et matériaux du futur Stefan Linder IEC Substation Browser The IEC substation browser is a testing tool which allows an engineer to browse an SA system online with IEDs Ces attached. dernières The décennies, configuration les of semi-conducteurs an de puissance ont élargi IED can leurs be domaines loaded from d application, an SCL file les progrès rapides et continus en électronique browser de puissance then connects ayant permis to the de développer des dispositifs très efficaces, usqu à une dizaine d années envi- J and the corresponding performants servers. et simples It can d emploi. also detect IEDs dans in le an précédent SA network, numéro inspect de la Revue ABB 1), était consacrée à la concepteurs de puissance jouaient le simple La première partie de cet article, publiée ron, les boîtiers des semi-conduc- IEDs tion for their et à l optimisation functions in terms des puces of pour différents types de composants, rôle de contenant. Aujourd hui, ils servers, check for the existence of logical devices and logical nodes (as cle au développement des systèmes constituent de plus en plus un obsta- principalement les IGBT et les IGCT. well as their corresponding attributes), à électronique de puissance. C est all without L optimisation having an poussée SCD file du at silicium a rapproché toujours plus ces performances The browser des limites displays physiques process et techniques. Sauf rupture technologique d une attention croissante de la part pourquoi leur conception fait l objet hand. data improbable, ie, data attributes les potentiels with functional d amélioration de la filière silicium ne cessent des développeurs. constraint status information (ST) or de s amoindrir. Par contre, la technologie des boîtiers constitue un réel axe measurands de progrès (MX) ; nous which verrons are continuously updated. The user can addi- pourquoi dans cette deuxième partie. tionally reserve, enable, configure report Actuellement, control blocks, presque start general tous les interrogation de silicium. (GI) or check Dans un for exercice extensions de prospective, nous analyserons les promes- semi-conducteurs de puissance sont à base (or in ses other des words matériaux non-registered à large bande devices nitrure responding de gallium to ping, et le SNMP, diamant. interdite comme le carbure de silicium, le MMS). A more extensive presentation of plug-and-play applications build around the concept of the IEC substation browser can be found in [3]. IEC Network Analyzer With the growing dependency on Ethernet communication among IEDs and other devices in a substation, there is a distinct need for tools that can analyze the data traffic (ie, basic Ethernet and related TCP/IP traffic) exchange in an SA network. This data is transmitted as a sequence of bits and an engineer must be able to understand the context of any piece of extracted data if he is to discover any irregularities or problems. The IEC Network Analyzer 3 is a testing tool that can capture and analyze substation communication network traffic in combination with the information found in an SCL file. By simply plugging in a standard laptop to a substation communication network, problems are quickly detected and IEC protocol implementations Deux types de boîtier Dans le domaine des fortes puissances, deux conceptions de boîtier se sont imposées : le boîtier isolé et le boîtier pressé 1. Dans le premier, le circuit électrique est isolé galvaniquement du radiateur par un isolant céramique alors que, dans le second, le courant circule verticalement dans tout le dispositif, y compris dans le radiateur. Fondamentalement, les deux types de boîtier conviennent indifféremment aux IGBT et aux IGCT. Or, en pratique, les IGCT ne sont proposés qu en boîtiers pressés alors que les IGBT sont fabriqués dans les deux variantes. Le boîtier isolé prédomine dans les systèmes de faibles puissances (< MW) car le circuit exige une solution mécanique moins complexe (donc moins chère). On privilégie le boîtier pressé pour les puissances supérieures à environ 10 MW, ceci pour deux raisons essentielles : Dans les systèmes de très forte puissance, les semi-conducteurs doivent être mis en parallèle et/ou en série. Note 1) Stefan Linder, Semi-conducteurs de puissance 1 ère partie : fondements et domaines d application, Revue ABB 4/2006, p

2 Dans ce dernier cas, les boîtiers pressés ont l énorme avantage de permettre la connexion des modules par simple empilage avec radiateurs interposés. Exemple : les postes convertisseurs des liaisons en courant continu à haute tension (CCHT) dans lesquels jusqu à 200 modules peuvent être raccordés en série. Un boîtier pressé doit être utilisé si l application impose une circulation ininterrompue de courant (ex., convertisseur à source de courant, mais également systèmes devant réagir à la défaillance d un semi-conducteur ou à un défaut de commande en déchargeant le bus c.c. par l allumage de tous les semi-conducteurs). Dans un boîtier pressé, les pièces polaires métalliques fondent lors de la défaillance d un semi-conducteur, garantissant ainsi un parcours de faible impédance. A l opposé, dans le boîtier isolé, le courant circule dans les fils de métallisation qui s évaporent sur une impulsion de courant élevé pendant un défaut, laissant ainsi le circuit ouvert. Règles de conception des boîtiers La conception d un boîtier pose un double défi : Les composants de puissance modernes dissipent en continu 100 à 200 W/cm 2 de silicium, soit une densité de puissance d environ un ordre de grandeur supérieure (par unité de surface) à celle d une plaque de cuisson ménagère allumée à fond. Les contraintes imposées au boîtier et aux matériaux utilisés sont donc extrêmes. Le coefficient de dilatation thermique (CDT) du silicium est environ 5 à 10 fois inférieur à celui de la plupart des métaux (Cu, Al) adaptés au couplage électrique et thermique. Cela signifie que les composants critiques encapsulés dans le boîtier (contacts des fils de métallisation, cordons de brasure) subissent d énormes contraintes thermomécaniques lors des variations de charge, pénalisant considérablement leur durée de vie. Par conséquent, l unique solution consiste à utiliser des matériaux onéreux et de haute technicité. Gisements de progrès de la technologie des boîtiers Augmentation des températures de jonction La puissance utile P utile des dispositifs de puissance obéit à la loi suivante : T ambiant P utile (1) R th est la température maximale de jonction, T ambiant la température du radiateur (milieu ambiant) et R th la résistance thermique entre la jonction du semi-conducteur et le milieu ambiant. Augmenter la température maximale de jonction permettrait d exploiter le convertisseur à une fréquence de commutation supérieure pour réduire les harmoniques et, donc, la taille des filtres. La formule permet de comprendre immédiatement qu en augmentant la température maximale de jonction des dispositifs haute tension (> 1700 V) de 125 C (standard actuel) à 150 C, le gain de performances serait de 25 à 30 % (en supposant une température ambiante d environ C). Une autre solution consisterait non pas à réserver ce gain de performances pour accroître la puissance utile, mais plutôt pour renforcer les capacités de refroidissement avec des pertes accrues à une puissance donnée. Cela permettrait d exploiter le convertisseur à une fréquence de commutation supérieure pour réduire les harmoniques et, donc, la taille des filtres. Dans la pratique, cette solution impose plusieurs préalables importants : 1) Propriétés du silicium Les composants de puissance doivent continuer d interrompre, de manière fiable, le courant nominal supérieur à la température de jonction plus élevée. Dans les convertisseurs de tension, les diodes de roue libre doivent supporter, en toute sécurité, un courant de surcharge supérieur en cas de défaut. Les dispositifs IGBT doivent offrir une bonne tenue aux courts-circuits. Le comportement des composants au silicium doit être stable à 150 C, sans redistribution de courant rapide induite par la température. 2) Propriétés des boîtiers et technologie d interconnexion Les interconnexions doivent bien résister à la fatigue thermomécanique induite par les variations de charge. Les matériaux utilisés doivent tolérer les échauffements. La tenue aux courants de surcharge des diodes de roue libre constitue souvent le plus gros obstacle à l optimisation des semi-conducteurs. Il s agit en fait du facteur de limitation, ce dès 125 C. Or toute augmentation de la puissance s accompagne généralement d exigences accrues en terme de courant de surcharge, imposant des diodes de taille supérieure, au détriment de l espace disponible pour les interrupteurs (IGBT ou IGCT) et amplifiant généralement les pertes en conduction. C est ainsi que, sans stratégie innovante, chercher à doper les performances en augmentant la température de jonction des semi-conducteurs offre des perspectives limitées, nettement moins intéressantes que la solution purement thermique entrevue avec la formule (1). La résistance à la fatigue thermomécanique provoquée par les fluctuations de charge est le premier facteur de limitation de la technologie d interconnexion. 2 illustre la capacité des modules de forte puissance isolés modernes à la température maximale de jonction ( ) de 125 C et la courbe correspondante approximative pour le même type de module à 150 C. La figure compare également les courbes de durée de vie à 150 C et à 125 C. On s aperçoit que les contraintes sont beaucoup plus fortes à une température maximale de jonction supérieure, surtout lors d échauffements importants. Cela s explique par les fortes variations de charge (ex., cycles à charge maxi/nulle), sources d échauffement important (jusqu à + 25 C). Les contraintes sont moindres en cas 63

3 de faible ΔT car la température de jonction est moins influencée par les faibles variations de puissance. Exemple : si la puissance chute de 100 à 90 % à température ambiante de 30 C, la température de jonction baisse de 9,5 C à = 125 C et de 12 C à = 150 C. Sachant que les cycles de charge des produits modernes respectent à peine les spécifications de nombreuses applications (au premier chef, la traction ferroviaire), on peut en déduire qu il faudrait augmenter, au minimum, d un facteur de 5 la capacité des modules pour pouvoir élever la température de jonction à 150 C, ce que seul le développement de nouvelles technologies permettrait. En particulier, les cordons de brasure de grande surface devront probablement être remplacés par des techniques de connexion plus performantes. Sur ce plan, la technique la plus prometteuse est celle de la «métallisation à basse température» où deux parties sont connectées par une couche frittée de flocons d argent spongieux. En plus de renforcer la résilience aux cycles de charge, cette technique réduit la résistance thermique. Réduction de la résistance thermique Au lieu d élever la température maximale de jonction, on peut augmenter la puissance en diminuant la résistance thermique R th (cf. formule 1). La R th d un assemblage constitué d un module d IGBT haute puissance isolé, où les IGBT occupent une unité de surface totale d environ 45 cm 2, se répartit approximativement comme suit : Jonction IGBT-semelle AlSiC (matrice aluminium renforcée de particules de carbure de silicium) : 7 K/kW Semelle AlSiC-radiateur (contact sec) : 6 K/kW Radiateur-milieu ambiant : K/kW* * Cette valeur dépend étroitement de la méthode de refroidissement (faible avec un refroidissement par liquide, élevée avec un refroidissement par air forcé). Il ressort que la résistance thermique semelle-radiateur est très proche de celle du module lui-même et que 40 à 70 % de la R th totale se situent entre le radiateur et le milieu ambiant. Par conséquent, la R th module-extérieur offre un plus grand potentiel de progrès que celle du module. De plus, la motivation des concepteurs est renforcée par les importantes marges de performance des dispositifs modernes (comme expliqué dans la Revue ABB 4/2006) et par l avènement de nouveaux matériaux capables de réduire de 30 à 50 % la résistance thermique interne des modules. Il s agit notamment des composites à matrice métallique (CMM) qui affichent à la fois une compensation du CDT satisfaisante et une conductivité thermique extrêmement élevée. Les CMM au diamant, dont les valeurs de conductivité thermique de W/mK peuvent même dépasser celles du cuivre, sont un bon exemple. Compte tenu de ce fort écart de CDT par rapport au silicium, le cuivre n est combiné qu avec d autres matériaux au CDT adapté (ex., molybdène, cf. 1i ). La tenue aux courants de surcharge des diodes de roue libre constitue souvent le plus gros obstacle à l optimisation des semiconducteurs. Il s agit en fait du facteur de limitation, ce dès 125 C. Or toute augmentation de la puissance s accompagne généralement d exigences accrues en terme de courant de surcharge. Outre les améliorations dans le radiateur, la résistance thermique semelle (non métallisée)-module mérite une attention particulière. En effet, en plus 1 Boîtiers les plus couramment utilisés pour les semi-conducteurs de puissance : boîtier isolé (gauche) et boîtier pressé (droite, IGCT type) Dans les modules en boîtiers isolés, le semi-conducteur f est isolé galvaniquement du radiateur c. Les contacts électriques dans le module sont réalisés par fils de métallisation. En cas de défaillance du dispositif, ces fils tendent à s évaporer, le module cessant d être conducteur. Dans les modules en boîtier pressé, le courant de charge pénètre par une surface k et est évacué par l autre. La faible résistance électrique et thermique des contacts est garantie par une forte pression mécanique exercée sur les deux surfaces. En cas de défaillance, les pièces polaires métalliques j fondent et le courant peut continuer de circuler dans le module. a Bornes de puissance et de commande b Fil de métallisation c Radiateur d Céramique (en général AlN) e Semelle (en général AlSiC) f Semi-conducteur g Boîtier h Radiateur i Compensation CDT (Mo) j Boîtier (céramique) k Cuivre l Semiconducteur a a a b d f e g l i i k k j c h 64

4 d être élevée, elle est susceptible de varier notablement car il est difficile de garantir une pression de contact homogène et un bon contact des surfaces. L utilisation de graisses thermiques et d huiles silicones n atténue que légèrement le problème car la conductivité thermique de ces substances est au moins 100 fois inférieure à celle des métaux de la plaque de base (semelle) du module et du radiateur. Une solution très prometteuse consiste à intercaler des couches métalliques de conductivité thermique élevée, dont les propriétés spéciales font qu elles se ramollissent, voire se fluidifient, en exploitation. Elles forment ainsi une connexion entre le radiateur et le module avec un R th semblable à celle d un fil de métallisation. Autre concept envisageable : les modules à radiateur intégré qui connaîtront un regain d intérêt car dépourvus de contact sec. A ce jour, ces produits n ont pu élargir leurs débouchés pour des raisons de coût et de complexité. Nouvelles générations de semi-conducteurs Dispositifs au silicium Principalement dans les années 90, de nombreux concepts novateurs de composants apparurent, notamment les thyristors MCT (MOS-Controlled Thyristor), FCT (Field-Controlled Thyristor) et EST (Emitter-Switched Thyristor), avec un même objectif : associer propriétés du thyristor 2) et faible puissance de commande. Alors que tous ces composants présentaient des faiblesses conceptuelles et que la répartition de plasma dans les IGBT modernes était déjà proche de l idéal des thyristors, les innovations en terme de structures ont depuis nettement marqué le pas. Aujourd hui, la probabilité de voir l IGBT et l IGCT être supplantés par un composant au silicium radicalement différent s estompe de jour en jour. Matériaux à large bande interdite Les semi-conducteurs conçus à partir de matériaux à large bande interdite, dont les plus connus sont le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et le diamant (C), sont également à l étude. Ces matériaux ont l avantage de présenter une rigidité diélectrique nettement supérieure à celle du silicium, autorisant une réduction d épaisseur des composants et un dopage plus élevé de la zone centrale 3) que le silicium pour les raisons décrites précédemment 4). Cet avantage se traduit par une réduction considérable des pertes dans le semiconducteur. Problème fondamental des composants bipolaires SiC : leurs jonctions PN ne deviennent conductrices qu au voisinage de 2,8 V (0,7 V seulement pour le silicium). Seul le SiC est actuellement un concurrent sérieux dans les fortes puissances. En effet, c est l unique matériau autorisant une disposition verticale des composants (circulation verticale du courant dans le semiconducteur et non le long de sa surface) qui permet d élargir la section pour les courants requis tout en maintenant une taille acceptable du composant. Concepts privilégiés pour les composants SiC Tout comme le silicium, le SiC permet 2 Résistance à la fatigue en fonction des échauffements des modules IGBT isolés de fortes puissances modernes à semelles AlSiC (ex., module de puissance HiPak ou IHM Infineon d ABB) Nbre de cycles avant défaillance Capacité actuelle à = 125 C Capacité requise pour = 150 C (estimation) Capacité actuelle à = 150 C (estimation) Echauffement (ΔT) de la jonction [ C] de fabriquer à la fois des dispositifs unipolaires et bipolaires (à variation de conductivité). Toutefois, autorisant un dopage plus élevé de la zone de drain, l utilisation de composants SiC unipolaires est économiquement viable jusqu à des tensions de blocage supérieures à celles du silicium (surtout jusqu à environ 2 4 kv). Or ce sont les composants SiC bipolaires qui présentent un intérêt certain pour les applications de tensions et de puissances élevées. Composants unipolaires : des diodes Schottky atteignant 20 A et 1200 V sont d ores et déjà disponibles sur le marché et destinées principalement aux alimentations à découpage et aux convertisseurs de cellules solaires. Par ailleurs, des interrupteurs SiC unipolaires (MOSFET et JFET) ont déjà été fabriqués avec succès, quoique uniquement à l échelle d un laboratoire. Un problème majeur subsiste toutefois : les SiC MOSFET et les SiC JFET aux propriétés électriques intéressantes ont, à ce jour, toujours affiché une conductivité naturelle («normalement conducteur»), caractéristique qui n a jamais été acceptée par le marché, même si les problèmes associés semblent être techniquement solubles. Outre ces diodes, on a également réussi à fabriquer des composants bipolaires comme les IGBT, les thyristors et les transistors bipolaires (BJT) pour des tensions jusqu à 10 kv. Dans le cas du BJT, il faut savoir que, bien que s agissant d un composant bipolaire, aucune variation de conductivité ne survient en général à l état passant (sauf s il est exploité avec un gain très faible). Par conséquent, le BJT s apparente à un composant unipolaire en raison de ses pertes caractéristiques. Problème fondamental des composants bipolaires SiC : leurs jonctions PN ne deviennent conductrices qu au voisinage de 2,8 V (0,7 V seulement pour le silicium). Sachant que tous les composants bipolaires comptent au moins une jonction PN dans 65

5 Assemblage d un module de semi-conducteurs de puissance HiPack Vue interne d un module HiPack (cf. également 1 gauche) le parcours du courant, leurs pertes en conduction sont élevées, les rendant peu attrayants en-dessous d une tension de claquage de 4 6 kv. Qui plus est, la tension d amorçage actuelle des jonctions PN des SiC présente un coefficient de température très négatif, avec un risque de répartition non homogène de courant dans les gros composants. Qualité du matériau SiC Le SiC reste un matériau très difficile à produire si l on veut une qualité comparable à celle du silicium. Les «micropipes», défauts largement débattus, ne sont qu un des nombreux points faibles des cristaux dont certains peuvent avoir un effet néfaste sur la stabilité à long terme du dispositif, surtout bipolaires. La production industrielle de SiC de grande surface reste donc impossible. Autre aspect négatif : le manque de motivation à améliorer la qualité du SiC. En effet, la grande majorité de la production n est pas destinée à la fabrication des semi-conducteurs de puissance, mais à la fabrication du support des diodes électroluminescentes (DEL). Un type de SiC différent est utilisé pour les DEL (6H au lieu de 4H) et un matériau de qualité plus économique compte tenu de la très petite taille des DEL. Encapsulation des composants au SiC Incontestablement, les composants au SiC resteront, même à long terme, beaucoup plus chers que les composants au silicium de taille égale. Les perspectives de réussite commerciale dans les fortes puissances reposent sur le fait que ces composants peuvent fonctionner à une densité de courant très supérieure à celle des composants au silicium en raison de leurs moindres pertes et de la température de jonction plus élevée (supérieure à 400 C). Hélas, deux obstacles majeurs subsistent : Pour les raisons évoquées sous «Augmentation des températures de jonction» (p. 63), il est difficile de développer une technologie d encapsulation autorisant des températures de jonction très supérieures à celles couramment réalisées dans le silicium. On peut ainsi penser que les pertes par unité de surface des gros dispositifs SiC doivent être confinées aux limites des composants au silicium, à exigences de fiabilité inchangées. De surcroît, reste le problème des temps de commutation inférieurs (di/dt plus élevé) du SiC comparés à ceux du silicium, réduisant les inductances parasites admissibles dans les boîtiers. Or le fait que ces inductances parasites sont grandement influencées par les distances d isolement et par la section des conducteurs complique l obtention des valeurs requises dans les boîtiers pour fortes puissances. Seul le SiC est actuellement un concurrent sérieux dans les fortes puissances. C est, malheureusement, la conjonction des problèmes de qualité du SiC, des surcoûts et des défis technologiques à la fois au niveau des composants et des boîtiers qui réduit, à brève échéance, les perspectives du SiC dans le domaine des fortes puissances. Conclusions Ces dernières années, les semiconducteurs IGBT et IGCT se sont imposés sur le marché des fortes puissances, leurs développements se faisant en parallèle avec des objectifs de plus en plus convergents. A présent, on peut considérer que ces deux composants ont atteint un certain degré de maturité, la technologie devant plutôt évoluer que connaître une révolution. L encapsulation des composants et les interconnexions devraient, quant à elles, tirer profit du gisement de potentiel inexploité du silicium. Forte est la motivation de la communauté scientifique dans ce domaine car l utilisation à grande échelle de matériaux à large bande interdite pour les applications de fortes puissances n est pas pour demain. De nos jours, le SiC semble être l unique matériau voué à un avenir prometteur. Stefan Linder ABB Switzerland Ltd, Semiconductors Lenzburg (Suisse) Notes 2) Cf. Optimiser les pertes en conduction et au blocage par répartition du plasma, Revue ABB 4/2006, p. 36 3) Egalement appelée zone de drain. Cf. Revue ABB 4/2006, p. 37, figure 4 4) Cf. Objectifs de conception de l IGBT et de l IGCT Revue ABB 4/2006, p

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