Semi-conducteurs à large bande interdite dans les applications aérospatiales et satellitaires

Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) offrent plusieurs avantages en matière de conversion de puissance, notamment une densité de puissance et un rendement accrus, tout en réduisant la taille et le poids des systèmes avec une commutation à plus haute fréquence qui permet d'utiliser des composants passifs plus petits. Ces avantages peuvent être encore plus importants dans les systèmes d'alimentation destinés à l'aérospatiale et aux satellites, où la taille et le poids sont des facteurs essentiels. Dans cet article, nous explorons les avantages relatifs des composants WBG tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) dans ces applications.

Conversion de puissance dans les aéronefs

Alors que le monde s'oriente vers un avenir plus vert, l'attention se tourne vers les méthodes permettant de réduire les émissions des aéronefs à carburants traditionnels. Différentes approches sont envisagées :

• MEA (More Electric Aircraft) : Il s'agit ici de remplacer certains accessoires du moteur à entraînement mécanique ou hydraulique par des composants à entraînement électrique (par exemple, les pompes à carburant).
• MEP (More Electric Propulsion) : Les générateurs électriques sont utilisés pour fournir une assistance hybride à la turbine à gaz, réduisant ainsi la consommation de carburant.
• AEA (All Electric Aircraft) : Un plan plus ambitieux où l'avion est entièrement électrique. Cela commencerait par des aéronefs plus petits tels que des hélicoptères, des véhicules de mobilité aérienne urbaine (UAM) et des avions à décollage/atterrissage vertical (VTOL), tels que ceux qui sont prévus pour être utilisés comme taxis aériens.

Dans les aéronefs modernes, l'augmentation de la consommation d'énergie a entraîné une augmentation de la tension d'arrivée générée par la turbine à gaz à 230 V_CA. Cette tension est convertie par un redresseur en une tension de liaison CC de ±270 V_CC, également appelée tension HVDC. Des convertisseurs CC/CC sont ensuite utilisés pour générer une tension LVDC à 28 V, qui sert à faire fonctionner des équipements tels que les écrans du poste de pilotage, les pompes à carburant CC, etc. Tout comme dans les chargeurs de véhicules électriques où des systèmes sont maintenant développés pour 800 V, la tendance dans les aéronefs est d'augmenter les tensions pour réduire les pertes de câblage. Dans les aéronefs, la tension CC sera probablement poussée vers la plage des kV, en particulier dans les systèmes AEA et de propulsion hybride. En termes de puissance, les convertisseurs de puissance MEA peuvent s'étendre de 10 à 100 KW, tandis que les convertisseurs de puissance AEA et de propulsion hybride doivent être de l'ordre de plusieurs MW.

Exigences et défis clés pour l'électronique de puissance dans les aéronefs

• Taille, poids et perte de puissance (SWaP) : Les indicateurs SWaP les plus bas sont essentiels car la consommation de carburant, l'autonomie et le rendement global sont directement liés à ces indicateurs. Prenons l'exemple d'un AEA. Dans ce cas, le système de batteries est le composant le plus lourd du système de production d'énergie électrique. La taille de batterie requise dépend du rendement de l'onduleur. Même une amélioration de 1 % du rendement de l'onduleur, de 98 % à 99 %, peut réduire de plusieurs centaines de kilogrammes la taille requise pour une batterie typique avec une densité d'énergie de 250 Wh/kg. La densité de puissance gravimétrique du module onduleur (kW/kg) est une autre mesure clé. De même, la taille et le poids des composants passifs, ainsi que le système de refroidissement requis pour les dispositifs actifs des convertisseurs, peuvent être considérables.
• L'électronique de puissance installée à proximité du moteur dans des zones non pressurisées est confrontée à de nombreux défis liés à la chaleur et à l'isolation. Les dispositifs actifs nécessitent un détarage important pour la température, et leurs exigences de refroidissement peuvent peser sur l'ensemble du système de refroidissement de l'aéronef. À haute altitude, des décharges partielles peuvent se produire à des champs électriques plus faibles et, par conséquent, le conditionnement des semi-conducteurs et des modules, ainsi que les composants d'isolation, doivent être conçus avec une marge suffisante. Garantir la tolérance à l'exposition au rayonnement cosmique peut également nécessiter un détarage en tension significatif pour les dispositifs actifs.
• Normes de qualification et de fiabilité : La norme DO-160 permet de tester le matériel avionique dans différents environnements. Très peu de composants commerciaux standard (COTS) sont certifiés à cet effet, ce qui amène les équipementiers et les constructeurs aéronautiques à qualifier et à garantir leur utilisation.

Avantages de l'utilisation de semi-conducteurs de puissance à large bande interdite (WBG) dans l'aérospatiale et les satellites

Les matériaux WBG, tels que le SiC et le GaN, offrent de nombreux avantages par rapport aux dispositifs traditionnels à base de silicium (Si), comme le montre la Figure 1.

Figure 1 : Comparaison des propriétés des matériaux pour le Si, le SiC et le GaN. (Source de l'image : Researchgate)

Ces avantages matériels se traduisent par de nombreux avantages dans l'électronique de puissance des aéronefs :

• La plus haute conductivité thermique, en particulier dans le SiC, facilite le refroidissement de pièces telles que celles utilisées pour contrôler le moteur.
• Une plus haute tension système réduit les pertes par effet joule dans le câblage. Cela est particulièrement vrai pour le SiC, où des dispositifs commerciaux sont disponibles jusqu'à 3,3 kV, avec des recherches actives visant à étendre cette plage.
• Fiabilité accrue à hautes températures. Par exemple, un fonctionnement à +200˚C dans le SiC a été démontré.
• Pertes de commutation et par conduction plus faibles. La bande interdite plus élevée permet de réduire la zone de dérive à une tension nominale donnée, ce qui améliore les pertes par conduction. De plus, des capacités parasites plus faibles entraînent des pertes de commutation inférieures avec des vitesses de balayage supérieures.
• Des parasites plus faibles permettent également un fonctionnement à plus haute fréquence. Par exemple, les fréquences de commutation dans un MOSFET SiC de 1-5 kV peuvent atteindre des centaines de kHz, par rapport aux dizaines de kHz possibles avec des topologies Si équivalentes. Les dispositifs HEMT (transistor à haute mobilité électronique) GaN, bien que principalement disponibles dans la plage de tensions < 700 V, sont unipolaires et présentent d'autres avantages avec l'absence de pertes par recouvrement inverse et la capacité de commuter à plusieurs MHz dans cette plage de 100 V. Le grand avantage des plus hautes fréquences est la possibilité de réduire la taille des composants magnétiques.

La Figure 2 compare le rendement des convertisseurs élévateurs 100 kHz basés GaN et Si.

Figure 2 : Comparaison du rendement entre Si et GaN pour un convertisseur élévateur de 100 kHz. (Source de l'image : Nexperia)

Tous les avantages mentionnés ci-dessus se traduisent directement par de meilleurs indicateurs SWaP et des densités de puissance plus élevées. Par exemple, des tensions de liaison CC plus élevées résultant de l'utilisation de dispositifs à tension nominale plus élevée créent une intensité efficace de capacité plus faible dans le condensateur de liaison CC du convertisseur, ce qui peut réduire ses exigences de taille. Une fréquence de commutation plus élevée permet d'utiliser des aimants plans haute fréquence avec un facteur de forme plus petit. Dans un convertisseur de puissance traditionnel, les composants magnétiques peuvent représenter jusqu'à 40-50 % du poids total, et avec l'utilisation de dispositifs actifs WBG fonctionnant à plus hautes fréquences, ce pourcentage diminue. Si l'on considère cela en termes de densité de puissance gravimétrique d'un onduleur, les convertisseurs Si à refroidissement par air se situent autour de 10 kW/kg. Avec l'utilisation WBG, cette mesure dépasse 25 kW/kg dans de nombreuses démonstrations de systèmes, et la réalisation de densités atteignant 100 kW/kg s'avère théoriquement possible avec des topologies, des tensions de liaison CC et des fréquences de commutation optimisées.

Défis liés à l'utilisation de semi-conducteurs de puissance WBG et solutions potentielles

Les avantages des semi-conducteurs de puissance WBG présentés ci-dessus s'accompagnent toutefois de nombreux défis à relever. Voici quelques-uns de ces défis et les solutions possibles actuellement explorées :

• Des densités de puissance plus élevées se traduisent directement par une génération de chaleur accrue. Les températures élevées diminuent le rendement de la conversion de puissance et peuvent également poser des problèmes de fiabilité, en particulier lorsque les cycles de température impliquent des variations de températures élevées. Les contraintes thermomécaniques peuvent avoir un impact sur la fiabilité des boîtiers des modules d'alimentation en rendant instables les répartiteurs de chaleur, tels que les matériaux d'interface thermique (TIM) comme la graisse thermique qui relie les substrats des dispositifs actifs aux dissipateurs thermiques, et en augmentant leur résistance thermique. Les solutions envisagées incluent :
  • Boîtiers améliorés : les boîtiers qui offrent un refroidissement double face avec des substrats en nitrure d'aluminium (DBA) directement refroidis avec frittage d'argent permettent d'améliorer l'évacuation de la chaleur. Les autres approches incluent la fusion sélective au laser (SLM) de dissipateurs thermiques en alliage de poudre directement sur les substrats DBA.
  • Comme la taille de la matrice active augmente en raison des exigences de puissance accrues, l'utilisation de matrices parallèles pour obtenir la même surface active nette peut s'avérer avantageuse pour la répartition de la chaleur.
• Les transitions de commutation plus rapides avec WBG, bien qu'elles permettent de réduire les pertes de commutation, créent davantage de risques d'interférences électromagnétiques (EMI). Les solutions à ce problème incluent :
  • Les cellules filtrantes distribuées offrent de meilleures performances et peuvent fournir une redondance.
  • L'utilisation de filtres hybrides actifs-passifs avec des amplificateurs pour élever les basses fréquences peut réduire la taille nette du filtre et améliorer les performances.
• Lorsque la tension nominale augmente, la résistance spécifique du dispositif de puissance (R_DS(ON) x A, R_DS(ON) étant la résistance à l'état passant et A la surface active) augmente car une zone de dérive plus épaisse est nécessaire. Par exemple, alors que la résistance spécifique haute température d'un MOSFET SiC de 1200 V peut être de 1 mΩ-mm², elle peut atteindre 10 mΩ-mm² pour un dispositif répertorié à 6 kV. Des dispositifs plus grands ou plusieurs dispositifs en parallèle sont nécessaires pour atteindre un objectif R_DS(ON), ce qui signifie des coûts de matrice plus élevés, des pertes de commutation supérieures et des exigences de refroidissement plus importantes. Les solutions incluent :
• L'utilisation de topologies de convertisseurs à 3 ou plusieurs niveaux permet le recours à des dispositifs à caractéristiques inférieures à la tension de liaison CC. Cela peut s'avérer particulièrement utile dans les dispositifs GaN répertoriés en dessous du kV, pour lesquels une configuration SIPO (entrée série, sortie parallèle) répartit la tension entrante sur de nombreux dispositifs, permettant leur utilisation.

Communications par satellite et GaN

En ce qui concerne sa capacité à gérer les rayonnements, le dispositif HEMT GaN est meilleur que les MOSFET Si et SiC :

• La couche AlGaN sous l'électrode de grille ne collecte pas la charge comme le fait l'oxyde de grille SiO₂ dans les MOSFET. En conséquence, les performances de dose totale ionisante (TID) des HEMT GaN à enrichissement sont considérablement améliorées, avec des rapports de fonctionnement dépassant un mégarad, alors que dans le Si/SiC, cette valeur est généralement de l'ordre de centaines de kilorads.
• Les effets SEE (Secondary Electron Effects) sont également améliorés avec les HEMT GaN. L'absence de trous minimise le risque SEU (Secondary Electron Upset), tandis que le risque de rupture de grille observé sur le Si et le SiC (SEGR) est également minimisé.

Les amplificateurs de puissance à semi-conducteurs (SSPA) GaN ont largement remplacé les tubes à vide dans de nombreuses applications spatiales, telles que les satellites en orbite basse (LEO), en particulier dans les fréquences allant de la bande C aux bandes Ku/Ka.

Conclusion

Les semi-conducteurs WBG tels que le SiC et le GaN présentent de nombreux avantages lorsqu'ils sont utilisés dans l'aérospatiale et les communications par satellite. Avec l'extension de leur développement technologique, de leur utilisation et de leurs normes de fiabilité dans les applications de conversion de puissance terrestre, leur utilisation dans les systèmes aérospatiaux et satellitaires va gagner également en confiance.