ROHM commercialise ses IGBTs de 4ème génération
Pourquoi le focus n’est pas seulement sur le SiC, mais aussi sur les IGBTs
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Dans un entretien, Yuji Ishimatsu, Directeur Général de la division High Voltage Device chez ROHM, détaille L’évolution des nouveaux IGBTs. Grâce à des technologies innovantes telles que des plaquettes de silicium plus minces et des Trench-Gates optimisées, ces dispositifs se distinguent par une faible perte d’énergie et une grande résistance aux courts-circuits. Les nouveaux IGBTs sont spécialement développés pour des applications telles que les compresseurs de véhicules électriques, les chauffages haute tension et les installations industrielles, offrant ainsi une solution économique en complément de l’offre variée de solutions d’alimentation proposées par ROHM.
(Image : ROHM Semiconductor)
ROHM est largement reconnue pour ses composants de puissance SiC. Pourquoi ROHM développe-t-elle et produit-elle simultanément des IGBTs (Transistors Bipolaires à Grille Isolée) – des semi-conducteurs de puissance à base de silicium ?
Ishimatsu : C’est simple : il existe des applications où les composants de puissance SiC (MOSFETs SiC) ne sont pas nécessaires. Bien que ces derniers offrent de meilleures performances, leur coût est généralement plus élevé que celui des IGBTs. En revanche, les IGBTs offrent des performances relativement élevées à moindre coût, garantissant ainsi la durabilité du marché des IGBTs. Les dispositifs en silicium ne deviendront pas obsolètes et les MOSFETs SiC ne seront jamais l’unique option. C’est dans ce contexte que nous développons, produisons et commercialisons activement des IGBTs.
(Image : ROHM Semiconductor)
Les IGBTs sont des composants de puissance utilisés depuis les années 1980. Quand ROHM a-t-elle commencé à s’intéresser au marché des IGBTs ?
Ishimatsu : L’histoire de notre entreprise avec les IGBTs est relativement récente. Nous avons commencé à développer des IGBTs en 2010 et avons lancé la production en 2012 dans notre usine de Miyazaki (aujourd’hui l’usine LAPIS Semiconductor de Miyazaki), élargissant la production en 2016 à notre usine de Shiga. Depuis, nous avons continué à travailler sur l’amélioration des IGBTs et avons annoncé la commercialisation de notre 4ème génération d’IGBTs en novembre 2024.
(Image : ROHM Semiconductor)
Comment envisagez-vous la segmentation du marché entre les MOSFETs SiC et les IGBTs ?
Ishimatsu : Bien que les MOSFETs SiC ne soient pas bon marché, leur acceptation augmente grâce à leur rapport qualité-prix exceptionnel. En particulier, les clients de l’industrie de la mobilité les adoptent.
L’utilisation des MOSFETs SiC dans les circuits des véhicules électriques (EV) comme les onduleurs et les convertisseurs DC-DC accroît l’autonomie tout en réduisant la capacité de la batterie grâce à un volume réduit et une efficacité de conversion améliorée. Ces avantages sont précieux pour les applications de mobilité. L’adoption croissante des MOSFETs SiC dans les applications de mobilité indique que les clients acceptent les coûts plus élevés en raison des avantages.
Pour quelles applications les IGBTs restent-ils nécessaires ?
Il s’agit d’appareils motorisés en dehors du secteur de la mobilité. Ces appareils ne peuvent pas être considérablement réduits, même si des MOSFETs SiC sont utilisés. Bien qu’une efficacité de performance améliorée soit attendue, les moteurs eux-mêmes ne peuvent pas être miniaturisés de manière significative. En conséquence, les IGBTs restent avantageux pour les moteurs.
Commercialisation des IGBTs de 4ème génération
Les IGBTs de 4ème génération ont été lancés sur le marché en novembre 2024. Quelles sont les caractéristiques clés de ces produits ?
Ishimatsu : Les performances des IGBTs ont été améliorées grâce à deux développements technologiques majeurs : l’amincissement des plaquettes de silicium et la miniaturisation des Trench-Gates. Ces avancées sont encore renforcées avec la 4ème génération d’IGBTs.
(Image : ROHM Semiconductor)
En tant que premiers produits de la gamme, les IGBTs de la série RGA 1200V satisfont aux normes de fiabilité AEC-Q101 pour l’industrie automobile, ce qui les rend adaptés à des applications comme les compresseurs de véhicules électriques, les chauffages haute tension (PTC) et les onduleurs pour installations industrielles. Une caractéristique remarquable est la diminution significative de la perte d’énergie. Par exemple, dans un onduleur triphasé, la perte d’énergie peut être réduite d’environ 35 % par rapport aux produits conventionnels et de 24 % par rapport aux produits concurrents. De plus, la résistance aux courts-circuits est à la pointe de l’industrie, à 10 µs. La série RGA sera également complétée par des modèles de 650 V prévus pour être lancés d’ici fin mars 2025.
(Image : ROHM Semiconductor)
Pour quelles autres applications les IGBTs de 4ème génération sont-ils conçus ?
Ishimatsu : Nous prévoyons de lancer différentes séries de produits pour des applications variées. Plus précisément, il s’agit de la série RGE avec 650 V pour les onduleurs industriels et les motorisations, de la série RGH à 650 V/1200 V pour les chargeurs embarqués, les onduleurs solaires et le courant alternatif pour les consommateurs, ainsi que la série RGHL à 600 V pour les onduleurs solaires, le courant alternatif pour les consommateurs et les alimentations sans interruption (UPS). Tous ces produits devraient être commercialisés en 2025.
(Image : ROHM Semiconductor)
Multiple series introduction for different applications
Quelles caractéristiques différencient ces produits IGBT de 4ème génération ?
Ishimatsu : Les caractéristiques requises des IGBTs varient en fonction des applications. Par exemple, la résistance aux courts-circuits est particulièrement importante pour les compresseurs électriques dans les véhicules. Si la résistance aux courts-circuits est insuffisante, l’IGBT peut tomber en panne, même si un courant de court-circuit est détecté, car l’arrêt peut ne pas être terminé à temps. Une résistance aux courts-circuits longue est donc indispensable. Concrètement, une résistance d’environ 6 µs est souvent nécessaire, et dans certains cas, une résistance de 8 µs ou même 10 µs peut être exigée.
En revanche, les pertes de commutation (fréquence de commutation) sont cruciales pour des applications telles que les chargeurs de véhicules électriques, les onduleurs solaires et les alimentations de courant alternatif pour les consommateurs. Une augmentation de la fréquence de commutation permet de réduire les dimensions extérieures des circuits d’alimentation comme les onduleurs.
(Image : ROHM Semiconductor)
Quelle est la fréquence de commutation typique pour les circuits, comme ceux des chargeurs embarqués ?
Ishimatsu : Pour les circuits d’alimentation comme les chargeurs embarqués, la fréquence de commutation tourne souvent autour de 70 kHz. Dans les véhicules électriques, on utilise généralement 20 kHz, tandis que 5 kHz est courant pour les alimentations de courant alternatif pour les consommateurs.
Est-il possible d’améliorer simultanément la fréquence de commutation et la résistance aux courts-circuits ?
Ishimatsu : Pour les IGBTs, il existe un compromis entre trois caractéristiques clés : fréquence de commutation, résistance aux courts-circuits et tension de saturation collecteur-émetteur (VCE(sat)). Cela signifie que l’amélioration d’une caractéristique se fait souvent au détriment d’une autre. Pour remédier à cela, il est nécessaire d’équilibrer et d’optimiser ces caractéristiques selon l’application. Bien que toutes les séries d’IGBTs de la 4ème génération reposent sur la même technologie de base, les conditions du processus sont finement ajustées pour optimiser cet équilibre.
Collaboration avec Semikron Danfoss pour les modules IGBT
ROHM développe également des circuits intégrés de pilotes de grille pour les IGBTs. Cela représente-t-il un avantage concurrentiel dans le domaine des IGBTs ?
Ishimatsu : Nous sommes convaincus que le développement des IGBTs et de leurs circuits intégrés de pilotes de grille apporte des avantages considérables. Cette capacité nous permet de proposer à nos utilisateurs (clients) les meilleures méthodes d’utilisation et des solutions sur mesure. Bien que tous les IGBTs possèdent les mêmes fonctions, la méthode d’activation optimale varie en fonction des caractéristiques, telles que la capacité d’entrée. Une activation incorrecte peut entraîner des pertes de puissance et du bruit. En fournissant des circuits intégrés de pilotes de grille, nous pouvons soutenir des méthodes d’activation optimales pour minimiser ces facteurs.
Le développement de circuits intégrés de pilotes de grille offre également des avantages considérables pour les IPMs (Modules de Puissance Intelligents). Les IPMs intègrent une puce IGBT et un pilote de grille dans un même boîtier. Nos IPMs incluent des pilotes de grille spécifiquement optimisés pour les IGBTs, réduisant les pertes de puissance tout en atténuant le bruit.
Cependant, dans certains cas, les pertes de performance, le bruit et les surtensions ne peuvent pas être réduits uniquement par la conception du pilote de grille. Dans ces situations, il est possible d’ajuster les conditions de processus des IGBTs pour les adapter précisément au pilote de grille. En pratique, une forte synergie a été créée grâce à la collaboration étroite entre l’équipe de conception des pilotes de grille et celle des IGBTs.
Qu’est-ce qu’un module IGBT ?
Ishimatsu : C’est un module qui regroupe plusieurs puces IGBT dans un même boîtier. Ils sont souvent utilisés dans des équipements motorisés, des onduleurs et des alimentations. Par exemple, un module 7-en-1 contient des IGBTs pour le bras supérieur et inférieur d’un moteur triphasé, ainsi qu’un IGBT pour le freinage.
Cependant, nous ne fabriquons pas nous-mêmes des modules IGBT. Nous fournissons plutôt des IGBTs sous forme de plaquettes aux fabricants de modules, qui les assemblent et les vendent. ROHM collabore avec Semikron Danfoss depuis plus de 10 ans. Semikron Danfoss prévoit de lancer ses modules IGBT MiniSKiiP avec une puissance nominale de 10 A à 150 A, comprenant notre série RGA d’IGBTs de 4ème génération de 1200 V.
Quel est l’état actuel du marché des IGBTs chez ROHM ? Quelles sont ses applications principales ?
Ishimatsu : Actuellement, ROHM se concentre sur les compresseurs électriques pour la climatisation des véhicules. Nous avons une position solide sur ce marché, en grande partie parce que nous avons été parmi les premiers à obtenir la qualification selon la norme de qualité AEC-Q101 pour les composants automobiles avant nos concurrents.
En même temps, nous renforçons notre soutien grâce aux Ingénieurs d’Application Terrain (FAE) afin d’accroître notre présence sur le marché. Par exemple, nous fournissons des services tels que l’analyse des pertes de puissance de l’IGBT, du circuit et du dissipateur thermique afin de déterminer la répartition thermique qui en résulte.
(Image : ROHM Semiconductor)
Comment évaluez-vous le taux de croissance futur des IGBTs ?
Ishimatsu : La plus forte croissance est prévue dans l’industrie automobile avec un taux de croissance annuel moyen (CAGR) d’environ 20 %. Pour les appareils industriels tels que les servomoteurs et les onduleurs, une CAGR de 5 à 10 % est attendue. En revanche, pour les appareils de courant alternatif, il est peu probable que le taux de croissance soit élevé, car l’adoption des onduleurs en Chine a atteint presque 100 % après le Japon. Cela pourrait changer, bien sûr, selon l’avancement de l’adoption des onduleurs dans les pays en développement comme l’Inde, mais il devrait probablement rester modeste avec une CAGR d’environ 1 à 2 %.
Le marché des IGBTs rétrécit-il en raison de l’expansion du marché des MOSFETs SiC ?
Ishimatsu : L’utilisation des MOSFETs SiC augmentera dans les applications de mobilité et impactera considérablement le marché. Comme déjà mentionné, les IGBTs continueront d’avoir leur place, notamment dans certaines applications automobiles et industrielles. Ainsi, nous pensons que le marché des IGBTs continuera de croître.
De plus, une nouvelle « technologie d’entraînement hybride » est en cours de développement, combinant MOSFETs SiC et IGBTs. En général, un seul commutateur supérieur ou inférieur est constitué de plusieurs éléments de puissance connectés en parallèle – par exemple, 3 à 4 puces MOSFETs SiC. Certaines d’entre elles peuvent être remplacées par des IGBTs, comme le montage de deux MOSFETs SiC et deux IGBTs en parallèle. Les MOSFETs SiC se distinguent par leur très faible perte de puissance dans le domaine basse tension, mais à des courants élevés, l’écart de perte par rapport aux IGBTs devient moindre. Ainsi, les MOSFETs SiC peuvent gérer la basse tension, tandis que les IGBTs gèrent la haute tension. Cela améliore le rapport coût-efficacité, sans augmenter les pertes.
À l’avenir, nous allons continuer à élargir notre gamme de produits pour soutenir ces applications tout en développant de nouveaux produits encore plus puissants, en repensant fondamentalement l’architecture des dispositifs.
Points à retenir
- ROHM introduit une nouvelle génération d’IGBTs conçus pour optimiser l’efficacité énergétique dans une variété d’applications, y compris l’automobile.
- Les IGBTs, tout en étant souvent moins coûteux que les alternatives SiC, continuent de jouer un rôle crucial dans des domaines où les applications nécessitent des solutions efficaces à coûts maîtrisés.
- ROHM évolue en collaborant avec des leaders du secteur pour le développement de modules intégrés, un atout qui renforce leur position sur le marché des puissances.
En somme, la concurrence croissante entre les IGBTs et les MOSFETs SiC dans le secteur de la puissance pose la question de l’équilibre entre coût et performance. Avec les avancées technologiques continues, les entreprises doivent naviguer dans un paysage dynamique où l’efficacité énergétique devient de plus en plus impérative. Pour les acteurs du marché, c’est l’occasion de repenser les stratégies de développement des produits pour répondre aux besoins spécifiques des industries en pleine évolution.
- Source image(s) : www.elektronikpraxis.de
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