Interrupteurs à haute tension à commande optique – HV-PhotoSw

Le déploiement des énergies renouvelables implique une mutation des réseaux électriques pour les intégrer. Les nouveaux réseaux HVDC et MVDC nécessitent des convertisseurs de puissance à haute tension. Le carbure de silicium (SiC) est un bon matériau pour les dispositifs de puissance à haute tension, tandis que le nitrure de gallium (GaN) a une plage de tension limitée et le diamant reste une cible à long terme. Les composants SiC de 10 kV et plus sont courants dans les projets de recherche alors que les composants de 3,3 kV sont en cours d'industrialisation. Cependant, pour réaliser des convertisseurs à haute tension, il est nécessaire d'associer en série des modules ou des composants de puissance. Donc, un problème majeur est la conception de drivers hautement isolés (jusqu'à plusieurs centaines de kV). Il existe certaines solutions comme l'auto-alimentation, mais ces solutions sont complexes et peuvent diminuer la fiabilité globale du système.

Le phototransistor est un dispositif classique notamment en silicium. Si certains thyristors SiC à commande optique ont été démontrés, à notre connaissance, un bipolaire (BJT) à contrôle optique n'a pas encore été démontré pour des applications haute tension. L'avantage du phototransistor est d'éviter l'utilisation d'un circuit de commande, car l'isolation électrique peut être facilement réalisée par une fibre optique.
Ainsi, le projet propose la conception et la fabrication d'un phototransistor haute tension. L'intérêt d'un tel dispositif de puissance est très élevé en raison de la simplification de l'isolation des drivers. De plus, une surface de SiC donnée, le BJT est le meilleur composant avec les plus faibles pertes à l’état passant.

Le consortium est composé de 2 partenaires académiques (Ampere et ISL) et d'une PME (NovaSiC).
NovasiC optimisera un dépôt chimique en phase vapeur, CVD, rapide pour la couche épitaxiée épaisse à faible dopage (type n) nécessaire pour réaliser des dispositifs de 10 kV. L'objectif est de réduire le coût de ce processus, qui représente une part importante des coûts globaux du processus pour de tels dispositifs. Les résultats obtenus seront comparés aux couches épitaxiées commerciales.

Le projet propose la fabrication et le test de phototransistors haute tension, sur deux lots de fabrications. Pour réduire les risques, certains transistors auront une métallisation de base pour permettre des tests électriques. Les 4 types de dispositifs fabriqués seront verticaux 10 kV. Cette cible de tension bloquée a l'avantage d'être intéressante pour de nombreuses applications (e-transformateur, modules pour applications HVDC ou MVDC...) et ne pas être trop difficile à fabriquer dans une salle blanche académique. Cependant, pour obtenir un BJT performant, le procédé de fabrication devra être précis pour la photolithographie, la gravure sèche, la passivation et le packaging. La réalisation technologique sera faite à l'ESIEE reconnue pour le professionnalisme et le soutien aux projets de recherche développés sur sa salle blanche de 600 m2, offrant une technologie complète de 100 à 150 mm.
Tous les BJT haute tension utiliseront un même masque. Selon les résultats du projet, nous attendons :
    • de grands phototransistors 10 kV pour des convertisseurs efficaces et isolés (HVDC, MVDC), disjoncteur CC (état solide).
    • de grands photo-Darlington 10 kV pour toutes les applications où l'efficacité n'est pas critique: applications à impulsions uniques, disjoncteurs CC (hybrides), amortisseurs actifs ...
    • des interrupteurs optiques 10 kV, c'est-à-dire un grand BJT avec un phototransistor en silicium et une auto-alimentation: une alternative de la première cible pour comparer le phototransistor à une solution plus classique.
    • Grands BJT de 10 kV (15 kV) ou 3,3 kV, en alternative aux MOSFET SiC sans les problèmes de fiabilité de l'oxyde de grille pour les applications nécessitant une grande efficacité: HVDC, MVDC, traction électrique.