Quand un interrupteur électronique absorbe de fortes tensions, il faut lui adjoindre des composants d'écrêtage externes pour éviter la casse lorsqu'on stoppe le passage du courant. Mais plus la tension augmente, plus ces composants doivent être nombreux ; le coût et l'encombrement du système explosent.
Des interrupteurs en MOSFET silicium en service depuis 20 ans
« Nous avons exploré une autre piste dès les années 90, raconte Daniel Chatroux, chercheur au Liten : des transistors MOSFET en silicium qui écrêtent la tension par avalanche. Nous avons réalisé pour le Tokamak de Cadarache un interrupteur de 250 MOSFET en série, afin de protéger un tube micro-ondes qui supportait jusqu'à 1 MW de puissance électrique. Il fonctionne depuis 20 ans. »
L'écrêtage par avalanche peut être assimilé à une fonction de soupape de sécurité. Confronté à une tension excessive, le transistor MOSFET la maintient autour de la valeur souhaitée (exemple : 200 V) en laissant passer du courant. « La seule limite des MOSFET en silicium, c'était qu'ils claquent en deçà de leur courant de court-circuit, explique Daniel Chatroux. Pour le reste, ils jouent parfaitement leur rôle. »
Des MOSFET en SiC taillés pour la haute tension
Le CEA-Liten a ressorti ce sujet des tiroirs pour deux raisons. D'abord, l'arrivée sur le marché de MOSFET en SiC capables d'encaisser plusieurs milliers de volts. Ensuite, la montée en tension des énergies renouvelables, en particulier du photovoltaïque : « elle vise à traiter de plus fortes puissances, à gagner en rendement, à diminuer les coûts et les masses. »
Les chercheurs ont sélectionné des références commerciales de transistors, fabriqué une maquette de test, mis à l'épreuve leurs MOSFET. Verdict : ils tiennent parfaitement le choc, cette fois jusqu'à leur courant de court-circuit. Ainsi, un transistor 1700 V a écrêté des tensions de 2000 V, en laissant passer des courants supérieurs à 200 A ! « D'une certaine façon, nous n'arrivons pas à les casser, sourit Daniel Chatroux. Les performances sont bien meilleures que celles des MOSFET en silicium. »
Légende : Courant de 333A en écrêtage par avalanche à 2180V
d'un MOSFET SiC 1700V 68A nominal (200A en pulsé).
Un brevet et une carte interrupteur en développement
Ce résultat donne lieu à un dépôt de brevet et depuis quelques mois, au développement d'une carte interrupteur de six MOSFET en série, à des fins de démonstration. Les chercheurs ont aussi testé une loi de commande innovante.
Ce type de transistors, rappelons-le, n'est pas spécifié pour l'écrêtage de tension par avalanche. Les industries très contraintes en termes de sécurité (aéronautique…) n'y auront donc pas accès. En revanche, celles qui manipulent de hautes tensions et évoluent à vitesse grand V ont tout à y gagner, surtout si elles transportent de l'électricité sur de longues distances. Précisons enfin que les propriétés d'écrêtage des MOSFET en SiC sont dues à leur design, et non aux aléas d'un procédé de fabrication : il y a de belles possibilités à exploiter.