Les défis du changement technologique :
Depuis le début de ma carrière à la fin des années 1980, j’ai été témoin et acteur de plusieurs transitions majeures dans le domaine des technologies énergétiques. J’ai vu passer la conversion linéaire à la commutation de puissance, les transistors bipolaires aux MOSFET et, plus récemment, la transformation du contrôle analogique au contrôle numérique. Aujourd’hui, nous sommes confrontés au défi et à l’opportunité que représente l’adoption des technologies à large bande interdite (WBG) telles que le GaN. Cependant, comme lors des précédentes évolutions technologiques, chaque changement a engendré ses propres obstacles, et des préoccupations subsistent toujours quant aux chaînes d’approvisionnement, à la fiabilité, à la confiance des clients et à l’acceptation de la nouveauté.
GaN : Un bond en avant, pas un simple pas.
Le GaN propose une approche fondamentalement différente de la conversion de puissance. Sa mobilité électronique élevée et sa résistance à la rupture permettent aux dispositifs de commuter plus rapidement et de supporter des tensions et des fréquences plus élevées que le silicium traditionnel. Il en résulte une efficacité système accrue, des conceptions plus compactes avec de meilleures performances thermiques et des fréquences de fonctionnement plus élevées, ce qui réduit la taille des aimants et améliore la réponse transitoire. C'est prometteur, mais profiter de ces avantages ne se résume pas à remplacer un composant par un autre… si seulement c'était aussi simple !
Concevoir la transition : obstacles techniques et culturels.
L'adoption des dispositifs GaN exige une nouvelle approche de conception. Les ingénieurs doivent composer avec des transitions de commutation beaucoup plus rapides, des contraintes de conception plus strictes et un contrôle des interférences électromagnétiques (IEM) plus rigoureux. Bien que ces problèmes puissent être résolus grâce aux outils et à l'expertise appropriés, ils marquent une rupture avec les pratiques de conception traditionnelles sur silicium. Au-delà des défis de conception, l'écosystème dans son ensemble est encore en pleine évolution. La disponibilité de contrôleurs compatibles GaN, de boîtiers robustes et de directives d'application claires continue de s'améliorer, mais ces éléments sont encore perçus comme des obstacles, notamment par les organisations réticentes au risque. Et surtout, à tort ou à raison, la fiabilité demeure une préoccupation majeure pour de nombreux utilisateurs finaux. De nombreux secteurs desservis par l'électronique de puissance — tels que le médical, les transports et l'automatisation industrielle (sans oublier l'aérospatiale et la défense) — exigent une fiabilité extrême, et toute nouvelle technologie doit faire ses preuves sur la durée, en conditions extrêmes et sur le terrain. Le secteur de l'électronique de puissance s'engage à assurer une transition fluide et fiable tout en œuvrant à faire évoluer les mentalités grâce à la mise en place de processus de transition dignes de confiance.
Instaurer la confiance dans des processus de transition fiables grâce à la norme IPC9592 :
Tous les fabricants d’alimentations électriques développent avec rigueur leurs propres processus de contrôle qualité avant leur commercialisation. Ces processus font partie intégrante de leur savoir-faire et de leurs secrets commerciaux. Cependant, je souhaite revenir sur une initiative menée il y a vingt ans, qui a grandement contribué à faciliter la communication entre les équipementiers et les fournisseurs du secteur des télécommunications en matière d’alimentations électriques.
En 2005, sous l’égide de l’IPC (Printed Circuit Institute), un groupe d’experts des principaux équipementiers des secteurs des télécommunications et de l’électronique de puissance a collaboré à l’élaboration d’un ensemble d’exigences communes pour les dispositifs de conversion de puissance. Ces travaux ont abouti à la formulation des « Exigences relatives aux dispositifs de conversion de puissance pour les industries de l’informatique et des télécommunications », formalisées fin 2008 sous la norme IPC9592. Ce document comprend des lignes directrices pour la conception en vue de la fiabilité, les essais de conception et de qualification, ainsi que les essais de conformité des processus de fabrication et de qualité (Figure 1). Prenant en compte des paramètres supplémentaires, la norme IPC9592A a été publiée en 2010, suivie de l'IPC9592B en novembre 2012.
Plusieurs fabricants d'alimentations utilisent partiellement ou intégralement la norme IPC9592B. Cependant, face à l'émergence de nombreuses technologies et conditions de marché nouvelles au cours de la dernière décennie – notamment les techniques de contrôle numérique, les semi-conducteurs à large bande (WBG) et la cyber-résilience –, les utilisateurs estiment désormais qu'une mise à jour de la norme est nécessaire. Des groupes de travail, tels que le Comité de fiabilité de la PSMA (Power Supply Manufacturers Association), ont entrepris de relancer ce processus qui, comme à ses débuts, mobilisera de nombreux experts de diverses disciplines.
Il est difficile de prévoir la date de publication de la prochaine révision, mais d'ici là, et en complément de la norme IPC9592B, les fabricants d'alimentations développant des produits pour des applications exigeantes collaborent étroitement avec les fabricants de semi-conducteurs et réalisent également leurs propres évaluations de composants WBG, conformément à la norme JEDEC.
Figure 2 : Décalage RDS(on) du GaN EPC2045 en fonction de la tension d’entrée et de la température, tiré de la projection de fiabilité et de durée de vie du GaN EPC : Phase 17. (Source : courtoisie d’Efficient Power Conversion - EPC)
JEDEC et JC-70 :
Fondée en 1924 avec la création de la Radio Manufacturers Association, qui regroupait un conseil pour les tubes à vide et un autre pour les semi-conducteurs, l’organisation est devenue le Joint Electronic Device Engineering Council (JEDEC) en 1958. Référence dans l’industrie des semi-conducteurs, le JEDEC a vu naître en 2017 le comité JC-70 dédié aux semi-conducteurs de conversion de puissance électronique à large bande, ainsi que deux sous-comités : le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC). En 2019, le JC-70 a publié son premier document : JEP173 : « Dynamic On-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT Based Power Conversion Devices ». Depuis, le JC-70 a publié plusieurs autres documents, dont le JEP198 : « Guideline for Reverse Polarability Evaluation Procedures for Gallium Nitride Power Conversion Devices », qui sert de référence pour la qualification des semi-conducteurs GaN.
Les normes JEDEC relatives aux diodes à bande interdite large (WBG) sont incontestablement importantes pour les fabricants de semi-conducteurs, mais aussi pour les fabricants d'alimentations, car elles s'inscrivent dans leur processus de développement de nouveaux produits et leur
Les applications les plus exigeantes, telles que les applications industrielles ou aérospatiales durcies, sont particulièrement attentives à la manière dont les fabricants d'alimentations qualifient les nouveaux composants et exigent d'eux qu'ils effectuent des tests individuels au niveau des composants, conformément à la norme JEDEC. Cela nécessite une collaboration étroite avec les fabricants de semi-conducteurs possédant une expertise certaine dans ce domaine.
Figure 03 - Calcul et vérification de la durée de vie utile de l'EPC2212, extraits de la projection de fiabilité et de durée de vie utile de l'EPC GaN : Phase 17. (Source : Avec l'aimable autorisation d'Efficient Power Conversion (EPC))
Instaurer la confiance : Valider la fiabilité d'EPC.
Comme nous l'avons montré, l'adoption d'une nouvelle technologie représente un défi. Bien que les transistors GaN soient utilisés depuis longtemps dans les amplificateurs de puissance, leur application à l'électronique de puissance soulève des inquiétudes considérables. Les fabricants de semi-conducteurs doivent donc déployer des efforts spécifiques pour démontrer non seulement les avantages de cette technologie, mais aussi sa fiabilité à long terme.
À cet égard, Efficient Power Conversion (EPC) mérite d'être mentionnée. EPC a développé des semi-conducteurs GaN dans un boîtier très innovant à une époque où les semi-conducteurs de puissance GaN étaient encore considérés par beaucoup comme un simple concept.
Depuis sa création en 2007, afin de dissiper le scepticisme, EPC a mené des études de fiabilité approfondies pour valider les performances de ses dispositifs. Les programmes de tests d'EPC incluaient des tests de polarisation haute tension, des cycles de température et de puissance, ainsi que des tests de vieillissement accéléré. Ces études ont démontré que les dispositifs GaN, lorsqu'ils sont correctement conçus et intégrés, peuvent non seulement atteindre, mais aussi dépasser les normes de fiabilité établies pour le silicium, comme l'ont montré des conférences telles que l'APEC (Applied Power Electronics Conference).
Les résultats expérimentaux sont intéressants, mais il est tout aussi important qu'EPC ait publié ses conclusions en toute transparence, contribuant ainsi à instaurer un climat de confiance et une meilleure compréhension de la technologie GaN. De la phase 1, publiée en 2019, à la phase 17, publiée en 2025, les données d'essai démontrent que les mécanismes de défaillance du GaN sont bien compris et maîtrisables, et que la dégradation est prévisible dans le temps — deux caractéristiques essentielles que les concepteurs doivent prendre en compte pour garantir des performances critiques (figures 2 et 3).
Ce type de validation par un tiers est crucial pour une plus large acceptation. Il comble le fossé entre les avantages théoriques et le déploiement concret, notamment pour les ingénieurs responsables des systèmes à longue durée de vie.
COSEL : L’utilisation du GaN pour des solutions compactes et performantes.
Fondé au Japon en 1969, le fabricant d’alimentations COSEL a accompagné l’évolution technologique à chaque étape et a été l’un des pionniers de la conversion de puissance à découpage, lançant dès 1977 une gamme de produits commerciaux : les alimentations à découpage. Réputés pour leur excellence, les fabricants japonais ont, sans surprise, privilégié la fiabilité à tout avantage technique lors de l’émergence d’une nouvelle technologie comme le GaN.
Figure 04 - 1000 heures de fiabilité de polarisation inverse à haute température (HTRB), température ambiante 150°C et 650VDds (Source : PRBX/COSEL).
Pour qualifier les semi-conducteurs GaN destinés à une nouvelle génération d'alimentations, Cosel a réalisé plusieurs tests, dont un test de fiabilité en polarisation inverse à haute température (HTRB). Ce test HTRB est l'un des tests de fiabilité les plus courants pour les alimentations. Les tests HTRB, en sollicitant fortement la puce, peuvent provoquer des fuites de jonction. Des modifications paramétriques peuvent également survenir suite à la libération d'impuretés ioniques à la surface de la puce, provenant soit du boîtier, soit de la puce elle-même. Lors d'un test HTRB, les échantillons sont soumis à une contrainte, généralement jusqu'à 80 ou 100 % de la tension inverse répétitive de crête (VRRM), à température ambiante, à proximité de leur température de jonction nominale maximale (TJMAX), pendant une période prolongée, typiquement 1 000 heures (Figure 4). Ensuite, une fois le transistor de puissance GaN qualifié et intégré à l'étage de puissance de l'alimentation, un test de vieillissement de 1 000 heures a été réalisé afin de vérifier sa stabilité thermique (Figure 5).
Figure 05 - Test de vieillissement de 1000 heures pour vérifier la stabilité thermique (Source : PRBX/COSEL).
Il en résulte une nouvelle génération d'alimentations qui établissent de nouvelles normes en matière de performance, de densité et de fiabilité. Dans ses dernières recherches, COSEL a démontré que, grâce à une conception intégrée et soignée des étages magnétiques, de commande et de commutation, les systèmes d'alimentation peuvent atteindre des niveaux de densité de puissance révolutionnaires tout en respectant des objectifs thermiques et d'interférences électromagnétiques (IEM) rigoureux (Figure 06).
Figure 06 - Série COSEL TE alimentée par des transistors GaN et des transformateurs à boucle courte intégrés (Source : PRBX/COSEL).
Inspirer la prochaine génération :
Ce qui me passionne le plus, c'est l'enthousiasme et l'esprit d'innovation qui animent la nouvelle génération d'ingénieurs. Aujourd'hui, les jeunes concepteurs découvrent le GaN, le SiC et la commande numérique comme des éléments fondamentaux de leur formation. Ils abordent ce domaine avec curiosité et esprit d'exploration.
Ils ne perçoivent pas l'électronique de puissance comme une discipline statique, mais comme un terrain d'expérimentation où convergent matériaux, théorie du contrôle, conditionnement et pensée systémique. Leur ouverture aux nouvelles technologies sera le catalyseur des percées de demain.
Déjà, l'industrie se tourne vers les semi-conducteurs à base de diamant, qui offrent des propriétés thermiques et électriques exceptionnelles, au-delà du GaN. Bien que les dispositifs en diamant soient encore au stade préliminaire de la recherche, leur potentiel pour redéfinir la conversion haute tension et haute fréquence est immense. Il ne s'agit pas de science-fiction : c'est l'avenir de l'électronique de puissance.
Conclusion : L’opportunité qui se présente.
Adopter le GaN et d’autres technologies à large bande interdite (WBG) représente bien plus qu’un simple changement de matériaux ; c’est un changement de mentalité. Cela exige une commutation plus rapide, un contrôle plus intelligent et une intégration plus poussée. Cela met au défi les concepteurs de systèmes électriques, qui doivent abandonner leurs anciennes habitudes et développer de nouvelles compétences. Et cela ouvre la voie à des gains d’efficacité et des capacités auparavant hors de portée.
Grâce à des entreprises comme EPC et COSEL, nous commençons à constater l’impact concret du GaN dans des applications exigeantes. Leurs travaux valident la technologie, facilitent son apprentissage et fournissent aux concepteurs de systèmes de puissance les outils nécessaires à leur réussite.
Ayant été témoin de plusieurs vagues d’innovation dans ce domaine, je crois que nous sommes à l’aube d’une des périodes les plus passionnantes à ce jour. Les technologies sont là, les données sont encourageantes et la prochaine génération d’ingénieurs est prête à prendre la relève.
L’avenir de l’électronique de puissance est non seulement plus prometteur, mais il sera aussi plus compact, plus froid, plus rapide et bien plus efficace. Du GaN au diamant, les possibilités sont infinies.
Références :
Powerbox (PRBX)
Association des fabricants d'alimentations électriques (PSMA)
Conversion efficace d'énergie (EPC)
Pour plus d'informations
, consultez le site www.prbx.com.
Contactez Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication,
au +46 (0)158 703 00.
Référence : PRBX-A-070-ES
À propos de l'auteur :
Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication chez Powerbox, est un communicant expert et un ingénieur qualifié, fort de 40 ans d'expérience dans le secteur de l'électronique de puissance. Pionnier dans la commercialisation de nouvelles technologies telles que l'alimentation numérique et dans les initiatives techniques visant à réduire la consommation d'énergie, il a rédigé et présenté de nombreux livres blancs et articles lors de conférences internationales majeures sur l'électronique de puissance. Ces publications ont été reprises plus de 450 fois dans la presse internationale. Il participe également à divers forums environnementaux, où il partage son expérience et ses connaissances en matière d'énergies propres.
