Des techniques de fabrication innovantes, telles que les architectures verticales optimisant l'utilisation de la plaquette de silicium, ont permis aux fournisseurs d'améliorer les fréquences de commutation. Ceci permet, par conséquent, de réduire la taille et le poids de l'alimentation grâce à l'utilisation de composants magnétiques et passifs plus petits. Cependant, il est difficile d'éviter les pertes qui surviennent lors des changements d'état du transistor, car les propriétés du silicium impliquent un temps de décharge des porteurs de charge lorsque le canal se bloque. De plus, un compromis entre la résistance à l'état passant et la tension de claquage est indispensable lors de la conception.
Bien que la technologie du silicium soit reconnue pour sa maturité et sa rentabilité, l'attention se porte désormais sur des matériaux comme le nitrure de gallium (GaN) pour améliorer les performances des circuits d'alimentation. Un avantage clé du GaN réside dans sa bande interdite de 3,4 eV, plusieurs fois supérieure à celle du silicium (1,1 eV). Cette propriété se traduit par une tension de claquage plus élevée, permettant aux concepteurs de miniaturiser les transistors. Il est ainsi possible de réduire les capacités de sortie et de grille, et d'atteindre des fréquences de commutation de l'ordre du mégahertz.
Le deuxième atout majeur du GaN réside dans sa mobilité intrinsèque des porteurs de charge plus élevée. La mobilité électronique du GaN est presque 40 % supérieure à celle du silicium. Cette mobilité élevée résulte de la formation d'un gaz d'électrons bidimensionnel aux interfaces entre les matériaux constitutifs – une caractéristique intrinsèque des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) également présente dans d'autres matériaux, tels que l'arséniure de gallium (GaAs). Cette mobilité élevée permet également une faible résistance à l'état passant, ce qui est particulièrement adapté aux applications à courant élevé.
Contrairement au silicium, les dispositifs en GaN peuvent fonctionner à des températures élevées, ce qui serait difficilement réalisable avec le silicium. Ceci permet l'utilisation de dissipateurs thermiques plus petits, réduisant ainsi la taille et le poids des composants électroniques de puissance.
Considérations relatives à la conception des dispositifs GaN :
Bien que les performances des dispositifs GaN offrent des avantages significatifs par rapport aux dispositifs en silicium similaires, plusieurs facteurs de conception doivent être pris en compte. Si la commutation rapide est avantageuse en termes de taille et d'efficacité, les variations de courant importantes et le temps nécessaire, combinés aux inductances parasites, peuvent créer des tensions transitoires indésirables sur les circuits imprimés. Ces transitoires peuvent perturber le circuit de grille et de commande du dispositif et générer des oscillations entretenues qui doivent être supprimées pour un fonctionnement sûr. Les concepteurs peuvent contrôler ces conditions en utilisant des techniques au niveau de la carte qui minimisent les inductances parasites en utilisant des composants d'atténuation, tels que des condensateurs à faible résistance série équivalente.
De plus, le comportement de certains types de GaN peut être inhabituel pour les concepteurs habitués aux circuits MOSFET en silicium. De nombreux transistors de puissance GaN sont généralement activés en mode d'appauvrissement, tandis que les MOSFET sont généralement désactivés et en mode d'enrichissement. Cela nécessite quelques modifications subtiles du circuit de commande de grille, comme la possibilité d'appliquer des tensions négatives pour désactiver complètement le transistor GaN. Un autre point à prendre en compte est la gestion des pentes de sortie abruptes, particulièrement fréquentes du côté haut des convertisseurs de puissance demi-pont. Les circuits de commande de grille doivent garantir une bonne immunité aux transitoires de mode commun.
Grâce à leur large gamme de nouveaux produits GaN disponibles sur le marché, les principaux fabricants de semi-conducteurs, tels qu'Infineon Technologies, Nexperia et NXP, développent des solutions pour aider les ingénieurs à relever les défis posés par cette nouvelle technologie et à intégrer ses avantages dans leurs conceptions.
Solutions intégrées pour les concepteurs :
Pour pallier les limitations liées à la conception de cartes à faible inductance parasite pour la technologie GaN, une solution intégrée telle que le GAN063-650WSAQ de Nexperia est possible. Ce transistor FET GaN 650 V, 50 mΩ est un composant normalement bloqué qui combine les technologies MOSFET silicium basse tension et GaN haute tension de pointe de Nexperia.
Le GAN063-650WSAQ est adapté aux convertisseurs de puissance pour applications industrielles et de communication, aux onduleurs photovoltaïques, aux variateurs de vitesse pour moteurs et aux étages d'entrée de correction du facteur de puissance. Il réunit les technologies MOSFET silicium et GaN dans un seul boîtier, offrant ainsi de nombreux avantages aux concepteurs. Le principal avantage de l'encapsulation de différents types de composants, plutôt que de leur montage séparé sur la carte, réside dans la faible inductance parasite du circuit de commande de grille. Le second avantage réside dans le fait que le produit se présente comme un composant normalement bloqué en mode enrichissement, facilement connectable à un circuit de commande de grille conventionnel, le MOSFET en silicium étant un composant 30 V commandant un transistor de puissance 650 V. Enfin, l'association de ces composants garantit une immunité élevée aux transitoires dans les topologies de puissance à commutation dure, telles que la configuration totem-pole privilégiée dans les étages d'entrée destinés à la correction du facteur de puissance, ainsi que dans les topologies employant des techniques de commutation plus douces.
Flexibilité pour des dispositifs robustes haute température :
Forte de sa vaste expérience dans la conception de transistors de puissance, Infineon a adopté diverses technologies pour offrir la solution adaptée à chaque marché cible. Infineon propose actuellement des dispositifs en silicium, tant en architecture MOSFET qu’en architecture IGBT (transistor bipolaire à grille isolée), ainsi qu’en GaN et en carbure de silicium (SiC), un matériau adapté aux très hautes températures où la robustesse est essentielle.
L’IGT60R070D1 et les autres dispositifs de la famille CoolGaN de transistors 600 V se distinguent par leur fonctionnement en mode d’enrichissement et leur intégration simplifiée dans les circuits, sans oublier les avantages d’une commutation rapide. L’IGT60R070D1 présente une résistance à l’état passant de seulement 70 mΩ, une capacité de grille de 5,8 nC et des performances de commutation accrues.
Afin de faciliter l’application de tensions de grille plus élevées aux dispositifs GaN, Infineon a conçu la série de circuits intégrés EiceDRIVER. Ces circuits de commande de grille permettent une commutation rapide d'un transistor GaN, tel que l'IGT60R070D1, grâce à leur immunité accrue aux transitoires de mode commun. Outre la flexibilité qu'ils offrent aux concepteurs pour l'implantation des composants sur la carte, le circuit de commande de grille isolé EiceDRIVER génère la tension grille-source négative nécessaire pour garantir des états de blocage sûrs lors des transitoires de commutation et protéger le transistor de puissance contre les signaux d'amorçage intempestifs. L'isolation galvanique intégrée permet à ces circuits intégrés de commande de grille de prendre en charge les applications en demi-pont et à commutation dure, comme la topologie totem-pole pour la correction du facteur de puissance.
Capacité d'alimentation RF :
Les hautes fréquences de commutation atteignables avec le GaN conviennent à une grande variété d'applications d'alimentation RF, notamment le chauffage industriel, le soudage et le thermoscellage, ainsi que la génération de plasma. Les transistors de puissance RF GaN de NXP, tels que le MRF24G300HS, sont conçus pour l'alimentation RF dans la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale) non licenciée de 2 400 à 2 450 MHz du spectre radioélectrique. Pour garantir des performances thermiques élevées, le transistor GaN est réalisé sur un substrat SiC, permettant un fonctionnement en régime continu ou pulsé. En régime continu, le dispositif peut générer une puissance de sortie de 336 W.
La technologie GaN offre des avantages considérables par rapport à la technologie MOSFET en silicium traditionnelle, ce qui continuera de favoriser le développement de nouvelles applications grâce à la création d'alimentations plus compactes et plus efficaces. Pour tirer pleinement parti de la technologie GaN, les ingénieurs peuvent consulter des distributeurs de composants électroniques internationaux disposant de solides capacités de conception sur mesure, tels que Farnell, afin de trouver le composant adapté et d'accéder à l'expertise nécessaire pour concevoir leur prochain projet et potentiellement explorer de nouveaux marchés.
Résumé :
La clé pour franchir la prochaine étape cruciale vers un monde écoénergétique réside dans l’utilisation de nouveaux matériaux, tels que les semi-conducteurs à large bande interdite, qui permettent une meilleure efficacité énergétique, une taille réduite, un poids allégé, un coût global inférieur, ou une combinaison de ces facteurs. Si la technologie du silicium affiche sa maturité et sa rentabilité, l’attention se porte désormais sur des matériaux comme le nitrure de gallium (GaN) pour améliorer les performances des circuits de puissance.
Les principaux fabricants de semi-conducteurs, tels qu'Infineon Technologies, Nexperia et NXP, conçoivent des solutions pour aider les ingénieurs à surmonter les défis posés par cette nouvelle technologie et à intégrer les avantages de la technologie GaN dans leurs conceptions.
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