Cet article examine les transistors à haute mobilité électronique en GaN comme alternative au SiC dans l’électronique de puissance.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec les Systèmes de Puissance de Bodo.
En matière d’efficacité énergétique et de miniaturisation, les dispositifs en silicium traditionnels ont leurs limites. Les transistors en GaN, en particulier les transistors à haute mobilité électronique, représentent une alternative révolutionnaire, permettant de nouvelles dimensions dans l’électronique de puissance grâce à leur haute performance et efficacité.
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Le transistor à haute mobilité électronique (HEMT) est un nouveau venu dans le monde des dispositifs de commutation de puissance produits en masse. Contrairement à son homologue en silicium dopé traditionnel, les HEMT sont des dispositifs à hétérojonction construits à partir de deux matériaux semi-conducteurs avec des tensions de bande interdite distinctes. Démontrés pour la première fois à la fin des années 1990 et au début des années 2000, les HEMT utilisent un diagramme de bande unique qui se traduit par un gaz conceptuel de porteurs d’électrons majoritaires au sein du matériau à faible bande interdite non dopé. La structure résultante permet un fonctionnement à des fréquences extrêmement élevées en raison de l’absence d’atomes dopants entraînant des collisions. Les caractéristiques exactes du HEMT dépendent des matériaux constituants et peuvent être adaptées pour des applications à fréquence plus élevée ou à puissance plus élevée. Par exemple, les HEMT en GaN, illustrés dans la Figure 1, sont particulièrement bien adaptés aux applications de convertisseurs de tension et à d’autres topologies de commutation à haute puissance en raison de leur résistance en état de conduction extrêmement basse.
Figure 1. Coupe transversale d’un transistor en silicium dopé comparé à un HEMT en GaN. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Dans les applications à très haute puissance, notamment lorsque les fréquences sont basses, les transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) ont été couramment utilisés. Plus récemment, les MOSFET en Carbure de Silicium (SiC) ont gagné du terrain dans cet espace à haute puissance, offrant une commutation à des fréquences de plus en plus élevées jusqu’à la limite des mégahertz. Comme le montre la Figure 2, lorsque des vitesses de commutation encore plus élevées sont nécessaires à des niveaux de puissance modérés inférieurs à 1000 VA, les transistors à haute mobilité électronique sont la solution la plus efficace. Parmi les exemples courants de cette exigence figurent les alimentations pour serveurs de centres de données, les adaptateurs secteur pour consommateurs, les convertisseurs DC/DC automobiles de 48 V, et les pilotes de laser LiDAR.
Un des plus grands défis concernant l’adoption généralisée et la production en masse des HEMT en GaN au cours des deux dernières décennies a été les difficultés associées à la conception des pilotes de porte. Les exigences complexes en matière de circuits et les questions de fiabilité associées nécessitaient une solution avant que les HEMT en GaN puissent gagner du terrain sur le marché. Rohm a résolu ces problèmes en proposant une série de puces pilotes de porte dédiées pour simplifier la conception des circuits et garantir la plus haute performance. Avec ces développements, les HEMT en GaN de Rohm se sont imposés sur le marché, et la scène était prête pour des dispositifs à des tensions encore plus élevées.
Figure 2. Espace d’application en puissance et fréquence pour les IGBTs, les MOSFET SiC et les HEMT GaN. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Applications des HEMT GaN
Le point idéal du fonctionnement des HEMT en GaN est caractérisé par un passage à des fréquences de commutation très élevées et des niveaux de puissance modérément élevés. Cette combinaison conduit à un ensemble très spécifique d’espaces d’application qui deviennent de plus en plus importants et gagnent une part de marché proportionnelle dans l’industrie électronique. Trois des exemples les plus courants sont les circuits de puissance pour moteurs, les pilotes de laser pulsé LiDAR, et les étages de sortie RF de niche.
Les entraînements de moteurs sont généralement construits à partir d’une série de convertisseurs de tension. Comme le montre la Figure 3, une source AC est d’abord convertie en un DC haute tension puis reconvertie en une série d’ondes AC à fréquence variable ou à tension variable pour entraîner le moteur lui-même. Dans un véhicule électrique, le bus DC haute tension pourrait être utilisé directement.
La dernière étape de sortie DC/AC est une application idéale pour les HEMT en GaN, où la fréquence de commutation peut tourner autour de 40 kHz à 100 kHz, et les courants de charge peuvent être substantiels.
Comparés à d’autres technologies comme les MOSFET en silicium et les IGBTs, les HEMT en GaN sont plus efficaces, plus compacts, et généralement moins coûteux à mettre en œuvre.
Une autre application des HEMT en GaN gagnant en visibilité sur le marché est l’étape de pilotage laser pour les systèmes LiDAR, en particulier ceux utilisés dans les applications de conduite autonome. Pour créer des impulsions de lumière pour le LiDAR, ces lasers doivent être pilotés par un commutateur semi-conducteur. La qualité du commutateur affecte directement la résolution de l’image LiDAR et est généralement caractérisée par le temps de mise en marche, le courant de pointe et les pertes de commutation. Comparés aux dispositifs en silicium traditionnels, les commutateurs HEMT en GaN affichent des vitesses extrêmement rapides et jusqu’à 65 % de pertes de puissance en moins. Cela permet d’améliorer les performances du LiDAR en termes de qualité d’image tout en améliorant simultanément l’efficacité et la complexité thermique.
Le marché des dispositifs GaN dans les applications RF est principalement dicté par les applications radar, ainsi que par le développement de l’électronique partagée et des antennes. Le radar est couramment mis en œuvre à l’aide d’un tube à ondes progressives à haute puissance et large bande. Les HEMT en GaN remplacent rapidement ce dispositif peu fiable et d’une courte durée de fonctionnement en appliquant des signaux RF d’impulsion. Comme dans les exemples précédents, la solution HEMT en GaN offre une fiabilité supérieure, une meilleure efficacité et une meilleure réponse à haute fréquence.
Figure 3. Diagramme simplifié d’un entraînement de moteur typique. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
HEMT GaN haute tension discrets
La capacité à commuter des hautes tensions est essentielle tant pour la taille que pour l’efficacité. Pour la même puissance, une tolérance de tension plus élevée entraînera un courant plus faible, réduisant ainsi les pertes en état de conduction et minimisant la taille physique du dispositif. Dans l’ensemble, les HEMT haute tension auront une application plus large dans une variété de topologies d’alimentation et offriront des avantages compétitifs en termes de taille et de performance. À cette fin, Rohm a développé ses capacités de tension HEMT pour inclure des dispositifs GaN discrets jusqu’à 650 V et prévoit de déployer un large portefeuille au cours des quatre à cinq prochaines années. Ces transistors haute tension tendent vers une résistance en état de conduction plus faible et des emballages DFN de conception plus adaptés. Tous présentent une tolérance de tension de drain-source élevée de 650 V, des temps de commutation extrêmement rapides et un temps de récupération inverse nul.
La gamme de dispositifs GaN de Rohm comprend également une protection intégrée contre les décharges électrostatiques (ESD) de la porte dans chaque boîtier, ce qui les rend incroyablement robustes tout en simplifiant la conception des circuits des pilotes de porte et en minimisant le nombre de composants.
Dispositifs d’étage de puissance HEMT
En plus des HEMT GaN discrets, Rohm propose des dispositifs d’étage de puissance spécialisés avec des pilotes de porte intégrés. Le transistor de puissance, le circuit pilote, le circuit de soutien, la protection ESD et la gestion des EMI sont intégrés dans un seul boîtier. Cela permet non seulement d’économiser de l’espace, mais également d’améliorer l’efficacité et d’accroître l’immunité environnementale, notamment en termes de robustesse thermique (Figure 4).
Figure 4. IC d’étage de puissance combinant HEMT GaN et pilote de porte. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Les BM3G015MUV-LB et BM3G007MUV-LB sont les dispositifs d’étage de puissance phares du portefeuille de produits et présentent une large gamme de tension d’entrée de 2,5 V à 30 V, un temps de propagation extrêmement bas de 15 ns, un temps de montée réglable, et un faible courant au repos. Ces dispositifs sont particulièrement bien adaptés à diverses topologies de commutation d’alimentation, y compris les convertisseurs flyback, LLC, PFC entrelacés, et PFC en totem. Comme le montre la Figure 5, la commutation peut être réalisée avec un seul composant externe, augmentant ainsi la performance en tension tout en minimisant le volume physique. Cela améliore également la performance thermique en permettant au concepteur d’optimiser le PCB avec plus de liberté, et des gains allant jusqu’à 20 % de la puissance de sortie totale ont été mesurés dans des conceptions d’alimentation courantes.
Figure 5. Avantage du BOM utilisant des dispositifs d’étage de puissance. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Système dans un boîtier HEMT
Tout comme les dispositifs d’étage de puissance, les produits système dans un boîtier (SiP) de Rohm intègrent plusieurs parties d’un système complexe pour réduire le nombre de pièces, simplifier la conception et améliorer la fonctionnalité. Les SiP sont généralement spécifiques à une application et contiennent des pièces sélectionnées et optimisées pour une topologie de conception particulière. Par exemple, Rohm développe plusieurs SiP GaN haute tension pour les convertisseurs de tension flyback (BM3GQ12A3MUV-LB et BM3GQ12A2MUV-LB) et les alimentations PFC (BM3GF01MUV-LB et BM3GF02MUV-LB). Ces SiP intègrent le HEMT GaN de puissance, le contrôleur, le pilote de porte, les résistances de détection, les amplificateurs de soutien et les LDO, ainsi qu’une variété d’autres contrôles et fonctions utilitaires. Encore une fois, la réduction du nombre de pièces discrètes augmente la liberté d’optimiser la performance thermique du PCB, ce qui améliore à son tour la performance globale du système.
Conclusion
Les récentes avancées dans les transistors EcoGaN de Rohm ont abouti à un large portefeuille de HEMT de puissance et une feuille de route extensive pour le développement futur. Des transistors discrets de 650 V aux étages de puissance complexes et aux produits SiP, Rohm a fourni une base pour l’adoption des HEMT dans l’ensemble des applications de puissance à haute fréquence. Leur HEMT GaN de 650 V a atteint la meilleure classe de figure de mérite de l’industrie, offrant une réduction sans précédent des pertes de commutation par rapport aux dispositifs GaN conventionnels et augmentant l’efficacité de l’alimentation.
Rohm a développé une solution de fabrication verticalement intégrée pour ses dispositifs GaN, depuis la création de la plaquette brute jusqu’à l’emballage final du produit afin de garantir les plus hauts niveaux de qualité tout en assurant une chaîne d’approvisionnement stable et prévisible.
Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [].