Comment les transistors HEMT GaN peuvent vous aider à améliorer le rendement des alimentations

J'ai une confession à vous faire. Tout au long des nombreuses années que j'ai passées dans l'industrie de l'électronique, que ce soit en tant que concepteur de circuits sur le terrain ou en tant que rédacteur en chef, j'ai constaté que la plupart des ingénieurs (moi y compris) ne s'intéressaient pas vraiment aux détails poussés concernant les matériaux des semi-conducteurs, les procédés et la technologie de fabrication. Il y en a probablement qui ne vivent que pour la conférence annuelle internationale sur les circuits à semi-conducteurs (ISSCC) de l'IEEE et qui s'intéressent aux détails et aux innovations liés aux procédés, et leur travail est important, impressionnant et admirable.

Toutefois, ce que la plupart des ingénieurs veulent savoir, ce n'est pas la manière dont est fabriqué un dispositif, mais ce qu'il peut faire : ses points forts, ses points faibles, ses compromis et autres attributs clés. Le fait de dire « le procédé que j'utilise est plus compact, plus performant, moins énergivore, plus rapide et peut-être moins coûteux que le vôtre » n'est pas vraiment palpitant. Ce sont plutôt les composants utilisés et les chiffres et graphiques inclus dans leur fiche technique qui comptent vraiment pour la plupart des utilisateurs potentiels.

Malgré cela, la réalité est la suivante : la technologie des procédés de fabrication est importante et fondamentale pour les avancées liées aux performances et aux capacités des semi-conducteurs. C'est particulièrement vrai dans le secteur actuel des dispositifs de puissance, où la commercialisation de procédés nouveaux ou améliorés redéfinit ce qui peut être accompli grâce aux circuits de commutation et à leurs systèmes. Les applications s'étendent des petits chargeurs pour smartphones aux véhicules électriques et à leurs bornes de recharge. Je pourrais parler d'avancées « révolutionnaires », mais ce mot est utilisé à l'excès et a perdu son sens premier.

Les dispositifs à large bande interdite au cœur de nouvelles capacités

Au cœur de ce changement se trouve la disponibilité de semi-conducteurs de puissance à large bande interdite (WBG) fabriqués à l'aide de procédés et de matériaux au carbure de silicium (SiC) et au nitrure de gallium (GaN). Les dispositifs WBG offrent de multiples avantages par rapport aux dispositifs traditionnels au silicium (Si) uniquement. D'ailleurs, dans de nombreux cas, ils les remplacent ou permettent de nouvelles conceptions qui n'étaient auparavant pas réalisables (Figure 1).

Figure 1 : Les attributs relatifs des dispositifs de puissance basés GaN et SiC montrent que ces composants WBG plus récents présentent des facteurs de mérite plus intéressants que les composants au silicium uniquement. (Source de l'image : Scholarly Community Encyclopedia)

Dans le détail, les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) basés GaN sont supérieurs aux dispositifs traditionnels au silicium en termes de fréquence de commutation, de puissance nominale, de capacité thermique et de rendement, tous ces facteurs étant primordiaux pour améliorer les performances des convertisseurs de puissance avancés. Ces avantages découlent des facteurs de mérite propres au GaN, à savoir une tension à large barrière de potentiel, un champ électrique à claquage critique élevé, une haute conductivité thermique et une haute vitesse de saturation électronique. Les dispositifs de commutation de puissance basés GaN peuvent offrir une faible résistance à l'état passant, une haute tenue en courant et une densité de puissance élevée.

Les dispositifs de commutation de puissance basés GaN disponibles dans le commerce offrent une tension de fonctionnement de 100 volts (V) à près de 1000 V, une haute fréquence de commutation, un fonctionnement haute température et des pertes de commutation réduites. Le GaN présente des facteurs de mérite supérieurs au SiC, mais il est plus difficile à cristalliser et à traiter.

Le transistor HEMT est une technologie GaN dans laquelle les éléments se forment uniquement à la surface d'un substrat sur lequel des cristaux GaN peuvent se développer. Aujourd'hui, les principaux FET GaN disponibles dans le commerce sont des transistors HEMT horizontaux.

Dans la structure horizontale des FET GaN, il y a un substrat silicium, un tampon GaN, une barrière au nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN), trois bornes de connexion (source, grille et drain), une couche de passivation (diélectrique de protection) et une plaque qui s'étend depuis la borne source (Figure 2). L'hétérojonction (jonction entre deux semi-conducteurs différents) de la barrière AlGaN et du tampon GaN forme un canal à gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG).

Figure 2 : La structure des dispositifs de puissance GaN montre plusieurs couches et un canal 2DEG à travers lequel le courant circule ou se retrouve bloqué. (Source de l'image : ResearchGate)

Ce canal présente une mobilité et une charge de densité élevées. Le courant circule dans le canal 2DEG, contrairement à un MOSFET Si où le canal pour la circulation du courant est la zone de déplétion entre la source et le drain.

Notez qu'un transistor HEMT GaN standard est normalement à l'état passant, contrairement à un MOSFET traditionnel qui est normalement à l'état bloqué. Pour basculer un transistor HEMT à l'état bloqué, plus facile à utiliser et privilégié dans la plupart des conceptions de circuit du point de vue de la commodité et de la sécurité, il faut réduire la couche 2DEG, qui bloque alors la circulation du courant.

Par conséquent, il existe deux types différents de dispositifs de commutation GaN : à mode d'enrichissement (e-GaN) et à mode de déplétion (d-GaN). Un transistor à mode de déplétion est normalement à l'état passant et son blocage nécessite l'utilisation d'une tension négative appliquée à la grille. Un transistor à mode d'enrichissement est normalement à l'état bloqué et s'active en appliquant une tension positive à la grille.

SiC ou GaN

La différence majeure entre le GaN et le SiC concerne leur mobilité électronique, qui indique la vitesse à laquelle les électrons peuvent se déplacer dans le matériau du semi-conducteur. Le silicium standard présente une mobilité électronique de 1500 centimètres² par volt-seconde (cm²/V-s). En revanche, le SiC présente une mobilité électronique de 650 cm²/V-s. Quant au GaN, il offre une mobilité électronique de 2000 cm²/V-s, ce qui veut dire que les électrons du SiC se déplacent plus lentement que ceux du GaN et du silicium.

Les électrons du GaN peuvent se déplacer plus de 30 % plus vite que les électrons du silicium. Avec une mobilité électronique aussi élevée, le GaN est presque trois fois plus adapté aux applications haute fréquence.

En outre, le GaN présente une conductivité thermique de 1,3 watt/centimètre-K (W/cm-K), ce qui est moins bien que celle du silicium, qui s'élève à 1,5 W/cm-K. Cependant, le SiC présente une conductivité thermique de 5 W/cm-K, ce qui le rend presque trois fois plus efficace pour le transfert de charges thermiques. Cette fonctionnalité confère au SiC un avantage considérable dans les applications haute puissance et haute température.

Le GaN et le SiC répondent à des besoins en puissance différents sur le marché. Les dispositifs SiC offrent des niveaux de tension jusqu'à 1200 V avec des capacités élevées de courant admissible. Ils conviennent ainsi aux applications comme les onduleurs de traction pour automobiles et locomotives, les parcs solaires haute puissance et les imposants convertisseurs triphasés connectés au réseau.

À l'inverse, les dispositifs HEMT GaN présentent typiquement une tension nominale de 650 V et peuvent activer des convertisseurs haute densité de l'ordre de 10 kilowatts (kW) et plus. Leurs applications incluent les alimentations grand public, industrielles, de serveur et télécoms, les circuits d'attaque de servomoteurs, les convertisseurs de réseau, ainsi que les convertisseurs CC/CC et chargeurs VE embarqués.

Malgré ces différences, les technologies SiC et GaN se rejoignent dans certaines applications inférieures à 10 kW.

Les dispositifs GaN disponibles mettent en avant les performances

Même si la mise au point des dispositifs GaN a nécessité de nombreuses années de recherche et de développement en laboratoire ainsi que des efforts de production, les dispositifs GaN sont disponibles dans le commerce depuis plus de 10 ans. Les transistors HEMT GaN 650 V GNP1070TC-Z et GNP1150TCA-Z de ROHM Semiconductor sont deux exemples, tous les deux optimisés pour une large gamme d'applications de systèmes d'alimentation (Figure 3). Le GNP1070TC-Z est un dispositif à mode d'enrichissement de 20 ampères (A) et 56 W avec une résistance drain-source (R_DS(on)) de 70 milliohms (mΩ) et une charge de grille (Q_g) de seulement 5,5 nanocoulombs (nC) (valeurs typiques). Quant au GNP1150TCA-Z, dispositif de 11 A et 62,5 W, les valeurs correspondantes s'élèvent respectivement à 150 mΩ et 2,7 nC.

Figure 3 : Circuit interne du transistor HEMT GaN de 20 A GNP1070TC-Z, similaire au modèle GNP1150TCA-Z de 11 A. Tous les deux conviennent à une gamme d'applications liées à l'alimentation de 650 V. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Ces deux composants ont été développés en collaboration avec Ancora Semiconductors, Inc., société affiliée à Delta Electronics, Inc., qui développe des dispositifs GaN. Ils offrent des performances à la pointe du marché qui contribuent à un rendement supérieur et à une taille réduite dans une plus vaste gamme d'alimentations.

Ils sont fournis en boîtiers DFN8080K à 8 sorties mesurant 8 millimètres (mm) × 8 mm × 0,7 mm (Figure 4).

Figure 4 : Malgré leurs valeurs nominales de courant et de tension supérieures, les dispositifs GaN GNP1070TC-Z et GNP1150TCA-Z sont tous les deux fournis en boîtiers de seulement 8 mm de côté. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Conclusion

Les dispositifs de commutation de puissance à large bande interdite basés sur des transistors HEMT GaN offrent aux concepteurs des avantages considérables en termes de performances par rapport aux dispositifs traditionnels au silicium uniquement. Ils présentent également de nets avantages par rapport aux dispositifs SiC en ce qui concerne leur fréquence de fonctionnement et leur dissipation thermique, ce dernier facteur étant particulièrement important. En utilisant des composants GaN comme le GNP1070TC-Z de 20 A/650 V et le GNP1150TCA-Z de 11 A/650 V de ROHM Semiconductor, les concepteurs peuvent implémenter des convertisseurs de puissance et des alimentations qui ne seraient autrement pas réalisables ou qui présenteraient de sérieuses limitations de fonctionnement.

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