Les semi-conducteurs au nitrure de gallium (GaN) ont parcouru un long chemin depuis qu'ils sont devenus commercialement viables sous forme de diodes électroluminescentes (DEL) bleues très lumineuses au début des années 1990 et, par la suite, d'un noyau sans souci pour les lecteurs de disques optiques Blu-ray. Il faudra près de deux décennies avant que la technologie ne soit commercialement viable pour les transistors à effet de champ (FET) à haut rendement énergétique.
Le GaN représente désormais l’un des segments du marché à la croissance la plus rapide. semi-conducteur l’industrie, avec des estimations de croissance annuelle composée allant de 25 % à 50 %, tirée par la demande d’appareils offrant une plus grande efficacité énergétique pour atteindre les objectifs de durabilité et d’électrification.
Les transistors GaN peuvent être utilisés pour concevoir des dispositifs plus petits et plus efficaces que les transistors en silicium. Initialement utilisé pour les systèmes d'amplificateurs micro-ondes de haute puissance, les économies d'échelle dans la fabrication du GaN et la capacité de créer des amplificateurs petits et plus puissants ont étendu son utilisation pour créer un marché de dispositifs de plusieurs milliards de dollars couvrant des applications grand public, industrielles et militaires.
Il est largement admis que les MOSFET au silicium ont atteint leurs limites théoriques pour l’électronique de puissance, tandis que les FET GaN ont encore un grand potentiel pour améliorer encore leurs performances. Les semi-conducteurs GaN utilisent le plus souvent des substrats en carbure de silicium (SiC), suivi du silicium, plus économique, ou du diamant, le plus performant et le plus cher. Les dispositifs GaN fonctionnent à des températures plus élevées avec une mobilité et une vitesse des électrons plus élevées que les dispositifs à base de silicium et avec une charge de récupération inverse faible ou nulle.
Les semi-conducteurs de puissance GaN présentent une densité de puissance environ cinq fois supérieure à celle des semi-conducteurs d'amplificateur de puissance en arséniure de gallium (GaAs). Avec un rendement énergétique de 80 % ou plus, les semi-conducteurs GaN offrent une puissance, une bande passante et une efficacité supérieures à celles des alternatives telles que le GaAs et les semi-conducteurs à oxyde métallique à diffusion latérale (LDMOS). La technologie est désormais utilisée dans diverses applications allant des adaptateurs d'alimentation à charge rapide aux dispositifs de détection et de télémétrie de la lumière (LiDAR) intégrés aux systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) pour automobiles.
Les centres de données représentent un autre marché émergent pour les appareils basés sur GaN, capables de répondre aux besoins croissants de consommation d'énergie et de refroidissement à moindre coût, et de contribuer à résoudre les conflits environnementaux croissants auxquels sont confrontés les opérateurs dans les arènes réglementaires et politiques.
Les fabricants de semi-conducteurs et les sociétés d’études de marché prévoient également un marché croissant pour les applications basse et haute tension dans les véhicules électriques, depuis les batteries plus efficaces jusqu’aux onduleurs de traction sur batterie.
C'est un domaine qui a, jusqu'à présent, été dominé par les dispositifs SiC, qui, comme le GaN, sont classés comme semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) avec une mobilité électronique élevée qui « permettent aux composants électroniques de puissance d'être plus petits, plus rapides, plus fiables et plus efficaces que leurs homologues à base de silicium (Si). GaN a une bande interdite de 3.4 eV, contre 2.2 eV pour le SiC et 1.12 eV pour le SI.
Les semi-conducteurs de puissance GaN et SiC fonctionnent à des fréquences plus élevées et ont des vitesses de commutation plus rapides et une résistance de conduction inférieure à celle du silicium. Les dispositifs SiC peuvent fonctionner à des tensions plus élevées, tandis que les dispositifs GaN offrent une commutation plus rapide avec moins d'énergie, permettant aux concepteurs de réduire la taille et le poids. Le SiC peut prendre en charge jusqu'à 1,200 650 volts, tandis que le GaN est généralement considéré comme plus approprié jusqu'à XNUMX volts, bien que des dispositifs à tension plus élevée aient été récemment introduits.
Le GaN peut fournir environ 10 fois la puissance dans la plage de fréquences par rapport au GaAs et à d’autres semi-conducteurs (Figure 1).
Considérations sur la conception
On estime que 70 % ou plus de l’énergie électrique consommée dans le monde est traitée par l’électronique de puissance. Grâce aux caractéristiques WBG du GaN, les concepteurs peuvent créer des systèmes électroniques de puissance plus petits, utilisant une densité de puissance plus élevée, une efficacité supérieure et des vitesses de commutation ultra-rapides.
La technologie permet l'innovation sur plusieurs marchés, notamment l'électronique de puissance, l'automobile, le stockage de l'énergie solaire et les centres de données, entre autres. Très résistants aux radiations, les dispositifs GaN sont bien adaptés aux applications militaires et aérospatiales émergentes.
Certains concepteurs d’électronique se sont peut-être éloignés des dispositifs d’alimentation GaN en raison de perceptions erronées concernant le coût des matériaux. Alors que la fabrication du substrat GaN était initialement bien supérieure à celle du Si, cet écart a considérablement diminué et l'utilisation de différents substrats offre aux concepteurs la possibilité de trouver le meilleur compromis entre coût et performances.
Le GaN-on-SiC offre le potentiel de marché le plus large aux concepteurs avec le meilleur compromis entre coût et performances. Cependant, grâce aux options GaN-sur-Si et GaN-sur-diamant, les concepteurs de produits peuvent sélectionner le substrat le plus approprié pour répondre aux besoins de prix/performance de leurs organisations et de leurs clients.
En raison des taux de commutation très élevés du GaN, les concepteurs doivent accorder une attention particulière aux interférences électromagnétiques (EMI) et à la manière dont elles peuvent être atténuées dans la configuration de la boucle de puissance. Les pilotes de grille actifs, qui sont essentiels pour empêcher les dépassements de tension, peuvent réduire les interférences électromagnétiques liées à la commutation des formes d'onde.
Un autre problème clé de conception est l’inductance et la capacité parasites qui peuvent entraîner un faux déclenchement. La maximisation des avantages en termes de performances dépend de la disposition optimale des boucles de puissance latérales et verticales et de l'adaptation de la vitesse du conducteur à la vitesse de l'appareil.
Les concepteurs doivent également optimiser la gestion thermique pour éviter un échauffement excessif susceptible de compromettre les performances et la fiabilité. L'emballage doit être évalué en fonction de sa capacité à réduire les inductances et à dissiper la chaleur.
Analog Devices fournit des amplificateurs de puissance GaN
Electronique les systèmes nécessitent une conversion entre la tension de l’alimentation en énergie et la tension des circuits qui doivent être alimentés. Analog Devices, Inc. (ADI), leader de longue date dans le domaine des semi-conducteurs, vise à fournir des performances d'amplificateur de puissance GaN de pointe, associées à un support, permettant aux concepteurs d'atteindre les objectifs de performances les plus élevés et de commercialiser leurs solutions plus rapidement.
Les pilotes de grille et les contrôleurs abaisseurs (ou abaisseurs) sont essentiels pour maximiser les avantages des dispositifs d'alimentation GaN. Les pilotes GaN en demi-pont améliorent les performances de commutation et l'efficacité globale des systèmes électriques. Les convertisseurs abaisseurs DC-DC convertissent une tension d'entrée plus élevée en une tension de sortie plus faible.
ADI propose le LT8418, un pilote GaN en demi-pont de 100 V qui intègre les étages de pilote supérieur et inférieur, le contrôle logique du pilote, les protections et un commutateur d'amorçage (Figure 2). Il peut être configuré en topologies synchrones demi-pont ou boost. Les pilotes de grille divisée ajustent les taux d'évolution d'activation et de désactivation des GaN FET pour optimiser les performances EMI.
Les entrées et sorties du pilote ADI GaN disposent d'un état bas par défaut pour éviter une fausse activation des FET GaN. Avec un délai de propagation rapide de 10 ns, ainsi qu'une correspondance de retard de 1.5 ns entre les canaux supérieur et inférieur, le LT8418 convient aux convertisseurs DC/DC haute fréquence, aux pilotes de moteur, aux amplificateurs audio de classe D, aux alimentations des centres de données, et une large gamme d'applications énergétiques sur les marchés grand public, industriel et automobile.
Les LTC7890 et LTC7891 (Figure 3) sont des commutateurs CC à CC abaisseurs hautes performances, respectivement doubles et simples. régulateur contrôleurs pour piloter des étages de puissance GaN FET synchrones à canal N à partir de tensions d'entrée jusqu'à 100 V. Destinés à relever de nombreux défis auxquels les concepteurs sont confrontés en utilisant les GaN FET, ces contrôleurs simplifient la conception de l'application en ne nécessitant pas de diodes de protection ou d'autres composants externes supplémentaires généralement utilisés. en silicium MOSFET de Red Lion
Chaque contrôleur offre aux concepteurs la possibilité d'ajuster avec précision la tension du circuit d'attaque de grille de 4 V à 5.5 V pour optimiser les performances et permettre l'utilisation de différents FET GaN et MOSFET de niveau logique. Les commutateurs d'amorçage intelligents internes empêchent la surcharge de la broche BOOSTx vers les alimentations du pilote côté haut de la broche SWx pendant les temps morts, protégeant ainsi la grille du GaN FET supérieur.
Les deux composants optimisent en interne la synchronisation des pilotes de grille sur les deux fronts de commutation pour des temps morts proches de zéro, améliorant ainsi l'efficacité et permettant un fonctionnement à haute fréquence. Les concepteurs peuvent également ajuster les temps morts avec des résistances externes. Les dispositifs sont disponibles avec des flancs latéraux mouillables dans des boîtiers quad flat no-lead (QFN). Les schémas illustrent des circuits d'application typiques avec les configurations LTC40 à 6 dérivations, 6 mm x 7890 mm (Figure 4) et LTC28 à 4 dérivations, 5 mm x 7891 mm (Figure 5).
Les concepteurs peuvent également profiter d'un portefeuille d'outils de gestion de l'alimentation ADI pour atteindre leurs objectifs de performances d'alimentation et optimiser les cartes. L'ensemble d'outils comprend un calculateur de résistance abaisseur variable, un configurateur de puissance de chaîne de signaux et un environnement de développement basé sur Windows.
Conclusion
Le GaN est un matériau semi-conducteur transformateur utilisé pour produire des composants présentant une densité de puissance élevée, des vitesses de commutation ultra-rapides et une efficacité énergétique supérieure. Les concepteurs de produits peuvent tirer parti des produits de commande de grille GaN FET d'ADI pour créer des systèmes plus fiables et plus efficaces avec moins de composants, ce qui se traduit par des systèmes plus petits avec un encombrement et un poids réduits.