La maturation de la technologie du nitrure de gallium (GaN) est bien avancée. La technologie GaN s’est développée en ligne avec le marché des chargeurs, qui nécessitait les avantages de puissance et d'efficacité offerts par le GaN pour concrétiser le potentiel des systèmes USB-Power Delivery. Aujourd’hui, l’industrie voit des millions de pièces sur ce marché lucratif, et la taille du marché des chargeurs GaN, évaluée à 1,10 milliard de dollars en 2023, devrait atteindre 4,22 milliards de dollars d’ici 2030, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 19,9% de 2024 à 2030, selon la société d’études de marché et de conseil en gestion Next Move Strategy Consulting. La plate-forme de dispositifs GaN disponibles est en plein essor, évoluant de quelques produits clés en une grande variété de dispositifs GaN – à la fois haute et basse tension, et avec des solutions intégrées ainsi que des HEMT discrets – pour convenir à une gamme beaucoup plus large d'applications.
Rendement plus élevé avec des pertes de commutation quasi nulles
Pour rappel, le GaN révolutionne le marché de l'électronique de puissance car il délivre plus de puissance, à une densité de puissance plus élevée et à un rendement plus élevé avec des pertes de commutation quasi nulles. Le GaN affiche une « Figure de Mérite », R sur Qg, qui est 10 fois meilleure que celle du silicium. Par conséquent, les systèmes peuvent commuter à une fréquence plus élevée sans subir aucune perte d'efficacité, ce qui donne aux concepteurs la liberté d'utiliser des passifs plus petits et de réduire la nomenclature globale. Un rendement élevé signifie également qu'il y a moins de chaleur à dissiper, de sorte que le défi de la gestion thermique est moins onéreux et que les dissipateurs et les ventilateurs peuvent être éliminés ou réduits en taille.
Si le GaN s'apprête à proliférer dans un large éventail de domaines d'applications comme il l'a fait sur le marché des chargeurs USB-PD, une sélection beaucoup plus large de périphériques GaN sera nécessaire. « L’industrie réagit ; par exemple, Innoscience, le plus grand fabricant mondial de dispositifs intégrés GaN sur silicium (IDM) de 8 pouces, offre maintenant un très large portefeuille de dispositifs de puissance GaN qui s’adresse aux applications basse, moyenne et haute tension », souligne Denis Marcon, directeur général d’Innoscience Europe. La société propose des pièces basse tension couvrant 30 - 150V avec des résistances ON aussi basses que 1,2mΩ, et des dispositifs haute tension jusqu'à 700V avec des valeurs RDS(on) compris entre 30 et 600mΩ. Ces FET GaN sont également disponibles dans différentes encapsulations, y compris les boîtiers CSP, les « flip chips » QFN avec un refroidissement latéral, les modèles DFN et TO-xxx. Par conséquent, les concepteurs habitués à travailler avec ces boîtiers peuvent facilement passer au GaN à partir de leur expérience des dispositifs en silicium.
Le passage au GaN peut apporter des améliorations significatives des performances. En combinant les dispositifs GaN, on peut obtenir des progrès importants. Considérons l'unité d'alimentation électrique (PSU) de 4,2 kW qui utilise un composant GaN haute tension de 700 V du côté primaire et un dispositif GaN de 150 V du côté secondaire. La conception du totem pole PFC plus LLC utilise des interrupteurs d'alimentation GaN haute tension avec RDS(on) 30mΩ et 70mΩ dans le paquet TOLL pour le côté primaire, et pour le secondaire, quatre paires de pièces basse tension avec une RDS(on) de 3,2mΩ dans un boîtier QFN de puce à clapet. L'unité résultante mesure seulement 185 x 69 x 37 mm et atteint une densité de puissance étonnante de 130 watts par pouce cube, culminant à 97,5% d'efficacité, et dépassant facilement la référence fixée par la norme 80 Plus titane. Pour le mettre en contexte, un PSU Mosfet équivalent en silicium serait deux fois plus grand.
Voici d'autres exemples d'utilisation : des pilotes Led où la densité de puissance élevée du pilote GaN peut s'adapter à l'intérieur d’un rail lumineux; et un convertisseur 1000W DC/DC basé sur GaN pour un téléviseur de 300W mesurant 220 x 180 x 8,5mm qui est 70% plus petit et plus efficace qu'une unité de silicium de 600W. Les onduleurs, les moteurs et les systèmes photovoltaïques peuvent en bénéficier de la même manière.
Solutions GaN intégrées
Initialement, le GaN n'était disponible que sous forme de transistors GaN discrets. Si les composants discrets offrent une grande flexibilité de conception, des solutions de plus en plus intégrées sont également proposées. Celles-ci simplifient le processus de conception et peuvent réduire le nombre de composants et la taille de la conception.
Innoscience, par exemple, introduit une gamme de solutions intégrées SolidGaN qui combinent transistor de puissance, pilote, détection de courant et d'autres fonctions dans un seul boîtier QFN de 6x8mm standard de l'industrie. Les périphériques ISG610x 700V couvrent la gamme de 140 à 450mohm et économisent de l'espace sur les circuits imprimés et le nombre d’éléments en nomenclature, tout en augmentant l'efficacité et tout en simplifiant la conception pour les applications telles que les chargeurs USB-PD, l'éclairage Led, les alimentations AC/DC et DC/DC et les circuits PFC, QR flyback, ACF, demi-pont et pont complet. Les appareils intégrés disposent d'une large plage de 9-80VCC, ce qui est avantageux dans les applications USB-PD qui nécessitent jusqu'à 28V de sortie.
Pour un fonctionnement de faible puissance, les circuits intégrés de la famille ISG610x disposent également d'un courant de repos faible de 115μA, grâce à un mode de veille automatique innovant qui est activé lorsque la tension du signal PWM reste inférieure à VPWM_LO pendant une certaine période. Pendant ce temps, la plupart des circuits internes sont éteints, ce qui réduit considérablement le gaspillage d'énergie, en permettant aux appareils de satisfaire les spécifications à vide et à faible charge des organismes de réglementation tels que Energystar
La détection de courant sans perte avec une précision de 7% des appareils SolidGaN offre plusieurs avantages. Premièrement, en éliminant la perte de résistance de détection de courant, un RDS(on) plus grand peut être supporté sans perte de performance, conduisant à la baisse des coûts. Deuxièmement, le nombre de composants est diminué et l'encombrement sur PCB est réduit au minimum. Les appareils disposent également d'une vitesse de réponse programmable pour l'allumage des commutateurs, afin de minimiser l'interférence électromagnétique. Un régulateur de tension linéaire interne est inclus pour assurer une alimentation de 6,5V, ce qui maximise le rendement énergétique tout en assurant la fiabilité du GaN HEMT. Enfin, le circuit intègre la protection contre le verrouillage sous tension (UVLO), les surintensités (OCP) et les surtempératures (OTP).
Dissiper les préjugés sur le prix et la fiabilité
Malheureusement, certains décideurs travaillent avec des informations dépassées concernant le prix et la fiabilité. Originellement, bien sûr, les appareils GaN avaient une majoration de prix. En partie, c'était parce qu'ils étaient produits en nombre relativement faible (par rapport aux Mosfets en silicium), mais aussi, les entreprises devaient récupérer leurs coûts d'investissement, et certaines entreprises traditionnelles de silicium avaient des activités standard de dispositifs en silicium à protéger. Cependant, intrinsèquement, les transistors fabriqués en utilisant une structure GaN sur silicium ne devraient pas être plus coûteux à produire que les pièces en silicium standard.
D’après les données publiques disponibles, les HEMT InnoGaN GaN d’Innoscience sont maintenant compétitifs sur le plan des prix par rapport aux superjonctions en silicium. En outre, le GaN offre la possibilité d’économiser d’autres coûts au niveau du système, car l’efficacité accrue entraînera une réduction de la taille – et donc du prix – des composants passifs et magnétiques qui seront nécessaires.
Innoscience a atteint la parité des prix en construisant les plus grandes fabs GaN-sur-Si au monde. En contrôlant tous les processus de fabrication clés, y compris l'épitaxie, en interne, l'entreprise obtient des rendements constamment élevés. Il peut également générer des économies d'échelle massives.
Par ailleurs, il est facile de souligner les millions d'années en termes de données de vie opérationnelle que le silicium a amassées et de se poser des questions sur la fiabilité du GaN. Mais bien que le GaN ne puisse pas encore fournir plus de 50 ans de résultats de tests accumulés, cette technologie existe depuis plus de 20 ans et elle est bien étudiée et comprise.
