Qu’est-ce qu’un dispositif d’alimentation GaN ?
Les dispositifs d’alimentation GaN sont des dispositifs d’alimentation à semi-conducteurs de la prochaine génération formés sur des cristaux de nitrure de gallium.
Les dispositifs de puissance GaN ont attiré beaucoup d’attention ces dernières années parce qu’ils peuvent gérer une plus grande puissance avec moins de pertes que les dispositifs de puissance fabriqués sur du silicium conventionnel à l’aide de processus semi-conducteurs. Toutefois, les récentes innovations dans les technologies liées aux semi-conducteurs composés permettent de résoudre ces problèmes.
L’efficacité accrue des dispositifs de puissance en GaN permet également de simplifier le mécanisme d’évacuation de la chaleur et ainsi de suite, ce qui contribue à des produits nettement plus petits et à une consommation d’énergie plus faible.
Utilisations des dispositifs de puissance GaN
Les dispositifs de puissance GaN sont largement utilisés dans les chargeurs qui permettent de recharger rapidement les smartphones et les PC, ainsi que dans les amplificateurs des stations de base de téléphonie mobile. Comme ils peuvent gérer plus de puissance que les dispositifs d’alimentation à base de silicium, ils sont souvent utilisés dans les chargeurs de PC et les amplificateurs pour les stations de base en tant qu’applications de remplacement.
Les dispositifs de puissance GaN à haut rendement commencent également à être utilisés dans les conditionneurs de puissance pour les systèmes de production d’énergie photovoltaïque et d’autres utilisations qui nécessitent un rendement de conversion extrêmement élevé. En outre, étant donné qu’il est également possible de réaliser des opérations de commutation à grande vitesse, les dispositifs de puissance GaN sont également utilisés comme alimentations à commutation dans les équipements de serveurs, par exemple, où la stabilité de l’alimentation électrique est requise.
Principe des dispositifs de puissance GaN
Le principe des dispositifs d’alimentation GaN réside dans le fait que le GaN est un dispositif qui peut supporter des champs électriques élevés, avec une propriété semi-conductrice appelée bande interdite qui est environ trois fois plus élevée que celle du Si, garantissant ainsi une densité de puissance opérationnelle extrêmement élevée par unité de surface du dispositif.
Les dispositifs de puissance en GaN se composent généralement d’un circuit de transistors à haute mobilité électronique appelé structure HEMT. La structure HEMT est normalement activée, avec un courant circulant à tout moment, et est désactivée par l’application d’une tension négative à la grille. Par conséquent, si une tension négative ne peut pas être appliquée à l’électrode de grille en raison d’un problème quelconque, la structure ne peut pas être désactivée et devient très instable.
Les dispositifs de puissance GaN présentent de tels problèmes de fiabilité, et la réalisation d’un arrêt normal stable a été un défi du point de vue de la convivialité. Par conséquent, l’arrêt normal est obtenu en incorporant des Si-MOSFET normalement désactivés dans l’électrode de grille.
Un autre défi est le phénomène physique connu sous le nom d’effondrement du courant. Il s’agit d’un phénomène dans lequel la résistance à l’enclenchement augmente et la concentration de courant se produit pendant la commutation à haute tension, et qui est dû à des défauts dans le processus de fabrication des cristaux de GaN.Les dispositifs de puissance GaN nécessitent la formation de films de GaN sur des plaquettes de Si et de SiC, mais grâce aux innovations dans la technologie de dépôt de films minces de cristaux, un dépôt de haute qualité est maintenant possible. Toutefois, les innovations dans la technologie de dépôt de couches minces cristallines permettent aujourd’hui un dépôt de haute qualité.
Autres informations sur les dispositifs de puissance en GaN
1. Ségrégation entre GaN et SiC
GaN et SiC ont une grande résistance à la rupture diélectrique en raison de leur large bande interdite, ce qui permet d’augmenter facilement la tension de rupture du dispositif. Il est donc facile d’augmenter la tension de claquage des dispositifs, ce qui les rend adaptés aux utilisations à courant élevé et à haute tension. En particulier, le SiC est souvent utilisé dans des utilisations à courant élevé telles que les véhicules électriques, les systèmes de production d’énergie et d’autres utilisations motorisées en raison de sa tension de claquage, et l’on s’attend à ce que le SiC remplace les IGBT dans un avenir proche.
D’autre part, bien que les dispositifs de puissance GaN n’aient pas la même tension de claquage que le SiC, ils sont largement utilisés dans les utilisations nécessitant des vitesses de commutation élevées et un fonctionnement à haute fréquence, car ils ont une fréquence de coupure (fT) particulièrement élevée, ce qui indique des caractéristiques de haute fréquence, et peuvent tirer parti d’une mobilité élevée des électrons.
En d’autres termes, GaN et SiC sont divisés en dispositifs GaN pour la charge de commutation à grande vitesse et les utilisations à haute fréquence pour les stations de base 5G, et en dispositifs SiC pour les tensions de résistance et les courants plus élevés.
2. Tendances des semi-conducteurs de puissance à base de GaN
Les semi-conducteurs de puissance à base de GaN peuvent désormais être divisés en deux catégories principales : ceux destinés à la recharge embarquée des véhicules électriques à une tension relativement élevée de 650 V et plus, et les utilisations destinées à la conversion de tension dans les convertisseurs DC-DC de 48 V à 12 V dans les véhicules électriques hybrides. Dans les deux cas, il s’agit de semi-conducteurs de puissance GaN qui, avec les dispositifs SiC, devraient stimuler le futur marché des dispositifs à large bande interdite (WBG).
Les défis à relever pour la commercialisation de ces nouvelles applications sont la fiabilité, les rendements de fabrication et le coût, mais grâce aux efforts des entreprises de semi-conducteurs du monde entier, le potentiel de commercialisation progresse à grands pas.
3. Utilisations des dispositifs GaN
Parmi les autres domaines d’utilisation des dispositifs GaN figurent les sources lumineuses : le GaN étant un semi-conducteur à transition directe parmi les semi-conducteurs composés, on attend beaucoup du GaN en tant que matériau pour les sources lumineuses LED et les diodes laser à haute efficacité lumineuse.
En tant que dispositif électronique, il devrait également être utilisé pour les transistors amplificateurs à haute puissance et à haute fréquence pour les utilisations à ondes millimétriques et sub-THz.