Couverture ElectroniqueS n°127

CUI A DEVELOPPÉ DES SOURCES D'ALIMENTATION DE DERNIÈRE GÉNÉRATION QUI COMPTENT PARMI LES PREMIÈRES DISPONIBLES SUR LE MARCHÉ À EXPLOITER LES SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE À BASE DE GaN. CETTE TECHNOLOGIE DE POINTE PERMET DE PROFITER D'AVANTAGES EN TERMES DE TAILLE, DE POIDS ET D'EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE. Une portabilité facilitée et un profil affiné et compact constituent d'excellents objectifs de conception pour les adaptateurs d'alimentation externes. Dans la pratique, la réussite de ces objectifs est toujours limitée par la nécessité d'une gestion thermique adaptée et efficace (grands dissipateurs de chaleur) afin d'assurer la fiabilité de fonctionnement de l'ensemble. Des composants de filtrage d'une taille relativement importante sont également requis pour stabiliser et lisser le courant continu en sortie. Mais cela, c'était avant, avant l'arrivée de nouveaux transistors de puissance basés sur la technologie GaN (nitrure de gallium). Grâce à eux, et contrairement aux dispositifs traditionnels à base de silicium, les adaptateurs de puissance deviennent considérablement plus petits, plus minces et plus légers, donc moins intrusifs. C'est une excellente nouvelle pour une grande variété d'applications et de fabricants d'équipements allant des ordinateurs portables aux équipements de sport tels que les tapis de course, souvent placés en rangées comprenant plusieurs unités côte à côte. Des adaptateurs plus petits offrent de multiples atouts tels qu'un encombrement réduit, une meilleure apparence et une portabilité facilitée de ces équipements. Ron Stull (CUI) Ron Stull est ingénieur Systèmes de puissance chez CUI. Depuis son arrivée dans la société en 2009, il a accumulé une vaste expérience dans les domaines des alimentations analogiques et numériques ainsi que de la conversion de puissance AC-DC et DC-DC. Il a joué un rôle clé dans l'équipe d'ingénierie de CUI avec des responsabilités incluant l'application support, le test et la validation ainsi que la conception. Les nouveaux adaptateurs d'alimentation construits avec des transistors GaN sont 33 % plus petits que leurs prédécesseurs à base de silicium. CE QUE LE GaN A DE SPÉCIAL Le GaN est l'un des groupes phares des semi-conducteurs dits à large bande interdite (WBG, wide band gap) ou à grand gap qui comprennent également le carbure de silicium (SiC, silicon carbide). Longtemps en développement, les transistors GaN en mode enrichi (normalement désactivés) sont désormais disponibles et prêts à être déployés dans des alimentations du commerce. Comparés aux composants à base de silicium, les transistors GaN se caractérisent par une combinaison plus favorable en termes de pertes de conduction par rapport à la tension nominale du dispositif, de capacité de commutation rapide avec de faibles pertes d'énergie, de conductivité thermique élevée et de fonctionnement à haute température, le tout à un prix compétitif autant pour les applications industrielles que grand public. À la pointe du développement d'alimentations avancées, CUI a récemment lancé des adaptateurs de puissance au GaN 32 % plus légers que les modèles comparables fabriqués à base de silicium (voir figure 1), ce qui se traduit par une densité de puissance jusqu'à 250 % plus élevée. Les adaptateurs GaN en question affichent par ailleurs un rendement de 96 %. Le secret de ces performances réside dans l'excellente efficacité du GaN à des fréquences de fonctionnement élevées, ce qui permet aux concepteurs d'aboutir à un transformateur et des composants de filtrage (inductances et condensateurs) plus petits. Les radiateurs encombrants n'ont plus vraiment de raison d'être. Et comme ce sont généralement les plus gros composants d'un adaptateur, les réduire ou même les supprimer peut faire une différence significative en termes d'encombrement de l'adaptateur et ainsi laisser plus de liberté dans le design afin d'obtenir l'aspect souhaité. LE GaN BOOSTE LES PERFORMANCES DE L'ALIMENTATION Dans toute alimentation à découpage, les transistors sont soit conducteurs (ou en phase de mise en conduction), soit bloqués (ou en phase de blocage). Chaque état s'accompagne d'une perte d'énergie. Un objectif important pour le concepteur d'alimentation est de minimiser l'effet global de ces pertes. Les paramètres du transistor choisi, la topologie du convertisseur ainsi que la fréquence de commutation sont les principaux facteurs qui influencent le résultat. Dans les caractéristiques du transistor choisi, la résistance à l'état passant, ou R DS(on) (resistance from drain to source), influence fortement les pertes lorsque le transistor est passant (soit allumé). La performance de commutation est en revanche régie par la charge de grille (Qg) due à la capacité de la grille du transistor. Le produit de R DS(on) et de Qg, appelé facteur de mérite (FOM, figure of merit), est une caractéristique importante des transistors de puissance. Les concepteurs de transistors cherchent à créer des composants à faible FOM qui conviennent particulièrement bien aux applications d'alimentation à découpage. Cependant, l'optimisation du composant, pour qu'il présente un faible R DS(on), s'opère au détriment d'une augmentation de Qg, et vice versa. Il s'agit d'un véritable exercice d'équilibriste qui signifie que les transistors avec le meilleur FOM, c'est-à-dire avec un R DS(on) faible accompagné d'une Qg faible, ont tendance à être onéreux. De plus, dans le cas des transistors en silicium classiques, la technologie approche de sa limite théorique. La recherche d'un FOM le plus bas possible s'avère ainsi de plus en plus difficile et coûteuse, ce qui limite en conséquence les améliorations potentielles qui pourraient être réalisées. Désormais, la technologie GaN constitue une « nouvelle donne » pour les concepteurs de composants et, par conséquent, pour les concepteurs d'alimentation. La technologie GaN permet une R DS(on) extrêmement faible par rapport à la tension de claquage du composant. Pour les applications typiques alimentées par le secteur, le GaN offre, et de loin, la combinaison la plus favorable de tension nominale du composant et de R DS(on) . Et cela, par rapport au silicium mais également par rapport au carbure de silicium (SiC), comme l'illustre la figure 2. De plus, les pertes de commutation des composants GaN sont naturellement inférieures à celles des composants en silicium. En tirant parti de ces caractéristiques propres aux transistors GaN, les concepteurs d'alimentation peuvent diminuer les pertes de conduction grâce au faible R DS(on) du transistor tout en utilisant des fréquences de commutation plus élevées, sans subir de pertes de commutation excessives. À des fréquences de commutation plus élevées, des cycles plus courts permettent aux filtres comprenant des valeurs de capacité et d'inductance plus faibles de stocker suffisamment d'énergie pour un lissage efficace de la sortie. Ces composants peuvent donc être physiquement plus petits et la taille du transformateur peut également être réduite. Qui plus est, vu que le GaN présente une meilleure conductivité thermique que le silicium et que les composants peuvent résister à des températures de fonctionnement plus élevées, les valeurs nominales ainsi que la taille physique de tout type de dissipateur thermique sont aussi diminuées. En pratique, une conception sans dissipateur de chaleur est même souvent possible. Par rapport à la tension nominale (tension de claquage), les transistors GaN ont un R DS(on) beaucoup plus faible que les composants en silicium ou même en SiC. Alors que les transistors classiques à base de silicium commutent généralement à des fréquences comprises entre 65 et 100 kHz, les conceptions à base de GaN peuvent fonctionner à environ 600 kHz à faible charge, fréquence qui peut être réduite jusqu'à environ 300 kHz pour un rendement optimal jusqu'à pleine charge. Le comportement des transistors GaN en mode bloqué mérite également d'être examiné. Dans un transistor au silicium classique, une diode parasite en parallèle avec le canal drain-source principal, appelée diode intrinsèque, conduit un courant de « roue libre » inverse lorsque le transistor en phase de blocage est polarisé en sens inverse. Le transistor GaN ne présente pas une telle diode parasite, bien que le courant de « roue libre » soit toujours autorisé à passer par le canal principal. L'absence de charge de récupération inverse de la diode intrinsèque réduit les pertes de commutation. De plus, comme il n'y a pas de bruit d'activation de diode, les émissions électromagnétiques peuvent donc être plus faibles. Dans un étage de puissance en structure demi-pont, la capacité de commutation rapide permet de réduire considérablement le temps mort pendant lequel les deux transistors sont bloqués, ce qui minimise la dissipation de puissance due aux courants de « roue libre ». RESPECT DES RÈGLEMENTS EN MATIÈRE D'EFFICACITÉ L'efficacité des adaptateurs d'alimentation pour les produits commerciaux est évidemment fortement contrôlée par les réglementations d'écoconception mises en place sur les principaux marchés mondiaux. Les adaptateurs d'aujourd'hui – qu'ils soient à base de silicium ou de GaN – doivent donc répondre à des spécifications strictes concernant la puissance maximale dissipée en mode veille et le rendement de fonctionnement moyen, qui est mesuré à différentes charges, de moins de 50 % à la pleine charge. Selon le type d'adaptateur et sa puissance nominale, la réglementation américaine actuelle de niveau VI exige une puissance de veille maximale aussi faible que 210 mW et impose des exigences de rendement moyen minimal, sur la base de mesures, à 25 %, 50 %, 75 % et 100 % de la pleine charge. Les circuits classiques à base de silicium du portefeuille de CUI répondent aux réglementations d'écoconception les plus strictes actuellement en vigueur dans le monde. Les produits à base de GaN permettent de dépasser ces exigences et seront donc, à l'avenir, de plus en plus demandés pour répondre à de nouvelles spécifications encore plus strictes. DÉBUT DE LA PRODUCTION Selon le calendrier actuel, la stratégie de CUI en matière de GaN vise à maximiser les économies de taille et de poids avec une efficacité comparable ou meilleure que les produits à base de silicium. Les premiers adaptateurs d'alimentation au GaN à entrer en production, le SDI200G-U avec entrée à trois broches (C14) et le SDI200G-UD avec entrée à deux broches (C8), atteignent une consommation électrique à vide de 210 mW et un rendement avoisinant les 96 %. Les deux unités sont conformes aux normes US DoE Level VI et EU Ecodesign actuelles en matière d'efficacité moyenne et de puissance à vide, ainsi qu'à la directive européenne CoC Tier 2, plus stricte mais volontaire. Ne mesurant que 5,91 x 2,13 x 1,3 pouces (150 x 54 x 33 mm), les nouveaux modèles présentent une densité de puissance de 11,4 W/pouce 3 , contre 5,3 W/pouce 3 pour les adaptateurs d'alimentation classiques au silicium. Avec 560 g, contre 820 g pour le silicium, ils sont également 32 % plus légers. Les modèles SDI200G de CUI constituent la première génération d'alimentations à tirer parti de la technologie GaN et d'autres modèles sont d'ores et déjà prévus. Dans les conceptions futures, les transistors GaN permettront également aux ingénieurs de tirer avantage des topologies de circuits à haut rendement telles que le flyback à pince active et la correction du facteur de puissance dans les dispositifs totem-pole sans pont. De plus, comme le GaN n'en est encore qu'à ses premiers pas, les perspectives à long terme laissent envisager des améliorations significatives des performances des composants qui permettront aux générations futures de profiter de produits d'alimentation présentant encore plus d'efficacité, de fiabilité et d'économie d'espace. •

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