Couverture ElectroniqueS n°127

GRÂCE AU RENDEMENT TRÈS ÉLEVÉ DES TRANSISTORS GAN ET AUX EFFORTS DES FABRICANTS SIMPLIFIANT LEUR MISE EN ŒUVRE, ILS TROUVENT DÉSORMAIS DES DÉBOUCHÉS DANS UN GRAND NOMBRE D'APPLICATIONS ALLANT DE L'AUTOMOBILE À LA RF EN PASSANT PAR L'ÉCLAIRAGE OU ENCORE LES BLOCS D'ALIMENTATION GRAND PUBLIC. Présentant toutes deux un rendement supérieur au simple silicium, les technologies SiC (carbure de silicium) et GaN (nitrure de gallium) sont « naturellement » mieux adaptées pour les applications de puissance ; avec, pour l'heure, chacune leur pré carré : au SiC les fortes puissances sous haute tension, au GaN les applications RF et de moyenne puissance à rendement élevé où sa capacité à monter en fréquence lui donne l'avantage. Plus récent, le nitrure de gallium connaît un vrai engouement : il suffit, pour en juger, de faire le tour des dernières annonces en la matière, d'où il ressort un panel de débouchés qui va en s'élargissant. Steve Lambouses dirige la puissance haute tension chez Texas Instruments Parmi les principales applications tirant profit du rendement élevé des transistors en nitrure de gallium figure l'automobile. La vogue des véhicules électriques et hybrides nécessite des montages de charge sophistiqués afin d'en améliorer l'encombrement et le poids sans nuire aux performances : on comprend aisément l'avantage pour le conducteur d'un bloc batterie plus compact et chargé plus rapidement. Texas Instruments a ainsi présenté les LMG3422/425/522/525, des transistors Fet en nitrure de gallium 600/650 V intégrant les pilotes de grille 2,2 MHz, la gestion d'alimentation et la protection – une première dans l'industrie selon l'américain. Quatre modèles 600 V pour systèmes industriels seront disponibles en volume dans un boîtier QFN de 12 x 12 mm au 1 er trimestre 2021, date à laquelle sera initiée la préproduction des versions 650 V qualifiées pour les applications automobiles. Selon Texas Instruments, la densité de puissance de ces composants (rendement maximal de 99 %) et leur haut niveau d'intégra-tion peut permettre de réduire de moitié la taille des chargeurs embarqués dans les véhicules électriques, en éliminant une dizaine de composants externes. Chaque transistor Fet présente une résistance à l'état passant de 30 à 50 mO seulement, et peut gérer une conversion d'énergie de 4 kW en configuration demi-pont. La technologie GaN sur silicium employée serait en outre moins coûteuse et plus facile à industrialiser que les modèles SiC équivalents. « Grâce à son rendement, le GaN permet de réduire de 60 % la taille des éléments magnétiques de l'alimentation dans un véhicule électrique. » PILOTES DE GRILLE INTÉGRÉS L'accent a également été mis sur l'encapsulation. Texas Instruments assure que le boîtier QFN des LMG3422/425/522/525 présente une impédance thermique inférieure de 23 % aux meilleures alternatives concurrentes (d'où un refroidissement simplifié), tout en laissant le choix entre une évacuation thermique sur le dessus ou sur le dessous. Le capteur de température à sortie numérique inclus facilite la mise en œuvre d'une gestion d'alimentation sophistiquée. Les modèles industriels 600 V 50 mO (LMG3422R050 et LMG3425R050) sont respectivement vendus 8,34 et 8,92 $ pièce par quantités de 1 000, le second étant doté d'un mode « diode idéale » réduisant les pertes en découpage. Les équivalents 30 mO (LMG3422R030 et LMG3425R030) sont, eux, commercialisés à 13,72 et 14,68 $. Tous ces circuits sont accompagnés d'un module d'évaluation vendu 199 $. Dépourvus de pilotes de grille, les récents transistors GaN 650 V automobiles GAN041-650WSB (boîtier traversant TO-247) et GAN039-650NBB (boîtier montable en surface CCPAK) lancés par Nexperia compensent en partie ce manque par une configuration en cascode qui rend possible l'utilisation de pilotes de Mosfet silicium standards. Conformes à la norme AEC-Q101, ces transistors sont caractérisés par une résistance à l'état passant de 33 mO en CCPAK et 35 mO en TO-247. « Ces modèles conviennent aux chargeurs, convertisseurs DC-DC et redresseurs des véhicules électriques, mais aussi aux alimentations 1,5 à 5 kW pour systèmes télécoms et centres de données », précise Dilder Chowdhury, directeur marketing pour les composants GaN chez Nexperia. Les versions CCPAK évacuent la chaleur par le dessus ou le dessous du boîtier, lequel est équipé d'une large connexion cuivre interne (copper clip) diminuant les pertes et améliorant les performances électriques et thermiques ainsi que la fiabilité du circuit par rapport aux traditionnelles liaisons filaires (wire bonding). Ce commutateur de puissance GaN pour ballasts d'éclairage à Led 90 W embarque un étage de correction de facteur de puissance PFC. DES CHARGEURS PLUS PETITS Le GaN permet également de réduire la taille de chargeurs et de transformateurs grand public, comme ceux qui alimentent les smartphones, ordinateurs portables et téléviseurs, mais aussi ceux de systèmes industriels (alimentations sans interruption) ou encore de panneaux solaires. STMicroelectronics a développé à cet effet la plateforme MasterGaN, des composants qui associent des transistors GaN et un étage de commande en demi-pont en silicium. Avec, en ligne de mire, les applications requérant jusqu'à 400 W. Comme chez Texas Instruments, cette intégration marque une étape importante car elle simplifie la mise en œuvre de transistors GaN qui, jusqu'ici, devaient faire avec des pilotes externes, et qui deviennent aujourd'hui aussi simples à utiliser que des étages de puissance en silicium classique tout en offrant des rendements bien supérieurs. Avec ces circuits MasterGaN, le fabricant franco-italien promet de réduire de 80 % la taille et de 70 % le poids des chargeurs et adaptateurs secteur. D'ores et déjà en production, les MasterGaN1 comprennent deux transistors GaN 600 V en demi-pont et leurs commandes côté haut et côté bas dans un boîtier GQFN de 9 x 9 x 1 mm. Ces transistors 10 A présentent une résistance à l'état passant de 150 mO et sont compatibles avec une logique d'entrée sous 3,3 à 15 V. STMicroelectronics a rapidement étendu cette famille de composants en nitrure de gallium avec les MasterGaN2, des modèles à deux transistors GaN asymétriques destinés aux convertisseurs à découpage et redressement. Ces deux transistors 650 V présentent des résistances à l'état passant respectives de 150 mO (côté bas) et 225 mO (côté haut) avec des courants de 10 et 6,5 A, et disposent chacun de leur étage de commande. Les entrées sont toujours compatibles avec des signaux logiques de 3,3 à 15 V, ce qui simplifie la connexion à un DSP, FPGA ou microcontrôleur externe. Le boîtier GQFN de 9 x 9 x 1 mm abrite également diverses protections contre les sous-tensions et les pics de température. Identique à celui des MasterGaN1, ce boîtier est optimisé pour les applications de puissance, avec en particulier, un espace de 2 mm entre les contacts basse tension et haute tension. Le MasterGaN2 est vendu 6,5 $ pièce par lots de 1 000. DU GaN POUR LES RADARS EN BANDE C Le fort rendement du nitrure de gallium le rend aussi précieux dans les applications radiofréquences. Qorvo vient ainsi de lancer l'échantillonnage du QPA2309, annoncé comme étant le plus puissant amplificateur de puissance RF GaN en boîtier QFN de 7 x 7 mm. Cet amplificateur en bande C (5-6 GHz) pour radars et applications militaires et aéronautiques délivre jusqu'à 100 W avec un rendement de puissance ajoutée de 52 %, et ne nécessite pour cela aucun composant RF externe. « Un circuit comme le QPA2309 donne aux équipementiers militaires la possibilité d'augmenter de manière significative la densité de puissance de leurs radars afin d'en augmenter la portée et la sensibilité pour une taille et un poids identiques », avance Dean White, respon-sable des activités militaires et aéronautiques chez Qorvo. L'américain propose également, dans le même boîtier, le modèle QPA2310 limité, lui, à 50 W. Ces circuits sont actuellement encapsulés dans un boîtier de 7 x 7 x 0,82 mm. Ils bénéficient d'une technologie GaN sur SiC également utilisée pour les stations de base 5G. C'est d'ailleurs précisément l'usage visé par NXP Semiconductors qui vient d'inaugurer une nouvelle ligne de production de composants RF en nitrure de gallium sur tranches de 150 mm. Autre application possible pour le GaN : l'éclairage. Le LYT6078C annoncé récemment par Power Integrations en est l'exemple. Il s'agit d'un circuit de commande convenant typiquement aux ballasts d'éclairage à Led 90 W. Exploitant la technologie PowiGaN du fabricant, ce circuit, qui s'inscrit dans la famille LYTSwitch-6, comprend un commutateur de puissance 750 V et un étage de correction de facteur de puissance (PFC). Il combine un rendement dépassant les 90 % et des dimensions très réduites (boîtier InSOP-24). Le LYT6078C dispose d'une protection contre les pics de température et de la technologie de communication FluxLink qui permet de contrôler le côté secondaire sans optocoupleur externe et assure une régulation à courant constant et tension constante à ± 3 % malgré les variations liées à la charge, à la température et à la fabrication. Il est commercialisé au prix de 2,52 $ pièce par lots de 10 000. Avec ce modèle, Power Integrations couvre désormais tout la gamme de puissance pour luminaires allant de 15 à 110 W.

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