EMBARQUER LES TRANSISTORS DE PUISSANCE EN NITRURE DE GALLIUM, LEURS BLOCS DE COMMANDE ET LE CONTRÔLE NUMÉRIQUE DANS DES CIRCUITS ET MODULES COMPACTS ET SIMPLES D'EMPLOI, TELLE EST L'AMBITION DE LA FAMILLE STI²GAN DU FABRICANT FRANCO-ITALIEN.
L'arrivée du carbure de silicium (SiC) et, plus récemment, du nitrure de gallium (GaN) constitue sans doute la plus grosse évolution récente dans les applications de puissance automobiles. Il faut du temps afin de développer, tester et certifier ces nouvelles technologies offrant un rendement supérieur à celui des équivalents en silicium utilisés jusqu'ici, mais les fabricants de semi-conducteurs commencent à multiplier les références de composants SiC et GaN. Ces derniers sont en capacité d'améliorer les chargeurs embarqués, alimenter les capteurs lidars de conduite assistée ou encore optimiser les convertisseurs DC-DC et les amplificateurs en classe D. À l'instar de STMicroelectronics qui vient d'annoncer une famille de circuits GaN dits STi²GaN (i² pour intelligent and integrated) lors du salon PCIM Europe, ils essaient également de simplifier la vie des concepteurs en embarquant un maximum de fonctions dans des boîtiers à faible encombrement. Il s'agit également de rendre ces étages de puissance GaN aussi simples d'utilisation que leurs pendants en silicium.
Comme son nom l'indique, la plateforme STi²GaN vaut surtout pour son intégration. ST y propose des circuits monolithiques associant les transistors de puissance et leur étage de pilotage et de protection, ainsi que des modules compacts ajoutant la commande numérique, le tout dans des boîtiers sans câblage filaire (wire bonding) donc plus robustes. « L'objectif est de rendre le GaN à la fois simple à utiliser avec des commandes numériques usuelles, compact pour améliorer la fiabilité et réduire les inductances parasites, et performant grâce au fonctionnement à fréquence élevée réduisant les émissions électromagnétiques et à une meilleure dissipation thermique », explique Rodrigo Marquina, responsable marketing Europe pour les compo-sants GaN automobiles chez STMicroelectronics. Le fabricant s'appuie sur les technologies GaN 100 et 650 V de TSMC et sur son process propriétaire silicium BCD9s compatible à la fois avec des entrées logiques Cmos 1,8 V et avec des drivers Cmos 6,5 V. L'intégration de l'étage de puissance et de sa commande a pour principal bénéfice de réduire considérablement les inductances parasites qui se créent entre composants discrets ; celles-ci diminuent la fréquence de commutation et la robustesse, et tendent à augmenter les pertes et les émissions électromagnétiques. Un autre avantage réside dans la compacité de la solution de conversion d'énergie architecturée autour de composants GaN de ce type. Cela concerne les circuits intégrés eux-mêmes, mais aussi, et surtout, les composants passifs externes, beaucoup moins nombreux.
« L'objectif de cette famille STi²GaN est de rendre le nitrure de gallium à la fois simple à utiliser, compact et performant », explique Rodrigo Marquina, responsable marketing Europe pour les composants GaN automobiles chez STMicroelectronics.
PREMIERS ÉCHANTILLONS DISPONIBLES
Pour ce qui est des applications 100 V, STi²GaN comprend par exemple un convertisseur DC-DC 48/12 V bidirectionnel destiné aux architectures de puissance distribuées ou centralisées, et gérant 900 W par phase dans un boîtier 2SPAK. Présentant une fréquence de découpage maximale de 1 MHz avec un rendement culminant à 98 % à 500 kHz, ce module associe un étage de puissance GaN monolithique en demi-pont et un contrôleur numérique en silicium incluant la conversion analogique-numérique. Autre exemple : ST développe un pilote de lidar automobile associant la commande numérique et des étages de puissance GaN délivrant jusqu'à 50 A. Du côté des composants 650 V monolithiques, la famille STi²GaN comprend par exemple des étages de puissance HEMT côté bas avec pilotes et protections intégrés, pour des résistances à l'état passant allant de 30 à 500 mO et une fréquence de commutation pouvant atteindre 2 MHz. Ces circuits disposent d'une montée dV/dt programmable et sont immunisés contre les régimes transitoires jusqu'à 200 V/ns. « Pour ces composants monolithiques, nous avons choisi un boîtier compact LISI de 6 x 5 x 0,8 mm en raison des parasites très réduits, du refroidissement par les deux côtés et de sa souplesse en termes de positionnement et de nombre de pistes », explique Rodrigo Marquina. Tous ces composants, en cours d'échantillonnage, devraient être disponibles en volume en 2023.
