Des matériaux à large bande interdite tels que le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) promettent depuis longtemps de réduire les coûts du système des conceptions tout en fournissant une meilleure résistance sous tension, une tension de claquage, et des transistors plus petits que leurs homologues en silicium.
La bande interdite d'un matériau est associée à la force des liaisons chimiques entre les atomes dans la structure. Ces liaisons plus fortes signifient qu'il est difficile pour un électron de passer d'une orbite à l'autre. Des courants de fuite intrinsèques réduits et des températures de fonctionnement plus élevées pour les semi-conducteurs à plus large bande interdite en sont les conséquences. Ces améliorations offrent une plus grande efficacité et fiabilité de conversion de puissance et une meilleure rentabilité.
GaN versus Si à prix équivalent
Dans l'industrie des semi-conducteurs, il a été décidé que le SiC doit être principalement utilisé pour des conceptions de tension supérieure à 900 V et le GaN pour des conceptions de tension généralement inférieure à 900 V. Récemment, certains fabricants de GaN ont aligné le prix des appareils GaN à celui des appareils similaires en silicium. Dans cette optique, analysons les conceptions GaN et les applications dans lesquelles ils seront utilisés en cas d'égalité de prix avec le silicium. Par exemple, la nouvelle gamme d'eGaN FET d'EPC a un prix inférieur aux MOSFET en silicium avec la même résistance et les mêmes tensions nominales. C'est la première fois en 60 ans qu'un appareil ne contenant pas de silicium offre de hautes performances à un coût inférieur au même produit en silicium. Ces eGaN FET ont été lancés en mai 2015 et commencent à remplacer les MOSFET dans des produits traditionnels comme les convertisseurs CC/CC abaisseurs et les convertisseurs CC/CC isolés pour les serveurs et les équipements de télécommunication.
Avantages du GaN
Les entreprises qui produisent des solutions GaN visent une niche d'entreprises qui travaillent avec 600 V et plus (GaN Systems et Transphorm) alors que d'autres trouvent leur marché dans des tensions inférieures à 250 V (EPC). Par exemple, Transphorm, la première entreprise avec un appareil certifié JEDEC, préfère travailler à plus de 600 V. Ils estiment que le GaN équipera les centres de données et les systèmes d'alimentation pour télécommunications grâce à une correction du facteur de puissance sans pont d'un taux d'efficacité supérieur au taux Titanium+ d'Energy Star (90 à 94 % d'efficacité sur toutes les charges). Transphorm indique que les premières conceptions sont désormais passées en phase de production. Des onduleurs photovoltaïques en GaN sont 50 % plus petits en taille et 50 % plus légers que ceux en silicium. Transphorm explique qu'ils travaillent avec Yaskawa et Tata sur de nouveaux onduleurs photovoltaïques en GaN.
Selon Transphorm, l'éclairage DEL est une autre conception prometteuse pour le GaN, car il permet une augmentation considérable de la densité du pilote. Par exemple, une entreprise d'éclairage en studio a présenté un produit à la CineGear Expo qui utilisait du GaN pour réduire la conception du ballast de 70 % et le poids de 50 %.
EPC explique que l'alimentation sans fil, le suivi d'enveloppe RF, la télédétection par laser (LIDAR) et d'autres applications médicales utilisent les eGaN FET pour leurs avantages en matière de vitesse et de taille. Pour les alimentations sans fil, cela présente principalement des avantages de vitesse étant donné que la fréquence de transmission de 6,78 MHz est trop élevée pour le silicium. Pour le suivi d'enveloppe RF, cela présente aussi des avantages en matière de vitesse étant donné que les vitesses de commutation rapides sont trop élevées même pour des transistors LDMOS. Les systèmes LIDAR utilisent le temps de parcours de la lumière pour mesurer la distance à un objet. La vitesse d'eGaN FET se traduit par une précision et une vitesse des mesures. C'est la raison pour laquelle les eGaN FET dominent dans les véhicules autonomes et les automobiles de modélisation qui utilisent le LIDAR. Les eGaN FET sont également naturellement tolérants aux radiations extérieures. Cela a motivé de nombreux fabricants de satellites pour l'implémentation de convertisseurs CC/CC basés sur les eGaN FET et de systèmes LIDAR dans des produits pour l'industrie spatiale.
De plus, de nombreuses applications médicales requièrent des opérations en haute fréquence que les solutions en silicium conventionnelles ne peuvent exécuter en raison de leurs limites. En utilisant du GaN, les clients peuvent opérer à la fréquence souhaitée avec une haute fiabilité, grâce à des solutions de réduction de perte de puissance et de dissipation de la chaleur du GaN. Covidien a publié un article dans les procédures de l'APEC, présentant une conception de couteau chirurgical de 1 MHz qui utilise du GaN.
Large bande interdite dans le secteur de l'automobile
Le Dr Achim Strass, responsable Applications chez Infineon, via IDTechEx, explique que la tendance principale au niveau des onduleurs de traction des véhicules électriques comprend des semi-conducteurs à large bande interdite, un refroidissement bilatéral et la fabrication de formes habituelles pour les moteurs-roues et pour l'intégration d'autres pièces. La réduction des coûts et l'amélioration de la robustesse sont deux facteurs importants. Les onduleurs deviennent plus complexes, compensant la réduction des coûts. De plus, selon le Dr Strass, les onduleurs de traction continueront à être le troisième composant le plus cher d'un véhicule électrique, augmentant en pourcentage lorsqu'on passe d'un moteur à plusieurs par véhicule. Il est déjà courant d'utiliser plus d'un moteur électrique par véhicule, agrandissant le marché des onduleurs plus rapidement que le taux de croissance de l'ensemble du secteur des véhicules électriques.
Dans le rapport IDTechEx, « Power Electronics for Electric Vehicles 2015-2025 » (« Power Electronics pour les véhicules électriques en 2015-2025 »), le Dr Peter Harrop, président d'IDTechEx explique : « Les fournisseurs calés sont déjà aux prises avec ce que la prochaine vague de nouveaux composants pourra offrir. Parmi eux figureront des condensateurs ions lithium et des semi-conducteurs GaN. Les fournisseurs sur le marché libre en Chine devront suivre. Sinon, leurs clients traiteront de moins en moins avec eux tout comme pour les moteurs-roues du bus électrique le plus vendu au monde, le K9 de BYD en Chine. Cette entreprise fabrique ses propres pièces. »
Quand le silicium ne peut rien faire
L'avenir des matériaux à large bande interdite tels que le GaN s'annonce prometteur car le GaN offrira des solutions de conception que les technologies en silicium ne peuvent pas. Par exemple, le suivi d'enveloppe RF est un concept dans lequel la tension d'alimentation appliquée à l'amplificateur de puissance est continuellement ajustée. Cela permet de garantir le meilleur rendement de l'amplificateur pour l'alimentation nécessaire à chaque instant de transmission. Selon Alex Lidow, CEO d'EPC, ce concept existe depuis 1929, mais il n'a jamais pu être réalisé avec des tubes ou du silicium, ni même avec des transistors LDMOS haute vitesse. Cela requiert une fréquence et un rendement énergétique trop élevés. Le concept est utilisé pour libérer plus de bande passante numérique des amplificateurs RF au profit des communications mobiles. Grâce aux eGaN FET, il existe désormais des transistors assez puissants et rapides et avec une tension suffisamment élevée pour faire de cette application une réalité. C'est la même chose pour la pilule utilisée pour passer une coloscopie développée en Israël par Check Cap. Il s'agit d'une caméra radiographique sophistiquée et de haute résolution qui a été réduite dans une petite gélule pouvant être avalée. Les informations radiographiques sont transmises sans fil à un récepteur et la pilule est assez abordable au niveau du prix (en partie grâce aux coûts des eGaN FET) qu'elle ne doit pas être récupérée une fois les informations envoyées. Résultat : une coloscopie sans gêne, extrêmement précise et économique pour le grand public.