Couverture ElectroniqueS n°127

Dans un nombre croissant de systèmes électroniques de puissance, les transistors à base de nitrure de gallium (GaN) remplacent avantageusement leurs rivaux (Mosfet et composants bipolaires) en silicium. Les gains obtenus en termes de rendement énergétique, de fréquence de commutation, de compacité de la solution finale… expliquent cet engouement. U n matériau à large bande interdite (« à grand gap») comme le nitrure de gallium (GaN, gallium nitride) conjugue des propriétés (un fort champ de claquage, une vitesse de saturation élevée des électrons, une grande mobilité des porteurs de charge…) qui en font un candidat de premier choix pour le remplacement des Mosfet et des composants bipolaires en silicium dans nombre d'applications du domaine de l'électronique de puissance en général, de la conversion d'énergie en particulier. Les secteurs demandeurs de semi-conducteurs GaN sont nombreux. Sont ainsi potentiellement concernés: les serveurs de données (alimentations à découpage, UPS…), les véhicules électriques (chargeurs embarqués, onduleurs de traction, convertisseurs DC-DC, lidars…), l'électronique grand public (alimentations, chargeurs sans fil, adaptateurs secteur, amplificateurs audio en classe D…), les énergies renouvelables (onduleurs solaires, systèmes de stockage de l'énergie…) et la commande de moteurs industriels. Une étude réalisée par Infineon ( voir figure page 82 ) identifie les marchés de la puissance adressés par les technologies silicium, nitrure de gallium et carbure de silicium (SiC, silicon carbide). Inévitablement, certains recouvrements existent, étant entendu que la coexistence restera de mise entre ces différents matériaux, compte tenu des spécificités des applications. Si l'on compare GaN et SiC, autre matériau à grand gap en vogue, chacun a des atouts à faire valoir. Ainsi, le SiC se révèle un choix attractif lorsqu'une haute tension de blocage (1700 V et plus) et une très forte puissance sont exigées. Le GaN est quant à lui particulièrement avantageux dans les applications de moyenne puissance (moins de 20 kW) et haute fréquence. Prenons l'exemple d'une alimentation à découpage traditionnelle, fonctionnant en mode PWM, réalisée avec des composants de puissance en silicium. La fréquence de commutation sera généralement comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de kilohertz. Aller au-delà impliquerait une perte de rendement non tolérable et un échauffement excessif. A contrario, avec des transistors GaN, il sera envisageable de monter bien plus haut en fréquence (quelques mégahertz), tout en conservant un excellent rendement. À puissance égale, la conception finale sera alors bien moins volumineuse (den-sité de puissance supérieure) et moins lourde. Elle fera appel à des composants passifs (inductances, transformateurs, condensateurs) de dimensions réduites, a priori moins oné-reux. La recherche d'un état normalement bloqué < Proposés par EPC sous la forme de puces passivées, les EPC2112 de 200V et EPC2115 de 150V sont respectivement formés d'un et de deux Fet GaN avec leur(s) pilote(s) de grille. Cependant, dans le monde des semi-conducteurs à grand gap, tout n'est pas rose pour le GaN. En effet, un facteur critique des dispositifs de puissance réside dans leur capacité à évacuer la chaleur produite par effet Joule. Or, si la conductivité thermique du GaN est comparable à celle du silicium, elle est aussi bien inférieure à celle du SiC. En outre, les substrats de GaN monocristallin massif ne sont pas produits à une échelle industrielle. Un substrat de carbure de silicium, un matériau qui, de surcroît, présente un faible désaccord de maille avec le GaN, se révèle plus adapté pour évacuer les calories. Néanmoins, si le GaN sur SiC est très utilisé dans les systèmes RF/hyper, pour les applications de puissance le substrat de croissance (hétéroépitaxie) privilégié reste le silicium. Un tel choix répond essentiellement à des contraintes de coût et de disponibilité, mais est aussi lié à la possibilité de bénéficier des moyens de production Cmos existants. < Les produits de Transphorm combinent un Hemt GaN haute tension et un Mosfet silicium basse tension, selon une configuration cascode. Le marché des transistors à base de nitrure de gallium regroupe présentement de nombreux acteurs, de la startup jusqu'aux poids lourds que sont Texas Instruments, Infineon Technologies, ON Semiconductor, Panasonic, Power Integrations… À ces derniers noms s'ajoute celui de STMicroelectronics, si l'on en juge par les présentations faites par la société lors de la dernière mouture de la conférence APEC (Applied Power Electronics Conference), grand-messe annuelle dévolue à l'électronique de puissance, qui s'est tenue à Anaheim (Californie) en mars 2019. Il est à noter que, lors du même événement, l'américain Alpha & Omega Semiconductor (AOS) a annoncé son entrée sur le marché du GaN. Le premier produit issu de sa plateforme technologique aGAN est un transistor GaN sur silicium de 650V/70mO, permettant de réaliser des adaptateurs de grande compacité à destination des produits grand public, ainsi que des alimentations à haut rendement pour les télécoms et les serveurs. Dans le monde des transistors GaN de puissance, c'est la structure Hemt ( High Electron Mobility Transistor ou transistor à haute mobilité électronique) qui s'est imposée. Une faible résistance à l'état passant (RDS(on) ), synonyme de pertes statiques réduites, et une commutation rapide font de ces transistors d'excellents interrupteurs. Comme pour les Mosfet, on distingue les Hemt à enrichissement (E-Hemt ou eHemt, enhancement Hemt) et ceux à appauvrissement (D-Hemt ou dHemt, depletion Hemt). D'un point de vue pratique, une grosse différence entre ces structures est liée à leur comportement lorsque la tension grille-source (VGS ) est nulle. Les Hemt à enrichissement ont une tension de seuil positive et, de ce fait, ils sont bloqués à V GS 0V. A contrario, les Hemt à appauvrissement ayant une tension de seuil négative, ils sont passants à VGS 0 V. On parle alors usuellement de transistors normallyoff et normally-on, respectivement. Le transistor Hemt natif, à hétérojonction AlGaN/GaN (une fine couche d'AlGaN est ici déposée sur le GaN), étant normally-on, différentes recettes ont été élaborées afin de réaliser des Hemt normallyoff. Citons par exemple les techniques de grille enterrée ( recessed gate ), d'implantation d'atomes de fluor, d'insertion d'une couche de GaN dopé P sous le métal de la grille… Ce comportement normally-off est effectivement hautement souhaitable pour des raisons sécuritaires. En effet, en cas de défaut au niveau du circuit de commande (le pilote de grille), le transistor est alors bloqué. Inversement, avec un état nor-mally-on, le transistor est passant et alimente la charge, avec les risques que cela suppose. Une solution classique pour obtenir ce comportement normally-off avec un Hemt nor-mally-on consiste à opter pour une solution hybride de type cascode. Un Hemt GaN normalement passant et un Mosfet silicium normalement bloqué en configuration source commune sont mis en série. Dès lors, puisque la commande du composant se fait via le Mosfet, un pilote de grille relativement standard peut être adopté. L'inconvénient est la présence de deux puces reliées par des bondings qui augmentent les inductances parasites. Transphorm, une société californienne créée en 2007, privilégie cette approche combinant un Hemt GaN haute tension à l'état de l'art et un Mosfet silicium basse tension. Pour ce dernier élément, une tenue en tension limitée permet d'obtenir une faible résistance à l'état passant. Par rapport à son aînée, la plateforme de troi-sième génération (Gen III), introduite en juin 2018, a apporté son lot d'améliorations : une immunité au bruit accrue (la tension de seuil passe ainsi de 2,1V à 4V), une commutation « plus silencieuse» (les problèmes liés aux IEM se posent avec moins d'acuité) et une plus grande marge de sécurité au niveau de la tension VGS (±20V au lieu de ±18V). Vis-à-vis des transistors GaN à enrichissement nor-mally-on, Transphorm met en avant des gains en termes de robustesse, de fiabilité, de performances thermiques et d'immunité vis-à-vis du bruit sur la grille. La société a récemment annoncé ses premiers Fet GaN 650V de troisième génération en boîtier PQFN 8x8, ainsi qu'un modèle en boîtier TO-247 dont la tension de blocage est de 900 V. Ajoutons que Transphorm propose quelques produits qualifiés AEC-Q101 pour l'environnement automobile, dont l'un (le TP65HO35WSQA) est spécifié jusqu'à une température de jonction de + 175 °C (+150°C habituellement). Alpha & Omega Semiconductor a cette année signé son entrée sur le marché du GaN. Le premier produit issu de sa plateforme technologique aGAN est un transistor GaN sur silicium de 650V. Pour ce qui est de la basse tension, soit jusqu'à 200 V, et même 350 V, EPC (Efficient Power Conversion) dispose du catalogue le plus étoffé du marché. Fondée en 2007, la société californienne a développé une technologie propriétaire de Fet à enrichissement en GaN sur silicium, ou eGaN ( enhance-ment-mode GaN ), afin de remplacer avantageusement les Mosfet de puissance en silicium. Le premier produit, fabriqué dans une fonderie taïwanaise, a été commercialisé deux ans plus tard. Aujourd'hui, la technologie eGaN d'EPC en est à sa cinquième génération. Vis-à-vis de sa devancière, la taille de la puce a été pratiquement divisée par deux, pour une même tenue en tension et une même résistance drain-source à l'état passant. Les marchés et applications visés par les eGaN d'EPC sont nombreux : les convertisseurs DC-DC et les onduleurs, les systèmes de recharge sans fil, les amplificateurs audio en classe D, les architectures de suivi d'enveloppe des amplificateurs de puissance RF, les applications automobiles (conversion 48 V vers 12 V, lidars)… Pour ce dernier segment, la société met à disposition, sous la forme de puces encapsulées sur tranche (WLCSP, wafer-level chip-scale packaging), des Fet de 80V et 100V ayant passé avec succès les tests de qualifification AECQ101. Quant au canadien GaN Sys-tems, son catalogue couvre la plage 100 V à 650 V. Il est ici question de transistors E-Hemt normally-off en GaN sur silicium qui, typiquement, seront commandés par une tension de grille de 0V/6V. Si ces transistors ne requièrent pas l'application d'une tension négative sur la grille pour leur blocage, une commande - 3 V/6 V peut être préférée par les concepteurs. Et ce dans le but d'obtenir une immunité supérieure vis-à-vis des surtensions présentes sur la grille, sachant que la tension de seuil (VGS(th) )est située aux alentours de 1,5 V. Un avantage de ces Hemt, comme d'autres, réside dans le fait qu'ils n'ont pas, à la différence des Mosfet, de diode intrinsèque ( body diode ). L'absence de charge (Qrr )etdetemps de recouvrement inverses se traduit par un fonctionnement haute fréquence, des pertes moindres et des IEM réduites. < Destinées aux applications automobiles et industrielles, ainsi qu'aux énergies renouvelables, ces puces E-Hemt 650V de GaN Systems sont à même de délivrer jusqu'à 150A et 80A. Cette année, la société s'est distinguée en annonçant le GS-065-150, un E-Hemt GaN de 650 V susceptible de délivrer un courant d'intensité record, soit 150A. La puce, dont l'empreinte est de 12,56 x 5,6 mm, est créditée d'une résistance à l'état passant de 10 mO (typ.), alors que la charge de grille est donnée pour 33nC. Cette puce a pour vocation d'être associée à d'autres dans un module, afin de mettre en œuvre diverses topologies allant du bras de pont jusqu'au pont triphasé dans les secteurs industriel, automobile et des énergies renouvelables : onduleurs de traction jusqu'à 150kW et chargeurs embarqués dans les véhicules électriques, systèmes de stockage de l'énergie, onduleurs solaires… Une offre déjà appréciable en 650V Un coup d'œil à notre tableau nous informe que l'offre est aujourd'hui essentiellement concentrée aux alentours d'une tenue en tension drain-source de 600V/650V. De telles valeurs permettent notamment de supporter la tension du réseau électrique après redressement. Les CoolGaN d'Infineon Technologies sont ainsi des Hemt à enrichissement normally-off de 600 V, en boîtier CMS à refroidissement via la face supérieure ou la face inférieure. La résistance à l'état passant est ici de 55 ou 140mO en valeurs typiques, de 70 ou 190 mO en valeurs maximales. À ces transistors de 600 V s'ajoute un modèle de 400 V ciblant typiquement les amplificateurs audio fonctionnant en classe D. Pour tirer tout le potentiel de ces transistors, l'allemand propose les pilotes de grille isolés de la famille EiceDriver. S'ajoutent des cartes d'évaluation associant Fet CoolGaN et pilotes EiceDriver pour la mise en œuvre de topologies en demi-pont et en pont complet pour la correction du facteur de puissance. Pour sa part, Exagan a misé sur un procédé d'épitaxie original, fruit de dix années de développement au sein de Soitec et du CEA-Leti, pour réaliser ses propres composants. Concrètement, la technologie G-Stack du grenoblois évite les aléas liés à la déposition de couches uniformes de GaN sur des wafers de silicium de grand diamètre. Le défi est d'importance car il est bien connu que la cohabitation entre GaN et silicium est difficile. En effet, le désaccord de maille entre les deux matériaux est source de défauts cristallins, alors que leurs coefficients de dilatation thermique différents induisent de fortes contraintes mécaniques. Dans le procédé d'Exagan, le stress causé lors des phases de refroidissement (de 1000°C à 25°C) est absorbé par une couche tampon. La production de composants en GaN sur des tranches de 200 mm (8 pouces), au lieu de 100 mm ou 150mm, se traduit incidemment par une réduction des coûts. Pour leur fabrication, un partenariat stratégique a été signé en 2015 avec le fondeur X-Fab Silicon Foundries, auquel Exagan fournit les tranches épitaxiées de 200mm réalisées à Grenoble (la société dispose par ailleurs d'un centre d'excellence situé à Toulouse). Deux familles de produits sont à l'actif d'Exagan. D'un côté, les transistors de puissance G-Fet de 650 V. Le Hemt nor-mally-on est combiné à un Mosfet en silicium pour réaliser une structure cascode normally-off. Ces G-Fet trouveront notamment place du côté primaire des chargeurs de batterie conformes au standard USB PD (Power Delivery). Avec à la clé une compacité qu'il ne serait pas envisageable d'obtenir avec des composants en silicium. De l'autre, avec les G-Drive, la société privilégie l'approche système. Ces G-Drive incluent dans le même boîtier deux puces : d'un côté un G-Fet en GaN, de l'autre son pilote de grille et le Mosfet en silicium de la configuration cas-code. S'ajoutent des fonctions de protection (thermique, contre les court-circuits et les sous-tensions) et de diagnostic, ainsi qu'une circuiterie de détection de courant et de contrôle des fronts de commutation pour la maîtrise des interférences électromagnétiques. Les applications de puissance (alimentations industrielles), de quelques centaines de watts à quelques kilowatts, sont notamment ciblées par ces G-Drive de 650V. De son côté, Panasonic a développé une structure originale dite HD-GiT ( Hybrid Drain-Gate Injection Transistor ), en réalité une structure Hemt modifiée garantissant un comportement normally-off, pour ses X-GaN. Pratiquement, le blocage de ces transistors est réalisé en appliquant une tension grille-source inférieure à une tension de seuil qui, dans le cas présent, est typiquement de 1,2 V. Le japonais assure avoir résolu le principal mécanisme de dysfonctionnement affectant les Hemt à base d'hétérostructures AlGaN/GaN, à savoir le phénomène de piégeage des porteurs pendant le fonctionnement du composant. La conséquence directe d'un tel effet se matérialise par un effondrement (collapse) du courant de drain. Hemt GaN et pilote de grille font bon ménage Afin de pleinement tirer profit des bénéfices apportés par le GaN, le pilote de grille doit d'une part être compatible avec les tensions de commande demandées, d'autre part se montrer à la hauteur (faible impédance, fort courant crête…) au niveau des performances, ne serait-ce qu'en raison des forts dV/dt souvent mis en jeu (100 V/ns et plus) dans les applications. Des sociétés, telles que Texas Instruments, Infineon Technologies, ON Semiconductor, Silicon Labs, pSemi (ex-Pere-grine Semiconductor), uPI Semiconductor et d'autres, commercialisent des pilotes de grille optimisés pour les transistors GaN. Une évolution naturelle consiste à intégrer le circuit de commande et le transistor GaN dans le même boîtier. L'approche peut être monolithique ou sous la forme de deux puces (à l'instar des G-Drive d'Exagan cités précédemment). Ainsi, les circuits monoli-thiques GaNFast du californien Navitas incorporent, dans un boîtier CMS standard (QFN) de 5 x 6 mm à faibles inductances parasites, un Fet GaN àenri-chissement de 650V, son pilote de grille et de la logique. Les NV611x constituent des interrupteurs de puissance optimisés pour les topologies haute fréquence (2MHz), à commutation douce. Ils offrent une immunité de 200 V/ns aux dV/ dt, une résistance à l'état passant typiquement comprise entre 120 et 300 mO (170 à 420 mO max.) et une entrée compatible 5 V/15 V. Les cartes d'évaluation d'Infineon associent Fet CoolGaN et pilotes EiceDriver. La carte présentée ici met en œuvre une topologie demi-pont avec deux transistors IGOT60R070D1 de 600V. Les LMG341xRxxx en boîtier QFN de Texas Instruments constituent quant à eux des étages de puissance avec Fet GaN 600 V et pilote de grille rapide (temps de propagation de 20 ns, slew rate jusqu'à 150 V/ns). Afin de minimiser le nombre de composants environnants et simplifier la conception, l'américain a ajouté des fonctions de protection contre les surintensités, les tensions trop basses et les températures excessives. En sus, par l'intermédiaire d'une résistance connectée à la broche idoine du circuit, le slew rate (la vitesse de balayage, c'est-à-dire le dV/dt) peut être ajusté entre 25 et 100 ns/V. Une fonction qui se révèlera fort utile pour obtenir le meilleur compromis entre différents facteurs : le niveau des IEM rayonnées et conduites, l'amplitude des suroscillations (overshoot, ringing) imputables à l'inductance de boucle et autres effets parasites, les pertes en régime de commutation dure… Enfin, GaN Power International a annoncé cet été qu'il avait procédé à l'intégration monolithique d'un Fet GaN 650 V et de son pilote de grille. Un produit pour l'heure en phase d'échantillonnage limité en boîtier SOP8 aux fins de prototypage, avant son encapsulation dans un boîtier DFN de 5 x 6 mm à performances thermiques supérieures. L'an dernier, le canadien avait introduit le GPI65030CO, un transistor E-Hemt GaN sur silicium 650V avec son pilote de grille en silicium, mais sous la forme d'un module multipuce en boîtier DFN de 6 x 8 mm.

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