Avantages du GaN et du SiC dans l’électronique industrielle

L’amélioration de l’efficacité énergétique industrielle est l’une des grandes tendances dans le secteur de la fabrication. Alors que le monde se tourne de plus en plus vers les sources électriques, cela revient souvent à améliorer le fonctionnement de l’électronique de puissance, par exemple pour tirer le maximum d’économies d’un investissement dans des moteurs économes en énergie.

Aujourd’hui, la plupart des appareils électroniques reposent sur des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET), inventés en 1959 chez Bell Labs et largement adoptés au début des années 1960. Les MOSFET contrôlent la conductivité électrique du canal de l’appareil en modifiant la tension appliquée sur l’électrode de grille, permettant l’amplification du signal ou la commutation et le traitement de l’alimentation.

Le principal avantage des MOSFET par rapport aux transistors bipolaires traditionnels est qu’ils ne nécessitent presque aucun courant d’entrée pour contrôler le courant de charge. Cependant, ils présentent certains inconvénients, notamment une courte durée de vie et une forte sensibilité aux surtensions.

De nouveaux matériaux sont désormais disponibles et offrent des améliorations significatives par rapport aux dispositifs à base de silicium. Ils offrent des pertes plus faibles et des vitesses plus élevées combinées à des coûts réduits.

Ces nouveaux matériaux comprennent le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN).

L’une des caractéristiques de ces nouveaux matériaux est une bande interdite plus large. Il s’agit d’une plage d’énergie dans un solide où aucun électron ne peut exister et c’est l’un des facteurs de la capacité d’un matériau solide à conduire l’électricité : plus la bande interdite est large, plus la tension et la température qu’il peut supporter sont élevées.

Qu’est-ce que le nitrure de gallium ?

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur très dur et mécaniquement stable. Avec une large bande interdite d’environ 3,2 eV, il offre une résistance à la coupure beaucoup plus élevée, une vitesse de commutation plus rapide, une conductivité thermique plus élevée et une résistance plus faible que les équivalents à base de silicium avec des bandes interdites d’environ 1,12 eV.

Cette large bande interdite permet au GaN d’être utilisé dans les dispositifs optoélectroniques haute puissance et haute fréquence. Par exemple, les MOSFET GaN constituent la base idéale pour les amplificateurs de puissance des dispositifs à micro-ondes et térahertz (ThZ) dans des applications telles que l’imagerie et la détection, ainsi que les composants à radiofréquence (RF) et les diodes électroluminescentes (LED). Ces avantages signifient que le GaN a démontré sa capacité à remplacer les semi-conducteurs au silicium dans les applications de conversion de puissance, RF et analogiques.

Étant donné que les cristaux de GaN peuvent être développés sur une variété de substrats, y compris le silicium, l’infrastructure existante de fabrication du silicium peut être utilisée, y compris les stocks existants de tranches de silicium de grand diamètre.

Le GaN a plusieurs attributs bénéfiques par rapport au silicium, notamment une résistance à l’état passant plus faible, ce qui fournit des pertes de conductance plus faibles et donc des coûts énergétiques réduits. Comme les semi-conducteurs GaN sont intrinsèquement plus efficaces que le silicium, moins d’énergie est dépensée sous forme de chaleur, ce qui permet d’obtenir des tailles de système plus petites et donc des coûts de matériaux inférieurs.

Le matériau rend également possibles des dispositifs plus rapides avec une fréquence de commutation plus élevée, ce qui permet à son tour d’utiliser des inductances et des condensateurs plus petits dans les circuits de puissance. Avec une augmentation de fréquence de 10 fois, la capacité et l’inductance diminuent de 10 fois, ce qui produit une très forte diminution du poids et du volume, ainsi que du coût. Des fréquences plus élevées peuvent également produire un bruit acoustique plus faible dans les applications d’entraînement de moteur. Ils peuvent également permettre un transfert de puissance sans fil à des puissances plus élevées et une transmission plus importante pour recevoir des entrefers entre l’élément de charge et l’appareil chargé.

Avec des fréquences de commutation et des températures de fonctionnement plus élevées que le silicium, les dispositifs GaN ont des besoins de refroidissement inférieurs et peuvent utiliser des dissipateurs thermiques plus petits ainsi que passer du refroidissement par liquide au refroidissement par air, éliminant ainsi le besoin de ventilateurs.

Les semi-conducteurs GaN permettent également de réduire le coût total du système. Bien que les semi-conducteurs GaN soient généralement plus coûteux que le silicium, la réduction de la taille et des coûts des composants tels que les éléments inductifs et capacitifs passifs, les filtres et le refroidissement peut générer des économies de l’ordre de 10 à 20 %.

Qu’est-ce que le carbure de silicium ?

Le carbure de silicium (SiC) est un composé semi-conducteur fait de silicium et de carbure. Avec une bande interdite trois fois supérieure à celle du silicium à 3,4 eV, il offre plusieurs avantages, dont dix fois l’intensité du champ électrique de claquage. Cela permet de configurer des tensions d’appareils de puissance beaucoup plus élevées, allant de 600 V à des milliers de volts.

Le SiC permet d’obtenir simultanément une tension de tenue élevée, une faible résistance à l’état passant, un fonctionnement à grande vitesse et des températures beaucoup plus élevées, élargissant considérablement la gamme d’applications. Essentiellement, le SiC permet des performances qui ne sont pas réalisables avec le silicium seul, ce qui en fait le successeur le plus viable du silicium pour les dispositifs d’alimentation de nouvelle génération.

La majeure partie du composant de résistance des appareils haute tension est située dans la couche de blocage, de sorte que le SiC permet d’obtenir des tensions de tenue plus élevées avec une résistance à l’état passant extrêmement faible par unité de surface. Théoriquement, la résistance de la couche de blocage par zone peut être réduite de 300 fois par rapport au silicium à la même tension de tenue.

Les avantages du SiC et du GaN par rapport au silicium traditionnel

L’histoire de l’utilisation de l’énergie a été celle de la découverte des moyens les plus efficaces de convertir l’énergie de sa forme source à son application finale.

Aujourd’hui, nous réfléchissons davantage à la manière de convertir le plus efficacement possible la sortie du générateur en une tension finale pour un nombre presque illimité d’applications, des entraînements de moteurs industriels aux chargeurs de batterie des véhicules électriques.

À un moment donné, le processus de conversion d’énergie utilisera presque certainement des commutateurs à semi-conducteurs de puissance, dont les types à base de silicium sont la norme depuis des décennies sous la forme de MOSFET en silicium et de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT).

Cependant, la perte de puissance inhérente à l’utilisation de commutateurs au silicium a longtemps été un facteur contribuant à l’inefficacité du système. Jusqu’à récemment, il y avait peu d’alternatives.

Pourtant, comme déjà montré, les semi-conducteurs à base de SiC et de GaN ont des caractéristiques qui améliorent manifestement l’efficacité de la conversion de puissance.

Cela dit, il convient de noter que ces semi-conducteurs ne sont pas remplaçables à chaud avec des puces à base de Si. Les circuits d’application doivent être conçus pour correspondre, en particulier si l’on veut obtenir tous les avantages en termes de performances.

Applications des dispositifs SiC et GaN

Les dispositifs SiC ont prouvé leur valeur en tant que drivers robustes à la pointe de la technologie dans un nombre croissant d’applications. Les applications existantes utilisant des MOSFET en silicium ou même des IGBT peuvent être équipées en toute sécurité de dispositifs SiC. Pour tirer le meilleur parti du SiC, de nouvelles conceptions de base peuvent également être mises en œuvre. Elles tirent parti des fréquences de commutation plus élevées et des composants magnétiques miniaturisés.

Les dispositifs GaN sont appréciés dans les applications à basse tension, car le composé du matériau offre le meilleur équilibre entre efficacité et performances. Parmi les applications probables, on trouve les onduleurs solaires, les convertisseurs DC-DC de télécommunications, les amplificateurs audio de classe D et les alimentations AC monophasées.

Capacités d’économie d’énergie du SiC et du GaN pour l’industrie

Les technologies SiC et GaN dans les transistors ont des impacts significatifs sur des marchés en forte croissance.

Par exemple :

• Véhicules électriques (VE) et transports : Les améliorations d’efficacité se traduisent par des coûts de batterie inférieurs et plus de kilomètres par charge.
• Infrastructure de recharge des véhicules électriques : Une plus grande puissance délivrée et la réduction du temps de charge de plus de moitié constituent des améliorations majeures par rapport à ce qui peut être obtenu avec des solutions uniquement en silicium.
• Énergie renouvelable : Les transistors SiC réduisent la perte de puissance de 50 %, ce qui réduit directement le coût de la production d’énergie.
• Alimentations industrielles : Jusqu’à 10 % d’amélioration de l’efficacité des alimentations en kW offrent des améliorations convaincantes au niveau des dépenses d’exploitation, avec par exemple une durée d’exécution et des coûts de maintenance réduits.
• 5G et communications : Le GaN a une bande passante et une densité de puissance plus élevées que les autres alternatives, ce qui est essentiel pour le développement et le déploiement mondiaux de la 5G (et au-delà).

Conclusion

Les puces GaN et SiC offrent des avantages pour des applications particulières et ne sont donc pas directement concurrentes. Cependant, leurs caractéristiques font que chacune domine désormais certains marchés. Par exemple, d’ici 2026, les chargeurs utilisés dans l’électronique grand public devraient représenter 66 % du marché des puces GaN, tandis que les applications automobiles, principalement les VEB, pourraient représenter jusqu’à 60 % du marché des puces SiC.

Les avantages qu’ils offrent en termes d’efficacité énergétique combinés à une taille compacte révolutionnent les options d’alimentation électrique désormais disponibles pour les consommateurs et l’industrie et constituent deux plateformes attrayantes qui, à leur tour, contribuent grandement à des approvisionnements et une utilisation énergétiques plus durables.