Qu'est-ce qu'un adaptateur secteur utilisant le GaN (nitrure de gallium)?

UNIFIVE, fabricant d'alimentations électriques, vous explique ce qu'est un adaptateur secteur utilisant du GaN (nitrure de gallium). Découvrez ses différences avec le silicium, les raisons pour lesquelles il permet de concevoir des appareils compacts et à haut rendement, les points essentiels de la conception, nos réalisations en matière de miniaturisation d'adaptateurs secteur à semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération, ainsi que des exemples d'alimentations sur mesure.

Qu'est-ce qu'un adaptateur secteur utilisant le GaN (nitrure de gallium)?

Un adaptateur secteur utilisant le GaN (nitrure de gallium) est un adaptateur qui emploie du GaN à la place du silicium (Si) dans ses composants de commutation (semi-conducteurs de puissance), chargés d'activer et de couper le courant.

Les composants en GaN présentent moins de pertes d'énergie que ceux en silicium et peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées. Il est ainsi possible de réduire la taille des transformateurs et des condensateurs intégrés à l'adaptateur secteur. Par conséquent, à puissance égale, l'adaptateur secteur peut être plus petit et plus léger.

La miniaturisation de l'alimentation électrique constitue un avantage majeur pour les fabricants d'appareils. Une alimentation plus petite permet de concevoir un appareil lui-même plus compact. Elle contribue également à réduire le coût global de l'appareil.

Différences entre le GaN et le silicium (Si)

Le GaN est un semi-conducteur dont la bande interdite est plus large que celle du silicium. Les matériaux à large bande interdite peuvent résister à des tensions et à des températures élevées. Le tableau suivant compare le silicium et le GaN en tant que matériaux pour les semi-conducteurs de puissance.

Les transistors utilisant le GaN (GaN FET) offrent une vitesse de commutation très élevée et d'excellentes caractéristiques de recouvrement inverse. Des GaN FET de 600 V et de 650 V sont actuellement disponibles sur de nombreux marchés. Le fonctionnement des alimentations à découpage est expliqué dans Qu'est-ce qu'une alimentation à découpage?.

Qu'est-ce que le GaN (nitrure de gallium)?

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur composé de gallium (Ga) et d'azote (N). Le GaN est un semi-conducteur binaire III-V à transition directe. Le GaN est un matériau adapté aux transistors de puissance capables de fonctionner correctement à des températures élevées.

Le GaN est utilisé dans les diodes électroluminescentes (LED), les lasers, la photonique, les composants RF et les dispositifs de puissance à semi-conducteurs. Le GaN peut fonctionner à des températures et des tensions plus élevées que les transistors en arséniure de gallium (GaAs). Il est donc également considéré comme adapté aux amplificateurs de puissance des dispositifs à micro-ondes et térahertz (THz) utilisés pour l'imagerie et la détection.

Différence entre le gallium et le nitrure de gallium

Le gallium est un élément métallique. Le point de fusion du gallium pur est d'environ 30 °C. Il peut donc fondre même dans la paume de la main. Le nitrure de gallium (GaN) est un composé formé de gallium et d'azote. Ses propriétés sont très différentes de celles du gallium. Contrairement au gallium, le nitrure de gallium ne fond pas à basse température.

Dans la nature, le gallium n'existe pas à l'état de métal pur. Il est obtenu comme sous-produit lors de la production d'aluminium à partir de minerai de bauxite ou de la production de zinc à partir de sphalérite. Le nitrure de gallium est fabriqué à partir de ce gallium et d'azote.

Histoire du GaN

L'histoire du GaN commence avec la découverte du gallium. Le tableau suivant récapitule les principaux événements liés au GaN.

La couche d'AlN joue le rôle de couche tampon entre le substrat de silicium et le GaN. Grâce à ce procédé, les transistors GaN peuvent être fabriqués dans les mêmes usines que les composants en silicium, en suivant un processus de fabrication presque identique. La réduction des coûts de fabrication a facilité l'adoption de transistors compacts et hautement performants.

Pourquoi le GaN permet de réduire la taille des adaptateurs secteur

Le GaN permet de réduire la taille des adaptateurs secteur, car les composants en GaN présentent de faibles pertes et peuvent fonctionner à des fréquences élevées.

Dans les adaptateurs secteur traditionnels, les MOSFET (transistors à effet de champ à grille métal-oxyde) en silicium ont été largement utilisés comme composants de commutation. Après de nombreuses années d'amélioration, les performances des MOSFET en silicium approchent de leurs limites théoriques. Le GaN se répand donc comme composant de commutation destiné à remplacer le silicium.

Les composants de puissance en GaN sont des transistors à haute mobilité électronique (HEMT). Le GaN est un matériau dont le champ de claquage est plus élevé que celui du silicium. Ainsi, à résistance à l'état passant et tension de tenue égales, les composants en GaN sont plus petits que ceux en silicium. De plus, grâce à leur grande mobilité électronique et à leur petite taille, les composants en GaN peuvent commuter à grande vitesse. Les trois principaux avantages pour les adaptateurs secteur sont les suivants.

Moins de pertes et une production de chaleur réduite

Les FET GaN offrent une vitesse de commutation très élevée ainsi que d'excellentes caractéristiques de recouvrement inverse. Ils permettent ainsi de réduire les pertes de puissance générées lors de la commutation. La diminution des pertes réduit également la quantité d'énergie transformée en chaleur à l'intérieur de l'adaptateur secteur. Il est ainsi possible de limiter l'élévation de la température de l'adaptateur secteur et de protéger les composants contre les dommages dus à la chaleur. De plus, grâce à sa large bande interdite, le GaN peut résister à des températures plus élevées que le silicium.

Fonctionnement à haute fréquence permettant de réduire la taille des transformateurs et des condensateurs

Les composants en GaN peuvent commuter à des fréquences plus élevées que les composants en silicium. Plus la fréquence de commutation est élevée, plus les transformateurs, les inductances et les condensateurs utilisés dans les circuits d'alimentation peuvent être petits. De plus, comme ils génèrent moins de chaleur, il est possible de réduire la taille des dissipateurs thermiques ou de supprimer les ventilateurs de refroidissement. La réduction de la taille de ces composants permet de rendre le boîtier de l'adaptateur secteur plus compact. Il devient également possible de fournir davantage de puissance avec un boîtier de mêmes dimensions (augmentation de la densité de puissance).

La réduction de la taille de l'alimentation permet également de réduire celle de l'appareil

La réduction de la taille de l'alimentation offre une plus grande liberté dans la conception des appareils qui l'utilisent. Pour les appareils dotés d'une alimentation intégrée, il est ainsi possible de concevoir un boîtier plus compact. Pour ceux utilisant un adaptateur secteur, celui-ci peut être installé plus facilement dans un espace restreint. De plus, lorsqu'il est branché sur une multiprise, il risque moins de gêner les prises adjacentes. La miniaturisation de l'alimentation contribue également à réduire le coût global de l'appareil.

Nous avons notamment proposé une gamme utilisant des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération afin de résoudre les problèmes liés à l'espace d'installation et aux interférences. Pour en savoir plus, consultez notre exemple de solution semi-personnalisée ayant permis une miniaturisation grâce à une gamme de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération.

Points essentiels pour la conception d'une alimentation utilisant le GaN

L'efficacité, l'échauffement et la durée de vie d'un adaptateur secteur utilisant le GaN ne dépendent pas uniquement du matériau semi-conducteur. Ils varient également en fonction de la conception du circuit, de la configuration des composants et de la conception thermique.

Les composants GaN commutent à haute vitesse. Dans une alimentation utilisant le GaN, il est donc essentiel de prévoir des mesures de réduction du bruit (EMI) adaptées à la commutation à haute vitesse et de concevoir correctement le circuit de commande de grille qui pilote les composants. Pour exploiter pleinement les performances des composants GaN, il est nécessaire de maîtriser la conception globale de l'alimentation.

Notre service spécialisé dans la conception d'alimentations prend en charge de manière intégrée les circuits, les transformateurs, les boîtiers, la compatibilité électromagnétique (CEM) et les normes de sécurité. Par ailleurs, le GaN n'est pas la seule solution permettant de réduire les dimensions. Grâce à des optimisations de circuits, nous disposons également d'une expérience de production en série d'adaptateurs secteur compacts utilisant des composants en silicium (exemple de production en série d'un adaptateur secteur de 65 W). Nous proposons la solution optimale en fonction des spécifications de l'équipement et du budget.

Si vous avez besoin d'une alimentation adaptée à votre équipement, nous pouvons la concevoir sous la forme d'une alimentation sur mesure. Les différents types de personnalisation et le déroulement du processus sont présentés dans la rubrique Qu'est-ce que la personnalisation d'une alimentation ?.

Nos adaptateurs secteur à semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération

Nous proposons une gamme standard d'adaptateurs secteur compacts utilisant des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération, de 10 W à 450 W. Nos adaptateurs secteur à semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération allient un rendement élevé à un boîtier compact. Nous effectuons des validations approfondies afin de garantir une fiabilité élevée malgré leur miniaturisation.

Gamme par puissance de sortie

Choisissez la série en fonction de la puissance de sortie requise.

10W/12W/15W/18W/24W/45W/65W/100W/160W/200W/450W

Toutes les séries sont disponibles dans la liste des adaptateurs secteur compacts à semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération. Pour les adaptateurs secteur compatibles avec USB PD, consultez la page Adaptateurs secteur USB PD.

Résultats en matière de miniaturisation

Le tableau suivant présente des exemples de réduction de la taille et du poids de nos adaptateurs secteur équipés de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération. Les éléments de comparaison varient selon le Produits.

Comparaison de la taille de notre adaptateur secteur 200 W (au premier plan) avec celle de notre modèle précédent (à l'arrière-plan)

Si nos produits standard ne conviennent pas, nous proposons des alimentations sur mesure

Si les caractéristiques de sortie, la forme, le câble, l'étiquette ou les normes de sécurité de nos produits standard ne répondent pas à vos besoins, nous pouvons vous proposer une alimentation sur mesure. Notre offre comprend des solutions semi-personnalisées, qui consistent à modifier uniquement les éléments nécessaires d'un produit standard, ainsi que des solutions entièrement personnalisées, conçues de A à Z.

Même pour les adaptateurs secteur utilisant des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération, nous pouvons adapter la tension de sortie, la forme du connecteur, les caractéristiques du câble, les fonctions de protection et de surveillance, ainsi que l'optimisation CEM, en fonction de votre équipement. Nous sommes également à votre disposition pour discuter du prototypage et de l'évaluation. Même si la puissance de sortie ou la forme souhaitée n'est pas proposée dans notre gamme standard, n'hésitez pas à nous communiquer vos spécifications. Vous pouvez consulter des exemples de réalisations sur la page Solutions personnalisées.

Questions fréquentes sur les adaptateurs secteur utilisant du GaN

Le GaN (nitrure de gallium) fond-il à environ 30°C?

Non. C'est le gallium métallique qui fond à environ 30°C. Le GaN est un composé de gallium et d'azote. Contrairement au gallium, le GaN ne fond pas à basse température. Il est utilisé dans les dispositifs de puissance en tant que semi-conducteur capable de résister à des tensions et à des températures élevées.

Quelles puissances sont proposées pour les Produits d'adaptateurs secteur utilisant des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération?

Nous proposons des produits standard allant de 10 W à 450 W. Vous pouvez consulter les différentes séries classées par puissance dans la liste des adaptateurs secteur compacts utilisant des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération.

Que faire si aucun produit standard ne correspond à la puissance ou à la forme souhaitée?

Nous pouvons répondre à vos besoins avec une alimentation sur mesure. Nous proposons aussi bien des solutions semi-personnalisées basées sur des produits standard que des solutions entièrement personnalisées, conçues à partir de zéro. Veuillez nous indiquer la puissance, la forme, l'environnement d'utilisation et les normes de sécurité requis.

Nous contacter au sujet des adaptateurs secteur à semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération

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