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

Il s'agit d'une page expliquant les adaptateurs AC et les alimentations a decoupage equipes de circuits integres GaN (nitrure de gallium), consideres comme des semi-conducteurs de nouvelle generation. Ils sont utilises dans les adaptateurs USB-PD developpes par UNIFIVE.

Adaptateur secteur AC avec GaN, le semi-conducteur de nouvelle génération

Qu'est-ce que le GaN ?　

　Les adaptateurs secteur USB AC compatibles PD avec GaN, que l'on voit de plus en plus souvent dans les magasins d'électronique, utilisent le "GaN", c'est-a-dire le nitrure de gallium, un materiau de nouvelle generation tres prometteur qui apporte des changements revolutionnaires dans le domaine de l'electronique de puissance. Pendant plusieurs decennies, les MOSFET a base de silicium (transistors a effet de champ a grille metal-oxyde-semiconducteur) ont joue un role essentiel dans la conversion de l'energie en electricite et sont devenus indispensables a la vie quotidienne moderne. Cependant, l'amelioration des MOSFET en silicium et l'augmentation de leur efficacite energetique ont atteint leurs limites theoriques, laissant peu de marge de progression avec les technologies actuelles.

　De plus, ces dernieres annees, les exigences en matiere de densite et d'efficacite energetiques ont augmente. Sous l'impulsion des pays developpes et dans le cadre de reglementations visant a reduire la pollution environnementale, le silicium presente des limites pour repondre a ces nouvelles attentes. En revanche, le nitrure de gallium possede des caracteristiques lui permettant de repondre aux besoins croissants en termes d'efficacite, de performance et de densite de puissance des systemes electriques. Il s'impose ainsi progressivement comme un element cle des technologies de commutation de puissance de nouvelle generation, en remplacement du silicium.

Alors, qu'est-ce que le nitrure de gallium ?　

　Le nitrure de gallium n'existe pas a l'etat d'element pur dans la nature. Il est generalement obtenu comme sous-produit lors du raffinage de l'aluminium a partir de la bauxite ou lors du traitement de la sphalerite pour produire du zinc, ce qui permet de limiter considerablement les emissions de CO2 lors de son extraction et de son raffinage. Plus de 300 tonnes de gallium sont produites chaque annee, et les reserves mondiales sont estimees a plus d'un million de tonnes. Etant issu d'un sous-produit de fabrication, son prix est relativement faible, environ 300 dollars par kilogramme, soit environ 200 fois moins cher que l'or, qui coute environ 60 000 dollars par kilogramme.

Outre ses avantages environnementaux, il s'agit d'un semi-conducteur binaire de type III/V a transition directe, adapte aux transistors de forte puissance capables de fonctionner correctement a haute temperature.

Histoire du GaN

　Le gallium pur a un point de fusion d'environ 30 degres C et peut fondre dans la paume de la main a temperature corporelle. Il a fallu environ 65 ans supplementaires pour que le nitrure de gallium soit synthetise pour la premiere fois, et ce n'est que dans les annees 1960 qu'il a ete possible de faire croitre des couches monocristallines de nitrure de gallium. Le compose GaN possede un point de fusion superieur a 1 600 degres C, soit environ 200 degres C de plus que celui du silicium.

　En 1972, une LED a base de GaN dope au magnesium a ete mise au point, marquant une avancee majeure. Bien que sa luminosite n'ait pas ete suffisante pour un usage commercial a l'epoque, il s'agissait de la premiere LED capable d'emettre une lumiere bleu-violet.

　Depuis les annees 1990, le nitrure de gallium est largement utilise dans les diodes electroluminescentes (LED). Il emet une lumiere bleue utilisee notamment pour la lecture des disques Blu-ray. Il est egalement employe dans les dispositifs de puissance a semi-conducteurs, les composants RF, les lasers et la photonique. A l'avenir, il devrait aussi trouver des applications dans le domaine des technologies de capteurs.

　En 2006, la fabrication de transistors GaN en mode enhancement (egalement appeles GaN FET) a commence, en faisant croitre une fine couche de GaN sur une couche d'AlN deposee sur une tranche standard de silicium par la methode MOCVD (depot chimique en phase vapeur metallorganique). La couche d'AlN sert de tampon entre le substrat et le GaN. Cette methode permet de produire des transistors en nitrure de gallium dans les memes usines et avec des procedes similaires a ceux utilises pour le silicium. L'utilisation de procedes deja etablis permet une production a faible cout, comparable a celle du silicium, et facilite l'introduction de transistors compacts aux performances nettement ameliorees. Tous les materiaux semi-conducteurs possedent ce que l'on appelle une bande interdite (bandgap), qui correspond a la plage d'energie dans laquelle aucun etat electronique n'est possible. En termes simples, la bande interdite determine la capacite d'un materiau a conduire l'electricite. Celle du silicium est de 1.12 eV, tandis que celle du nitrure de gallium est de 3.4 eV. Une bande interdite plus large signifie que le GaN peut supporter des tensions et des temperatures plus elevees que les MOSFET en silicium.

　Grace a cette large bande interdite, le nitrure de gallium permet des applications dans des dispositifs optoelectroniques de forte puissance et haute frequence. Fonctionnant a des temperatures et tensions bien plus elevees que les transistors en arsure de gallium (GaAs), il est considere comme ideal pour les amplificateurs de puissance utilises dans les dispositifs micro-ondes, d'imagerie, de detection et meme les dispositifs terahertz (THz).

Quels sont les avantages du GaN ?

　Quels sont les avantages d'integrer le GaN, materiau adapte aux dispositifs optoelectroniques de forte puissance et haute frequence, dans un adaptateur secteur AC ? Voici les principaux atouts de son utilisation dans les adaptateurs AC.

　Le GaN est souvent compare au silicium, materiau standard actuel. Les MOSFET a base de silicium sont largement utilises comme interrupteurs d'alimentation dans des applications allant de quelques dizaines de watts a plusieurs centaines, voire milliers de watts, telles que les alimentations AC/DC, DC/DC ou les dispositifs de commande moteur. Le conditionnement, la resistance a l'etat passant (RDS), la tension nominale et la vitesse de commutation ont ete continuellement ameliores.

　Cependant, les performances des semi-conducteurs en silicium ont presque atteint leurs limites theoriques apres des annees de progres technologiques. En revanche, les dispositifs de puissance a base de nitrure de gallium sont des transistors a haute mobilite electronique, offrant un champ electrique critique plus eleve que le silicium. Cette mobilite electronique elevee signifie que le GaN peut supporter un champ electrique plus intense et, a resistance a l'etat passant et tension de claquage equivalentes, les dispositifs GaN sont plus compacts que leurs equivalents en silicium.

　Les GaN FET offrent une vitesse de commutation tres rapide et d'excellentes caracteristiques de recuperation inverse, essentielles pour des performances a faibles pertes et a haut rendement. Actuellement, des GaN FET de 600/650 V sont largement disponibles sur le marche.

　Les principaux avantages pour les adaptateurs AC sont les trois suivants :

Reduction de la chaleur

　Grace a sa large bande interdite, le GaN possede une conductivite thermique superieure a celle du silicium. Cela permet un fonctionnement a plus haute temperature et un refroidissement plus efficace des dispositifs, maintenant l'adaptateur AC a une temperature plus basse et le protegeant contre les dommages lies a la chaleur.

Miniaturisation grace a une densite de puissance elevee

　Les frequences de commutation et temperatures de fonctionnement plus elevees que celles des composants en silicium permettent de reduire la taille des dissipateurs thermiques, d'eliminer les ventilateurs de refroidissement et de reduire les composants magnetiques. Plus la frequence de commutation des composants GaN est elevee, plus il est possible de reduire la taille des inductances et des condensateurs utilises dans les circuits d'alimentation. La reduction du nombre de composants electroniques internes permet ainsi de diminuer la taille du boitier de l'adaptateur AC.

Reduction du bruit acoustique et transmission d'energie sans fil

　Des frequences plus elevees reduisent le bruit acoustique dans les applications a moteur. Elles permettent egalement une transmission d'energie sans fil a plus forte puissance, augmentant la liberte spatiale et elargissant l'ecart entre l'emetteur et le recepteur. Cette technologie est actuellement a l'etude pour l'alimentation des vehicules electriques.

Adaptateur AC avec GaN developpe par UNIFIVE

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