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

Ceci est une page expliquant les adaptateurs secteur et les alimentations à découpage équipés de circuits intégrés en GaN (nitrure de gallium), considérés comme des semi-conducteurs de nouvelle génération. Il est utilisé dans l'adaptateur USB-PD développé par UNIFIVE.

Qu’est-ce qu’un adaptateur secteur de nouvelle génération équipé de GaN ?

Qu’est-ce que le GaN ?

Les adaptateurs secteur USB PD avec GaN sont devenus courants dans les magasins grand public récemment. Le terme « GaN » désigne le nitrure de gallium, un matériau de nouvelle génération qui révolutionne le domaine de l’électronique de puissance. Pendant des décennies, les MOSFET en silicium (transistor à effet de champ à oxyde métallique) ont été essentiels pour convertir l’énergie en électricité, mais leur efficacité énergétique atteint maintenant ses limites théoriques avec les technologies actuelles.

Par ailleurs, avec l’importance croissante accordée à la densité et l’efficacité énergétique ainsi qu’à la réglementation environnementale notamment dans les pays développés, le silicium ne répond plus pleinement aux exigences actuelles. En revanche, le nitrure de gallium présente des caractéristiques qui répondent à ces problématiques, ce qui en fait un matériau prometteur en tant que technologie de commutation de puissance de prochaine génération.

Qu’est-ce que le nitrure de gallium ?

Le nitrure de gallium n’existe pas à l’état naturel. Il est produit comme sous-produit lors de l’extraction de l’aluminium à partir de la bauxite ou du zinc à partir de la blende. Ces procédés génèrent peu d’émissions de CO2 lors de l’extraction et du raffinage. Plus de 300 tonnes de gallium sont produites chaque année, et les réserves mondiales sont estimées à plus d’un million de tonnes. Étant un sous-produit, le gallium est relativement abordable, autour de 300 dollars le kilogramme contre 60 000 dollars pour l’or, soit environ 1/200e du prix.

Outre ses atouts environnementaux, le nitrure de gallium est un semi-conducteur à transition directe du groupe III/V, adapté aux transistors haute puissance fonctionnant à haute température.

Histoire du GaN

Le gallium pur fond à seulement 30°C, ce qui signifie qu’il peut fondre au contact de la peau à température corporelle. Il fallut encore 65 ans après sa découverte pour synthétiser le nitrure de gallium, et ce n’est qu’à partir des années 1960 que des films monocristallins de GaN purent être produits. Le composé GaN fond à plus de 1600°C, soit 200°C de plus que le silicium.

En 1972, la LED à base de GaN dopé au magnésium fut mise au point. Il s’agissait d’un événement marquant : bien que la brillance initiale fût modeste pour un usage commercial, c’était la première LED capable d’émettre une lumière bleue-violette.

Depuis les années 1990, le GaN a été largement utilisé dans les LED. Il émet une lumière bleue utilisée notamment pour la lecture des disques Blu-ray. En outre, le GaN est également utilisé dans des dispositifs de puissance semi-conducteurs, des composants RF, des lasers, et dans la photonique. À l’avenir, il pourrait également jouer un rôle dans la détection sensorielle.

En 2006, la fabrication des transistors en mode d’enrichissement GaN (également appelés GaN FET) a débuté grâce à la croissance d’un film mince de GaN sur une couche d’AIN sur des wafers en silicium standard par dépôt en phase vapeur organométallique (MOCVD). La couche d’AIN sert de tampon entre le substrat et le GaN. Grâce à cette méthode, le GaN peut désormais être fabriqué dans les usines de silicium actuelles, suivant un processus quasiment identique, ce qui réduit les coûts de production et facilite l’introduction de transistors performants plus compacts. En détail, tous les semi-conducteurs possèdent une bande interdite : une zone d’énergie où les états électroniques ne peuvent exister. En d’autres termes, elle détermine la capacité d’un matériau à conduire l’électricité. Le silicium a une bande interdite de 1,12 eV, tandis que celle du GaN est de 3,4 eV. Une bande interdite plus large signifie que le GaN peut supporter des tensions plus élevées et des températures plus élevées que les MOSFET au silicium.

Grâce à cette large bande interdite, le GaN permet l’utilisation dans des dispositifs optoélectroniques de forte puissance et haute fréquence. Il peut supporter des tensions et températures beaucoup plus élevées que les transistors en arséniure de gallium (GaAs), ce qui en fait un candidat idéal pour des amplificateurs de puissance dans les dispositifs à micro-ondes ou térahertz (ThZ), ainsi que dans les applications d’imagerie et de détection.

Quels sont les avantages du GaN ?

Quels sont les bénéfices de l’utilisation du GaN, capable d’être appliqué aux dispositifs optoélectroniques de forte puissance et haute fréquence, dans un adaptateur secteur ? Voici les principaux avantages de l’intégration du GaN dans les adaptateurs AC.

Le GaN est souvent comparé au silicium. Les MOSFET à base de silicium, aujourd’hui standard, sont largement employés dans les alimentations AC/DC, DC/DC, et les dispositifs de contrôle moteur, couvrant une large plage de puissance de quelques dizaines de watts à plusieurs kilowatts. Malgré des améliorations continues en matière d’emballage, de résistance RDS, de tension nominale et de vitesse de commutation, les performances des semi-conducteurs au silicium atteignent aujourd’hui leurs limites théoriques après des années de progrès technologiques.

En revanche, les dispositifs de puissance à base de GaN, du type transistor à haute mobilité électronique, possèdent une force de champ critique plus élevée que ceux au silicium, ce qui indique une forte mobilité électronique. Cela signifie que, pour une même résistance à l’état passif et même tension de claquage, les dispositifs GaN peuvent être plus compacts que les semi-conducteurs au silicium.

Les GaN FET sont dotés d’une très grande vitesse de commutation et d’excellentes caractéristiques de recouvrement inverse, essentielles à une efficacité élevée et à de faibles pertes. Aujourd’hui, des GaN FET de 600/650V sont couramment disponibles sur le marché.

Les principales raisons d’adopter le GaN dans les adaptateurs secteur peuvent être résumées en trois points :

Réduction de la génération de chaleur

Grâce à sa large bande interdite, le GaN offre une conductivité thermique supérieure à celle du silicium. Cette propriété permet au dispositif de fonctionner à haute température avec un refroidissement plus efficace, contribuant à maintenir l’adaptateur à basse température et à le protéger des dommages thermiques.

Miniaturisation grâce à une densité de puissance élevée

La fréquence de commutation et la température de fonctionnement supérieures à celles du silicium permettent de réduire la taille des dissipateurs thermiques, voire d’éliminer les ventilateurs, ainsi que d’atténuer la magnétisation. Une fréquence de commutation élevée permet également de réduire la taille des inducteurs et condensateurs utilisés dans les circuits d’alimentation. Moins de composants dans l’adaptateur signifie un boîtier plus compact.

Réduction du bruit acoustique et transmission de puissance sans fil

Des fréquences plus élevées réduisent le bruit acoustique dans les applications de motorisation. Elles permettent aussi une transmission d’énergie sans fil plus efficace, avec une plus grande puissance et un écart plus large entre émetteur et récepteur. Cette technologie est en cours d’étude pour le rechargement des véhicules électriques.

Adaptateur secteur GaN développé par Unifive

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