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

Ceci est une page expliquant les adaptateurs secteur dotés de circuits intégrés GaN (nitrure de gallium), considérés comme des semi-conducteurs de nouvelle génération, ainsi que les alimentations à découpage. Il est utilisé dans les adaptateurs USB-PD développés par Unifive.

Qu'est-ce qu'un adaptateur secteur de nouvelle génération avec GaN ?

Qu'est-ce que le GaN ?

Récemment, on voit souvent dans les magasins des adaptateurs secteur USB avec GaN PD. Ce "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 à base de silicium (transistors à effet de champ à oxyde métallique) ont joué le rôle principal dans la conversion de l'énergie en électricité, devenant indispensables dans notre vie quotidienne. Cependant, l'amélioration de ces MOSFET en silicium et leur efficacité énergétique atteint aujourd'hui une limite théorique, laissant peu de place à de futurs progrès.

Avec la montée des exigences en matière de densité de puissance et d'efficacité énergétique, les pays développés ont commencé à introduire diverses régulations pour limiter la pollution environnementale. Le silicium est un matériau moins adapté à cette tendance écoresponsable. En comparaison, le nitrure de gallium possède des caractéristiques répondant à cette demande grandissante d’amélioration de l’efficacité, des performances et de la densité de puissance des systèmes électriques, faisant de lui un acteur clé dans les technologies de commutation de puissance de prochaine génération.

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

Le nitrure de gallium n'existe pas sous forme élémentaire dans la nature. Il est généralement obtenu comme sous-produit lors du raffinage de l’aluminium à partir de la bauxite ou de la fabrication de zinc à partir de la blende. Ainsi, son extraction et sa purification émettent très peu de CO2. Plus de 300 tonnes de gallium sont produites chaque année et les réserves mondiales sont estimées à plus d’un million de tonnes. En tant que sous-produit, il coûte environ 300 dollars par kilogramme, soit 1/200ème du prix de l’or qui coûte environ 60 000 dollars par kilogramme.

En plus de ses avantages environnementaux, le nitrure de gallium est un semi-conducteur binaire du groupe III/V à transition directe, adapté aux transistors à haute puissance capables de fonctionner à haute température.

Histoire du GaN

Le gallium pur fond à seulement 30 °C, ce qui signifie qu’il peut fondre dans la paume d’une main. Il a fallu encore 65 ans après sa découverte pour synthétiser le nitrure de gallium. Jusqu’aux années 1960, il n’était pas possible de faire croître un film monocristallin de nitrure de gallium. Le composé GaN a une température de fusion supérieure à 1600 °C, soit 200 °C de plus que le silicium.

En 1972, une LED à base de GaN dopée au magnésium a vu le jour. Bien qu’elle n’ait pas été assez lumineuse pour une utilisation commerciale, elle fut la première LED émettant de la lumière bleu-violette.

Depuis les années 1990, le nitrure de gallium a été largement utilisé dans les diodes électroluminescentes (LED). Il émet une lumière bleue utilisée pour la lecture des disques Blu-ray. Le nitrure de gallium est également utilisé dans les dispositifs de puissance, les composants RF, les lasers, la photonique, etc. On prévoit aussi son utilisation future dans le domaine des capteurs.

En 2006, la fabrication de transistors GaN en mode enhancement (également appelés GaN FET) a commencé, en faisant croître une fine couche de GaN sur une couche d’AIN sur un wafer de silicium standard via la méthode MOCVD. La couche d’AIN joue le rôle de tampon entre le substrat et le GaN. Grâce à cette méthode, les transistors en nitrure de gallium peuvent être fabriqués dans les usines existantes de semi-conducteurs au silicium, avec des processus quasiment identiques. Cela permet une fabrication à faible coût comme pour le silicium, et facilite l’introduction de transistors ultra-performants et compacts. Tous les matériaux semi-conducteurs possèdent une bande interdite. Cela correspond à une plage d'énergie dans un solide où aucun état électronique ne peut exister. En termes simples, plus la bande interdite est large, moins le matériau est conducteur. Le silicium a une bande interdite de 1,12 eV, contre 3,4 eV pour le nitrure de gallium. Cette large bande interdite permet au GaN de résister à des tensions et des températures plus élevées que les MOSFET en silicium.

Grâce à cette large bande interdite, le nitrure de gallium est adapté aux dispositifs optoélectroniques haute fréquence et haute puissance. Le GaN peut fonctionner à des températures et tensions bien plus élevées que les transistors en arsénure de gallium (GaAs), ce qui en fait un choix idéal pour les applications micro-ondes et térahertz (ThZ) comme les amplificateurs de puissance pour l'imagerie et les capteurs.

Quels sont les avantages du GaN ?

Quels sont les bénéfices à utiliser le GaN, un matériau permettant des applications haute puissance et haute fréquence en optoélectronique, dans un adaptateur secteur ? Examinons les avantages de l'intégration du GaN dans un adaptateur secteur.

En général, le GaN est souvent comparé au silicium. Les MOSFET à base de silicium dominent actuellement les commutateurs dans les applications électriques, depuis quelques dizaines jusqu’à plusieurs milliers de watts, utilisés dans les alimentations CA/CC, CC/CC, le contrôle des moteurs, etc. Leurs caractéristiques (conditionnement, résistance RDS, tension nominale, vitesse de commutation…) ont été continuellement améliorées.

Cependant, les performances des semi-conducteurs à base de silicium approchent leurs limites théoriques. À l'inverse, les dispositifs de puissance à base de nitrure de gallium sont des transistors à haute mobilité électronique avec une intensité de champ critique supérieure au silicium. Cela signifie qu’à tension de claquage et résistance équivalentes, les dispositifs GaN peuvent être plus compacts que leurs équivalents en silicium.

Les GaN FET combinent des vitesses de commutation très rapides et d’excellentes caractéristiques de récupération inverse, indispensables pour un fonctionnement à faible perte et haute efficacité. Actuellement, on trouve de nombreux FET GaN avec une tension nominale de 600/650 V sur le marché.

En ce qui concerne leur utilisation dans les adaptateurs secteur, on peut résumer leurs avantages en trois grands points :

Réduction de la production de chaleur

Le matériau GaN a une bande interdite plus large, ce qui lui confère une conductivité thermique plus élevée que le silicium. Cela permet un fonctionnement à température élevée et un refroidissement plus efficace des dispositifs utilisant GaN, maintenant l'adaptateur secteur à basse température et le protégeant des dommages thermiques.

Miniaturisation grâce à une densité de puissance plus élevée

Grâce à une fréquence de commutation et une température de fonctionnement plus élevées que les composants en silicium, il est possible de réduire la taille du dissipateur thermique, d’éliminer les ventilateurs ou de réduire les composants magnétiques. Plus la fréquence de commutation des composants GaN est élevée, plus l’inductance et la capacité nécessaires dans les circuits d'alimentation peuvent être réduites. Moins de composants internes permettent un boîtier plus compact pour l’adaptateur secteur.

Réduction du bruit acoustique et transmission sans fil d'énergie

Les hautes fréquences génèrent moins de bruit acoustique dans les applications à moteur. Elles permettent aussi la transmission sans fil d'énergie avec une puissance plus élevée, augmentant la liberté de placement spatial en élargissant l’écart entre l’émetteur et le récepteur. Des recherches sont en cours pour appliquer cette technologie à la recharge des véhicules électriques.

Adaptateur secteur GaN développé par Unifive

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