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. 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 USB à courant alternatif (AC) avec technologie GaN PD sont devenus courants dans les magasins d'électronique grand public. Le "GaN", ou nitrure de gallium, est un matériau de nouvelle génération révolutionnaire dans le domaine de l'électronique de puissance. Pendant des décennies, les MOSFET au silicium (transistors à effet de champ à oxyde métallique) ont servi à convertir l'énergie en électricité et sont devenus essentiels dans notre quotidien. Cependant, l'amélioration de ces MOSFET en silicium a atteint ses limites théoriques, avec peu de marge d'évolution selon les technologies actuelles.

Par ailleurs, les exigences accrues en matière de densité énergétique et d'efficacité ont conduit les pays développés à imposer des réglementations pour freiner la pollution. Le silicium n'est pas idéal dans ce contexte écologique. À l'inverse, le nitrure de gallium répond bien à ces nouvelles exigences de performance, d'efficacité et de densité énergétique. Il est donc en voie de devenir l'élément clé de la technologie de commutation de puissance de nouvelle génération, remplaçant potentiellement le silicium.

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

Le nitrure de gallium n'existe pas à l'état naturel. Il est généralement obtenu comme sous-produit lors du raffinage de l'aluminium à partir de la bauxite ou du zinc à partir de la blende, ce qui en limite fortement les émissions de CO2. Environ 300 tonnes de gallium sont produites chaque année, avec des réserves mondiales estimées à plus de 1 million de tonnes. En tant que sous-produit industriel, son prix reste modeste à environ 300 dollars/kg, soit environ 1/200e du prix de l'or.

Outre son avantage écologique, c'est un semi-conducteur à bande interdite directe de type III/V, qui fonctionne correctement même à haute température, ce qui en fait un excellent choix pour les transistors de haute puissance.

Histoire du GaN

Le gallium pur fond à seulement 30 ℃, assez bas pour fondre dans la paume de la main. Il a fallu environ 65 ans après sa découverte pour réussir à synthétiser le nitrure de gallium (GaN), et il a fallu attendre les années 1960 pour obtenir des couches monocristallines. GaN, en tant que composé, a un point de fusion supérieur à 1600 ℃, soit 200 ℃ de plus que le silicium.

En 1972, une LED à base de GaN dopé au magnésium a été réalisée. Bien qu'elle n'était pas assez lumineuse pour un usage commercial au départ, elle fut la première LED capable d'émettre dans le bleu-violet.

Depuis les années 1990, le GaN est largement utilisé dans les LED, émettant une lumière bleue utilisée pour lire les disques Blu-ray, et est aussi employé dans les dispositifs de puissance, composants RF, lasers, et la photonique. On prévoit aussi son emploi dans les capteurs à l'avenir.

En 2006, la croissance de couches minces de GaN sur des couches d'AIN sur des wafers de silicium via la méthode MOCVD (dépôt en phase vapeur par précurseur organométallique) a permis la production de transistors GaN en mode d'enrichissement (appelés aussi GaN FET). La couche d’AIN sert de tampon entre le substrat et le GaN, rendant possible la fabrication dans des usines existantes de silicium avec des procédés similaires, à faible coût.

Tout matériau semi-conducteur possède une bande interdite ("band gap"), zone d’énergie dans laquelle les électrons ne peuvent exister. Plus cette bande est large, moins le matériau est conducteur. Le silicium a une bande de 1.12 eV contre 3.4 eV pour le GaN, ce qui signifie que ce dernier supporte mieux les hautes tensions et températures que les MOSFET en silicium.

Grâce à cette large bande interdite, le GaN est adapté aux dispositifs optoélectroniques de haute puissance et haute fréquence. Il est considéré comme idéal pour des applications comme l’imagerie ou les capteurs utilisant des amplificateurs micro-ondes ou des dispositifs térahertz.

Quels sont les avantages du GaN ?

Quels bénéfices présente l'utilisation du GaN, matériau capable de fonctionner dans des applications optoélectroniques de haute puissance et haute fréquence, dans un adaptateur secteur ? Voici les avantages du GaN dans ce contexte :

Le GaN est souvent comparé aux composants à base de silicium. Les MOSFET en silicium, référence actuelle, sont largement utilisés dans les alimentations AC/DC, DC/DC, et la commande de moteurs, allant de quelques dizaines à plusieurs milliers de watts. Ils ont vu des améliorations constantes en conception, résistance "on", tension nominale, vitesse de commutation, etc.

Cependant, les dispositifs au silicium approchent leurs limites théoriques. À l’inverse, les semi-conducteurs à base de GaN ont une mobilité électronique élevée due à un champ électrique critique supérieur. Cela permet aux dispositifs GaN d’être plus compacts que leurs équivalents en silicium pour une même résistance "on" et tension de claquage.

Les GaN FET ont une vitesse de commutation très rapide et d’excellentes caractéristiques de récupération inverse, essentielles à une performance à faible perte et haute efficacité. Aujourd’hui, les FET GaN avec une valeur nominale de 600/650V sont disponibles sur de nombreux marchés.

Trois grands avantages à leur utilisation dans les adaptateurs secteur :

Réduction de la chaleur

Le GaN possède une conductivité thermique plus élevée que le silicium grâce à sa large bande interdite. Cela permet un fonctionnement à haute température, un meilleur refroidissement, et donc des adaptateurs secteur plus frais et plus résistants à la chaleur.

Miniaturisation par densité énergétique élevée

Sa fréquence de commutation et sa température de fonctionnement supérieures permettent de réduire la taille du dissipateur thermique, d'éliminer les ventilateurs, et de diminuer la magnétisation. Une fréquence plus élevée réduit les dimensions des inducteurs et condensateurs nécessaires dans les circuits, ce qui permet de miniaturiser l’ensemble du boîtier de l’adaptateur.

Réduction du bruit acoustique et transmission d'énergie sans fil

Une fréquence plus élevée génère moins de bruit acoustique dans les applications à moteurs, et permet une transmission d'énergie sans fil à puissance élevée avec plus de liberté spatiale. Cette technologie est à l’étude pour le rechargement des véhicules électriques.

Adaptateur secteur GaN développé par Unifive

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