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Le taux de croissance annuel composé (CAGR) pourrait bien être de 50% ou plus, les concepteurs profitant pleinement des avantages du GaN en termes de performances, de densité de puissance, d’efficacité et de réduction de taille. Sur le marché des chargeurs, le GaN est même devenu une référence de marketing pour « petit, puissant, à charge rapide et respectueux de l’environnement ». L’un des derniers marchés à s’y lancer est celui de la mobilité électrique.

La raison simple de l’incroyable croissance du marché dont les dispositifs d’alimentation GaN font l’expérience est que les ingénieurs ont compris qu’en utilisant des circuits intégrés GaN dans leurs circuits de conversion de puissance, ils peuvent augmenter la puissance disponible, tout en réduisant la taille, et tout cela sans augmentation appréciable des coûts, parfois l’inverse. En revenant sur un vieux sujet, le rendement élevé du GaN vous permet d’éliminer les dissipateurs thermiques, économisant ainsi de l’espace, du poids et des coûts. Les commutateurs GaN présentent un facteur de mérite (FoM, calculé en multipliant la résistance On par la charge de grille) qui est 10 fois plus petit que celle du meilleur silicium de sa catégorie. Cela permet aux systèmes de commuter à une fréquence plus élevée sans pénalisations en termes de perte d’efficacité. Par conséquent, les composants passifs peuvent être miniaturisés, ce qui rend l’ensemble du système plus petit et souvent moins cher. De plus, étant donné que le GaN ne possède pas de diode corporelle, le courant de récupération inverse est littéralement nul, ce qui permet d’utiliser la topologie PFC sans mât totémique simple et élégante, plutôt que la solution PFC sans mât totémique à double amplification, plus encombrante et compliquée, ce qui permet à nouveau de réduire le nombre de composants, les coûts et la taille des projets, tout en augmentant les performances. Cela est « évident ». Et ce dernier point, l’absence de diode corporelle, présente d’autres avantages, comme nous le verrons après.

En résumé, le GaN est une technologie habilitante qui permet aux concepteurs de fabriquer des objets plus petits, plus fins et plus efficaces. Les exemples incluent une alimentation pour téléviseurs ultra-fins, des modules d’alimentation DC-DC 48V pour les centres de données qui sont 70% plus petits que la solution en silicium, ce qui permet d’inclure l’étage d’alimentation dans la carte du processeur et, bien entendu, tous les principaux modèles de chargeurs élégants et à haut rendement sont à base de GaN. Lorsque nous examinons la mobilité électrique, nous pouvons identifier trois domaines dans lesquels le GaN peut contribuer (voir Figure 1) :

 La taille des chargeurs de vélos électriques peut être réduite de 70% afin de pouvoir les transporter facilement.

 Le pilote du moteur peut être rendu plus fin, plus petit et plus léger avec une distorsion harmonique totale plus faible afin de réduire le bruit du moteur.

 Le système de gestion de la batterie (BMS) peut être réduit de 30% et rendu plus efficace.

Chargeurs pour vélos électriques

En examinant chacune de ces applications de manière plus approfondie, Innoscience a développé une solution de charge rapide de 240W qui utilise les circuits intégrés InnoGaN haute tension de la société sur le côté principal et InnoGaN basse tension sur le côté secondaire dans un schéma PFC totem-pole sans pont plus LLC qui ne mesure que 85,5 x 58 x 20 mm.

L’efficacité maximale est de 97% et aucun dissipateur thermique n’est requis.

Entraînements par moteur

L’application d’entraînement par moteur introduit un autre développement : l’intégration. La figure 3 montre qu’en passant du silicium au GaN, la taille est réduite de 65 %. Toutefois, Innoscience propose désormais des circuits intégrés SolidGAN qui intègrent la solution complète en demi-pont, y compris le commutateur, le pilote et la protection dans un boîtier de 6,5 x 5 x 1,1 mm. Les dispositifs tels que l’ISG3202LA comprennent deux HEMT GaN 100 V 3,2mΩ en e-mode (demi-pont) avec pilote, résistance de commande, bootstrap et condensateurs Vcc. Ce dernier a une capacité de courant continu de 60A, aucune charge de récupération inverse et une résistance ultra-faible. Grâce au haut niveau d’intégration, à l’optimisation de la boucle de grille et de la boucle d’alimentation réalisés sur l’ISG3202LA, les parasites sont maintenus au-dessous de 1nH. Par conséquent, les pics de tension sur les noeuds de commutation sont minimisés. Surtout, cette solution intégrée est 20% davantage plus petite que la solution GaN discrète. Bien entendu, le nombre de composants et la fiabilité sont également améliorés.

Ainsi, par exemple, dans un moteur de mobilité électrique d’un kilowatt pour scooters électriques fonctionnant à partir d’une batterie de 48 V, six MOSFET au silicium et trois circuits intégrés de commande peuvent être remplacés par seulement trois circuits intégrés SolidGaN, ce qui permet d’obtenir une unité 90% plus petite et offrant de meilleures performances.

Un avantage supplémentaire est la réduction de la distorsion harmonique totale. La figure 4 compare les ondes de courant de sortie pour le GaN et le silicium ainsi que les harmoniques. Comme le GaN est proche d’un commutateur parfait, la sortie est une onde sinusoïdale beaucoup plus propre. Les harmoniques chutent de manière significative, par conséquent il n’est pas nécessaire de recourir à des « astuces » de conception telles que la compensation des temps morts ou le filtrage pour éliminer les harmoniques. Ainsi, la solution est beaucoup plus simple et moins coûteuse avec moins de bruit du moteur.

Système de gestion de la batterie

Enfin, examinons le système de gestion et de protection de la batterie (BMS). En cas d’événement tel qu’une surtension ou une surchauffe, il doit être possible de déconnecter la batterie très rapidement. Cela nécessite une fonctionnalité bidirectionnelle. Les dispositifs en silicium, étant dotés d’une diode corporelle, ne conduisent que dans une seule direction. La solution traditionnelle consiste donc aujourd’hui à utiliser deux transistors en silicium dos à dos. Comme déjà dit, le GaN n’a pas de côté corporel, donc on peut utiliser à sa place un dispositif bidirectionnel, comme le VGaN d’Innoscience. Le dispositif GaN présente également un RDS (on) inférieur à celui des transistors au silicium et une zone de fonctionnement sûre plus large, de sorte que le système de protection GaN BMS est plus petit et plus puissant.

La figure 5 montre clairement l’impact du passage de la solution en silicium à la solution en GaN. L’application en silicium utilise 16 dispositifs, alors qu’avec le circuit intégré VGaN bidirectionnel, seulement huit appareils beaucoup plus petits sont nécessaires. La surface des cartes de circuit imprimé (PCB) diminue considérablement de 33%, ce qui a également un impact sur les coûts et la fiabilité.

Disponibilité, prix et fiabilité

Cette analyse montre que la mobilité électrique, comme de nombreuses autres applications, est sur le point de passer au GaN. Qu’est-ce qui l’arrête ? Enfin rien, mais certaines personnes hésitent à changer, ce qui soulève des questions sur la disponibilité, le prix et la fiabilité.

Si nous les considérons chacune à son tour, Innoscience a expédié plus de 600 millions de dispositifs et ce chiffre est déjà dépassé. La société est un guichet unique qui propose un large portefeuille de dispositifs discrets haute et basse tension de 30V à 700V avec des valeurs de RDS (on) proches de 1mΩ pour les composants basse tension et de 30mΩ à 600mΩ pour les dispositifs haute tension. Pour les concepteurs qui souhaitent maintenir la flexibilité offerte par la solution discrète, un pilote de grille à canal unique est également disponible. De plus, comme déjà décrit, une gamme croissante de solutions de circuits intégrés et de dispositifs bidirectionnels est en cours de production pour les concepteurs qui souhaitent adopter une approche plus intégrée. Les dispositifs sont proposés dans différents types de boîtiers (CSP au niveau de la plaquette, QFN à puce à bascule, QFN à puce à bascule améliorée, DFN, TO252) afin de fournir aux clients le package qu’ils préfèrent et auquel ils sont habitués pour la conception avec des dispositifs en silicium.

Le prix est souvent un obstacle, mais il ne l’est plus nécessairement. Comme montré par les exemples de conception ci-dessus sur la mobilité électrique, le passage au GaN permet d’offrir des économies importantes sur les coûts du système : moins d’appareils, des passifs plus petits, élimination des dissipateurs thermiques, conception plus simple, nombre de composants réduit. Innoscience est allée encore plus loin. L’entreprise produit ses dispositifs exclusivement sur des plaquettes de 8 pouces/200mm et, comme le GaN peut être fabriqué à l’aide d’équipements de production et de traitement de silicium standard, les dispositifs GaN d’Innoscience sont eux-mêmes compétitifs par rapport au silicium en termes de prix.

Nous en venons donc à la fiabilité. Il est vrai que le GaN n’a pas les mêmes attributs de fiabilité de plusieurs centaines de millions d’heures que le silicium offre. Mais il ne s’agit pas d’une technologie nouvelle. Le GaN est en production depuis 20 ans et les appareils sont soumis à des tests JEDEC spécifiques (JEP 180). Des fabricants tels qu’Innoscience effectuent également un grand nombre d’autres tests, tels que HTBG et HTRB, y compris des tests de fin de vie pour des extrapolations de durée de vie, ce qui dépasse largement la durée de vie prévue des appareils dans les conditions de fonctionnement.

Il n’y a vraiment aucun obstacle à l’électromobilité, ou à une grande variété d’autres applications, qui peuvent bénéficier du GaN. Vos concurrents le savent probablement déjà.

https://www.innoscience.com/