Comparaison entre les solutions GaN discrètes et intégrées

Dr Shuilin Tian et Dr Denis Marcon, Innoscience

Le monde de l’électronique de puissance profite pleinement des avantages offerts par le nitrure de gallium (GaN). L'activité dans les médias, les salons professionnels et les conférences spécialisées a été dominée par des débats sur l'augmentation de l'efficacité et de la consommation qui peuvent être obtenues en passant des MOSFET au silicium aux solutions GaN. Les attentes varient selon chaque analyste, mais presque tous prévoient une croissance annuelle moyenne d'au moins 24% jusqu'en 2027, même si certaines estimations sont beaucoup plus optimistes, notamment dans certains segments de marché clés aussi divers que l'industrie, la consommation, les télécommunications et automobile. C'est ce que nous savons. Cependant, parallèlement à la disponibilité généralisée de dispositifs GaN HEMT discrets, nous assistons à l'émergence de solutions GaN intégrées de la part des principaux fabricants de GaN, qui exploitent les avantages intrinsèques du GaN et ont le potentiel d'atteindre des performances encore plus élevées.

Tout d’abord, il convient de souligner que la solution intégrée n’est pas une panacée universelle. Selon la façon dont la conception du circuit est sectionnée, il peut être préférable d'utiliser un commutateur GaN de type discret à haut rendement. Cela est particulièrement vrai si un certain pilote est nécessaire, si le pilote est déjà intégré au contrôleur ou pour des niveaux de puissance supérieurs à environ 1 kW, car certaines solutions intégrées ne peuvent pas être connectées en parallèle. Pour de telles applications, et d'autres qui nécessitent une flexibilité de conception maximale, des fabricants tels qu'Innoscience proposent une grande variété de dispositifs discrets entre 30 V et 700 V avec différentes valeurs de résistances de conduction.

Dans de nombreux autres cas, une solution intégrée (par exemple pilote + HEMT ou demi-pont + pilote GaN) peut réduire le volume de conception, fournir des niveaux de puissance plus élevés et réduire le nombre de composants (nomenclature plus courte). Prenons comme exemple l'ISG3201, un produit 100V appartenant à la famille SolidGaN d'Innoscience, composé de deux dispositifs GaN en mode enrichissement 100V 2,3mΩ et d'un driver de grille en demi-pont 100V. Fourni dans un boîtier LGA à 30 broches mesurant seulement 5 x 6,5 x 1,12 mm, ce dispositif est destiné aux convertisseurs abaisseurs haute fréquence, aux convertisseurs demi-pont ou pont complet, aux amplificateurs audio de classe A. Convertisseurs D, LLC et modules de puissance dans les applications tels que les contrôleurs de moteur, l'IA, les serveurs, les télécommunications et les supercalculateurs. La figure 1 montre un schéma simplifié du dispositif.

Figure 1.

Une comparaison entre le circuit en demi-pont basé sur des MOSFET de silicium avancés, les dispositifs GaN discrets et l'ISG3201 intégré indique que la solution GaN discrète a un encombrement 66 % plus petit, comme prévu, mais que le dispositif SolidGaN intégré est encore 19 % plus petit, ce qui soit 73% de moins que le circuit en silicium. La figure 1 explique également comment l'ISG3201 minimise également le besoin de composants externes. La résistance de commande, l'étage de détection et le condensateur VCC sont inclus dans le boîtier, éliminant ainsi sept composants (quatre résistances et trois condensateurs). Un avantage supplémentaire est que l'intégration de toutes ces fonctions réduit l'inductance de la boucle de grille et l'inductance de la boucle de puissance, généralement d'environ 40 %. La réduction des éléments parasites génère également moins d'oscillations par exemple et réduit les surtensions. Cela augmente non seulement l'efficacité et simplifie la conception, mais améliore également la fiabilité puisque la surtension est minimisée jusqu'à 4 V, soit 80 % de moins que certains concurrents. Moins de composants de verrouillage sont également nécessaires.

La conception simplifie également la disposition de l’étage de puissance. Dans certaines configurations, le nœud de commutation se situe entre V_in yP_GND, ce qui rend l'appareil plus facile à construire mais nécessite davantage de composants externes. La conception Innoscience illustrée à la figure 2 indique que le nœud de commutation est en bordure, il ne nécessite donc qu'un condensateur de découplage entre V_in yP_GND, et le nœud de commutation est connecté au circuit externe. Selon la topologie choisie dans l'étage de puissance, cela peut permettre d'économiser de nombreux composants.

Figure 2.

La figure 3 montre la simplicité des circuits requis pour un convertisseur Buck (Figure 3a), LLC (Figure 3b), un BLDC triphasé (Figure 3c) et un onduleur solaire en pont complet (Figure 3d). Une solution discrète nécessiterait plus de composants, comme le montrent les figures 3a (Buck) et 3b (LLC).

Figure 3a.

Figure 3b.

Figures 3c et 3d.

La conception intégrée est également avantageuse pour la fabrication. L'assemblage de composants discrets fournis dans un boîtier WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) à pas fin est difficile à contrôler et limite la quantité de cuivre pouvant être utilisée sur la carte de circuit imprimé. Bien que le GaN génère généralement moins de chaleur que le silicium car il est plus efficace, à des niveaux de puissance plus élevés, il est souhaitable, voire indispensable, d'utiliser davantage de cuivre pour améliorer les performances thermiques. En utilisant des boîtiers intégrés avec un pas de broche plus grand, deux onces de cuivre peuvent être utilisées au lieu d'une once, ce qui constitue la limite pratique pour les composants discrets à pas fin. Cela réduit la perte de puissance et augmente l’efficacité, élargissant ainsi la plage de puissance de la technologie GaN. Des tests ont montré que l'efficacité des conceptions en demi-pont basées sur des dispositifs intégrés tels que l'ISG3201 est 0,3 % supérieure à celle des solutions basées sur des dispositifs GaN discrets en raison de la plus grande quantité de cuivre sur la carte.

Si nous pensons à un module convertisseur DC/DC 48/12 V fonctionnant à 1 MHz, nous constatons que ces améliorations d'efficacité commencent à faire une différence significative. La figure 4 indique que l'efficacité peut être améliorée de 0,7 % en mettant en œuvre une conception basée sur le demi-pont intégré de l'ISG3201 plutôt qu'une solution discrète. Les graphiques thermiques démontrent que, pour la même augmentation de température, cette augmentation du rendement signifie que 18 % de puissance en plus peut être utilisée avec la même technique d'intégration.

Figure 4.

Application dans un contrôleur de moteur

La figure 5 offre un exemple d'application de contrôleur de moteur de 500 W (puissance maximale de 1000 3201 W), telle qu'une application d'électromobilité. Dans cette conception, trois circuits intégrés demi-pont SolidGaN ISG90 peuvent remplacer six MOSFET silicium 4 V/220 mΩ dans des boîtiers TO-90 et trois circuits intégrés de commande demi-pont, ainsi qu'une poignée de composants externes, avec un gain d'espace résultant proche de XNUMX %. Un modèle de référence et une carte de pointage sont disponibles.

Figure 5.

L'utilisation de GaN diminue la distorsion harmonique totale d'au moins un ordre de grandeur. Cela réduit l'ondulation du couple, les surintensités et les pertes d'enroulement. Le moteur fonctionne plus doucement et génère moins de bruit audible, ce qui a des effets positifs sur la fiabilité et la durée de vie du moteur.

Figure 6.

Conclusion

Comme nous pouvons le constater, les solutions intégrées offrent de nombreux avantages, notamment en termes de taille et d'efficacité, bien que les solutions GaN discrètes continuent d'offrir une plus grande flexibilité de conception et puissent être la seule option disponible pour des puissances plus élevées jusqu'à ce qu'un niveau plus élevé soit atteint. c'est prévu. Mais quel que soit votre choix, le GaN, sous un format ou un autre, sera probablement la réponse.