Une confrontation avec la réalité de la technologie GaN depuis l’étage APEC 2023

Le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), largement considérés comme l’avenir de la conversion d’énergie, ont été les points forts de l’APEC 2023 à Orlando, en Floride. Selon les chiffres fournis dans une présentation de Navitas Semiconductor, ces deux technologies de semi-conducteurs devraient gagner 30% du marché de l’énergie au silicium de 22 milliards de dollars par an d’ici 2027.

Cependant, lorsqu’il s’agit de nouveaux horizons en électronique de puissance, les chemins de ces deux matériaux à large bande interdite (WBG) sont de plus en plus entrelacés. APEC 2023 a fourni une vérification de la réalité concernant la technologie WBG et à quoi ressemblent leurs feuilles de route de produits respectives.

Figure 1 APEC 2023 était un bon endroit pour explorer la technologie GaN et la feuille de route des applications. Source : conversion de puissance efficace (EPC)

Les dispositifs de puissance GaN, au centre de cet article, sont produits en volume depuis plus de 13 ans avec des centaines de millions de transistors et de circuits intégrés utilisés dans un large éventail d’applications. Prenez, par exemple, les adaptateurs grand public, où les semi-conducteurs GaN ont réduit la taille de près de 50 % et amélioré l’efficacité jusqu’à 94 %. Ces dispositifs sont désormais couramment utilisés dans les conceptions AC/DC de moins de 75 W pour leurs avantages en termes d’efficacité énergétique et de densité de puissance.

À l’APEC 2023, les dispositifs GaN alimentant les chargeurs rapides pour smartphones, ordinateurs portables et tablettes ainsi que les conceptions de plates-formes multi-kW pour les alimentations AC-DC pour les centres de données étaient un affichage important. Cependant, ce qui a occupé le devant de la scène à l’APEC était la place du GaN dans le paysage de la conception des véhicules électriques (VE) en évolution rapide. Dans quelle mesure cette prémisse est-elle réaliste et quand cela se produira-t-il ? Les discussions avec les principaux fournisseurs de semi-conducteurs GaN sur le plancher de l’APEC ont apporté une clarté indispensable.

GaN dans les véhicules électriques

Les semi-conducteurs GaN, ciblant largement les applications de 80 V à 650 V, permettent de nouveaux horizons d’alimentation et de fidélité audio tout en facilitant une puissance moyenne et une fréquence de commutation élevée. Selon Andre Christmann, ingénieur d’application principal chez Infineon Technologies, alors que la technologie GaN s’accélère, elle ne sera pas importante sur le marché automobile avant 2025. Marchés des convertisseurs CC après 2025. »

La société d’études de marché IDTechEx, qui a récemment publié un rapport intitulé « Electronique de puissance pour les véhicules électriques 2023-2033 », est d’accord avec l’hypothèse selon laquelle les OBC et les convertisseurs DC/DC seront le premier point d’entrée sur le marché des dispositifs d’alimentation GaN. En effet, les OBC et les convertisseurs DC/DC fonctionnent à des puissances beaucoup plus faibles. De plus, l’avantage d’efficacité des matériaux GaN est un moteur clair pour une charge AC plus rapide ou une charge interne de la batterie.

Philip Zuk, vice-président senior du marketing technique et du développement commercial chez Transphorm, semblait plus optimiste quant aux mérites du GaN sur le marché automobile. « Avec le temps, GaN va posséder les marchés des convertisseurs DC/DC et OBC parce qu’il est moins cher et beaucoup plus efficace », a-t-il déclaré. Pour les onduleurs de traction, Zuk dit que les dispositifs GaN ont un jeu dans les petites voitures électriques en dessous de 50 W.

Il a mentionné les prochains semi-conducteurs de 1 200 V de Transphorm, construits avec du GaN sur saphir, qui pourraient être intégrés dans des vélos électriques et des scooters électriques. « La question est de savoir à quelle vitesse il va être adopté. » Les semi-conducteurs GaN 1 200 V de Transphorm commenceront à échantillonner vers la fin de 2023.

Figure 2 La technologie GaN, communément identifiée avec les dispositifs de 650 V, aura bientôt un petit nouveau sur le bloc WBG, un FET de 1 200 V. Source : Transphorme

Transphorm, fondée en 2007, prétend être le premier fournisseur de semi-conducteurs GaN qualifiés JEDEC et automobiles. Son portefeuille comprend des FET 650 V et 900 V, tandis que des FET 1 200 V sont actuellement en cours de développement. Cependant, Zuk reconnaît que les appareils 900 V sont plus une pièce maîtresse, démontrant que nous pouvons faire plus que 650 V GaN.

« Les dispositifs GaN 900 V disparaîtront car ils ne sont pas juste assez élevés », a ajouté Zuke. « C’est la technologie 1 200 V qui nous passionne car elle ouvre de nouveaux horizons comme les véhicules électriques à batterie de 800 V, l’infrastructure solaire et la recharge haute puissance.

Outre Tramsphorm, VisIC Technologies est une autre entreprise en lice pour le rôle plus important du GaN dans les véhicules électriques. Il a utilisé des puces GaN de 650 V pour développer une conception d’onduleur EV en partenariat avec Hofer Powertrain. Lors de l’APEC 2023, la cofondatrice et PDG de la société basée en Israël, Tamara Baksht, a présenté les détails d’une conception de référence d’onduleur triphasé à base de GaN avec une tension de bus de 400 V et un courant RMS de 400 A.

GaN au-delà des véhicules électriques

Bien sûr, la promesse GaN ne se limite pas aux prises dans les conceptions de véhicules électriques. Navitas Semiconductor, qui a annoncé avoir expédié 75 millions d’unités GaN haute tension, n’a pas tardé à remarquer que le marché du GaN pour les centres de données est en plein essor. Stephen Oliver, vice-président du marketing d’entreprise chez Navitas Semiconductor, a également mentionné les entraînements de moteur pour les appareils électroménagers et les marchés industriels comme un nouveau lieu prometteur pour les dispositifs GaN.

« Les entraînements de moteur peuvent être rendus plus efficaces, plus petits et plus légers avec GaN dans des applications telles que les aspirateurs, les compresseurs de réfrigérateurs, les machines à laver et les sèche-linge », a déclaré Oliver. « Les onduleurs solaires résidentiels pourraient être les prochains où GaN apporte une économie de système estimée à 25 % par rapport aux solutions de silicium existantes en raison du fonctionnement et de l’intégration à haute fréquence. »

Pour les véhicules électriques, Oliver reconnaît un potentiel de GaN dans la traction dans les systèmes de batteries 400 V, mais il note rapidement que le SiC prendra la majeure partie de l’activité. « La première place pour le GaN sera les chargeurs rapides et les convertisseurs DC/DC », a-t-il déclaré. « Pour l’entraînement par traction, le GaN étant une technologie 700 V pourrait être utilisé dans les systèmes de batterie 400 V. » Mais il y a un point où le SiC prend le relais lorsque le niveau de puissance atteint les voitures à batterie de 800 V, a ajouté Oliver.

Il a également parlé du dernier développement de la société lié au GaN : les circuits intégrés de contrôle GaNSense, un contrôleur de système basse tension à base de silicium intégré aux circuits intégrés GaN (figure 3). « Les CI de contrôle GaNSense combinent des CI de puissance GaN haute tension avec des contrôleurs de système en silicium haute vitesse et basse tension pour renforcer la facilité d’utilisation et les performances du système », a déclaré Oliver. « L’ajout d’un contrôleur de système optimise le système d’alimentation global en ajoutant une détection autonome et un contrôle rapide. »

Chiffre 3 La nouvelle conception du jeu de puces intègre des circuits intégrés GaN avec des puces de contrôle système à base de silicium. Source : Navitas Semiconductor

Perspectives 2023 du GaN

Pourtant, il y avait plus à GaN à l’APEC, un point de référence majeur de l’industrie pour l’ingénierie de conception de puissance et analogique. Par exemple, comment les pilotes de grille complètent les dispositifs WGB tels que les FET GaN 650 V. Une autre session axée sur les dispositifs d’alimentation GaN a mis en évidence les problèmes de conception liés aux HEMT GaN, mettant en lumière des domaines tels que les disjoncteurs, la stabilité de la résistance à l’état passant et la commutation de surtension.

Cambridge GaN Devices (CGD) a fourni des détails techniques sur ses transistors 650 V pour les applications haute tension (Figure 4). Le dispositif ICe-GaN est livré avec une détection de courant et une pince Miller pour une mise hors tension sûre, une protection de grille et une protection contre les décharges électrostatiques (ESD).

Figure 4 Les transistors ICe-GaN peuvent fonctionner comme un MOSFET au silicium sans pilotes de grille spéciaux, circuits de commande ou mécanismes de blocage de tension de grille uniques. Source : Appareils Cambridge GaN (CGD)

En dernière analyse, deux choses semblent évidentes dans le parcours du GaN dans le domaine de l’électronique de puissance. Tout d’abord, comme l’a noté Alex Lidow, fondateur et PDG d’Efficient Power Conversion (EPC), le GaN a encore un long chemin à parcourir avant d’atteindre un état de maturité similaire aux dispositifs d’alimentation en silicium. Deuxièmement, les dispositifs GaN lorgnent de plus en plus sur les conceptions EV très lucratives, actuellement un territoire de dispositifs en silicium et SiC. « Avec les transistors GaN 1 200 V, nous venons vous chercher, SiC », a déclaré Zuk de Transphorm.

Cela peut sembler un peu exubérant, mais Christmann d’Infineon a fait une déclaration similaire dans sa présentation « Power Electronic in Electrified Powertrain » à l’APEC 2023. « L’automobile est une question de coût », a-t-il déclaré. « Et la proposition de valeur de GaN se résume au coût, au coût et au coût. »

Ainsi, outre la consolidation très attendue dans l’industrie du GaN suite à l’acquisition de GAN Systems par Infineon, il vaudra la peine de regarder comment cette technologie WBG se prépare en 2023 pour revendiquer une participation dans le marché crucial des véhicules électriques. Pendant ce temps, sa place sur des marchés tels que les chargeurs grand public, les alimentations des centres de données et les infrastructures solaires semble très prometteuse.

Quelle ascension en moins d’une décennie.

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