Ne négligez pas les avantages thermiques des alimentations GaN à haut rendement

Lorsqu'ils envisagent des alimentations CA/CC externes pour de nouvelles applications, les concepteurs choisissent souvent des composants à base de silicium (Si), malgré les propriétés électriques et le rendement supérieurs des alternatives à base de nitrure de gallium (GaN). Cela peut être dû à des hypothèses de longue date concernant le rapport coût-efficacité ou au fait que ce choix a longtemps été le choix par défaut. Il se peut toutefois qu'ils négligent les exigences réduites en matière de refroidissement des options GaN.

Les semi-conducteurs Si sont le pilier de l'industrie électronique depuis la seconde moitié du 20e siècle. Le GaN a été synthétisé dans les années 1930, mais il a mis beaucoup plus de temps à s'imposer, avec une première application générale dans les diodes électroluminescentes au début des années 1990, et une utilisation plus large une fois qu'il est devenu commercialement viable de fabriquer des transistors GaN pour remplacer les transistors à effet de champ à métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET).

Cependant, le silicium a continué à dominer dans le domaine des alimentations CA/CC. En utilisant des procédés de fabrication mieux établis, les fournisseurs ont pu fournir davantage de transistors au silicium en respectant les contraintes de coût des concepteurs de produits, mais les composants basés silicium se heurtent à des limites thermiques et de performances, ce qui ouvre la voie à une plus vaste considération des alternatives au GaN.

Grâce à une plus grande mobilité des électrons et à une large bande interdite, les alimentations utilisant le GaN peuvent fonctionner à des fréquences supérieures avec un meilleur rendement et dans des formats plus petits.

Avantages du GaN dans les alimentations

Les transistors GaN présentent une résistance et des pertes de commutation plus faibles que les transistors Si, ce qui permet une commutation plus rapide et moins de gaspillage d'énergie. Ils offrent une meilleure conductivité thermique et peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les transistors au silicium. Cela réduit la nécessité d'avoir des composants de refroidissement encombrants et bruyants comme les dissipateurs thermiques, les cadres ou les ventilateurs.

La réduction des composants améliore la fiabilité et permet d'obtenir des unités d'alimentation plus compactes, ce qui permet de gagner un espace précieux lors de la conception de nouvelles applications. Les unités d'alimentation plus petites et plus fiables conviennent à une large gamme d'applications qui exigent des solutions d'alimentation hautes performances et à faible bruit.

Les alimentations CA/CC externes basées GaN peuvent être utilisées dans les applications suivantes :

• Dispositifs médicaux où les alimentations doivent être efficaces, fiables et silencieuses
• Équipements industriels pour une utilisation robuste, durable et adaptable dans les robots, les capteurs ou les contrôleurs
• Électronique grand public pour l'alimentation de dispositifs rapides, légers et portables
• Systèmes de jeu avec alimentations immersives et refroidies, consoles et casques VR

Alimentations GaN variées des marques Bel

Bel Power Solutions, qui fait partie de Bel Fuse Inc., a étendu son offre sur le marché des alimentations CA/CC basées GaN sous les marques EOS Power et CUI Inc., qui font toutes partie du groupe Bel. Ces marques proposent un portefeuille d'alimentations utilisant la technologie GaN et visant à obtenir une densité de puissance supérieure et un meilleur rendement par rapport à leurs équivalents MOSFET au silicium.

EOS est connue pour ses alimentations ultraminiatures. Les modèles EPG300/MEPG300 (Figure 1) et EPG500/MPEG500 ont été lancés pour les applications nécessitant une perte de puissance minimale et une gestion thermique facile, comme les applications RF, les systèmes 5G et le contrôle des processus industriels.

Figure 1 : Facteur de forme des alimentations EPG300 et MEPG300. (Source : EOS Power)

Les alimentations CA/CC EPG300 et MEPG300 sont disponibles en six tensions à sortie simple de 12 V à 58 V, avec un rendement jusqu'à 94 %. Le modèle EPG300-1312, par exemple, est une alimentation à cadre ouvert avec une sortie de 12 V et des dimensions de 101,6 mm x 50,8 mm x 37,3 mm.

Le MEPG300-1312 et les autres modèles de cette gamme sont spécialement conçus pour les applications médicales, notamment les lits d'hôpitaux, les équipements d'imagerie, les dispositifs de surveillance, les instruments chirurgicaux et les équipements de diagnostic. Ils sont conformes aux normes médicales les plus récentes (EN/CEI 60601-1) et disposent d'options d'isolement 2 x MOPP pour les applications de classe I.

Les alimentations CA/CC EPG500 et MEPG500 (Figure 2) fournissent jusqu'à 500 W de puissance de sortie régulée sur une vaste plage d'entrée de 90 VCA à 264 VCA. Elles sont disponibles en six tensions de sortie simple de 12 V à 58 V, avec des dimensions de 127,0 mm x 76,2 mm x 40,0 mm.

Figure 2 : Facteur de forme de l'alimentation EPG500/MEPG500. (Source de l'image : EOS Power)

Les alimentations CA/CC de bureau GaN séries SDI120-U, SDI300G-U et SDI300G-UR de 120 W et 300 W de CUI sont conçues pour une variété d'applications portables grand public et industrielles.

Le SDI120G-24-U-P51 de CUI (Figure 3), une alimentation de bureau GaN avec sortie de 24 V, mesure 132,0 mm x 51,0 mm x 32,0 mm. Cette alimentation peut fournir jusqu'à 120 W de puissance continue et répond aux normes de rendement de niveau VI du département de l'Énergie des États-Unis.

Figure 3 : Alimentation de bureau SDI120G-24-U-P51. (Source : CUI, Inc.)

Le SDI300G-48-U2-P219 convient à une variété d'applications exigeant une solution d'alimentation CA/CC haute puissance, efficace et compacte. Mesurant 183,0 mm x 85,0 mm x 35,0 mm, cette alimentation fournit une sortie de 48 V à 6,25 A (max.).

La série SDI300G-UR de CUI est certifiée CEI classe II, avec une entrée à trois broches (C18), tandis que les séries SDI300G-U (Figure 4) et SDI120G-U disposent d'une entrée à deux broches (C14).

Figure 4 : Facteur de forme de l'alimentation de bureau CA/CC à deux broches série SDI300G-U de CUI. (Source : CUI, Inc.)

Conclusion

Les fabricants de produits exigeant constamment des solutions d'alimentation plus compactes et plus efficaces, le GaN est une option de plus en plus attrayante pour les nouvelles applications électroniques dans les secteurs de l'électronique grand public, des télécommunications et de l'automobile, entre autres. Les marques Bel offrent aux concepteurs de produits une vaste gamme d'options pour les applications exigeant une conversion de puissance CA/CC fiable, efficace et compacte, avec des avantages supplémentaires en termes de refroidissement.

Références :

1 – https://www.edn.com/a-brief-history-of-gallium-nitride-gan-semiconductors/