Ressources et produits GaN de puissance disponibles chez DigiKey Electronics

Le contenu technique relatif au GaN est de plus en plus présent dans ma boîte de réception et sur les flux médias que je suis. Une grande partie du contenu évoque les avantages du GaN en matière de rendement énergétique et de réduction de la taille par rapport au silicium traditionnel. Le GaN faisant son entrée dans le domaine de la conception d'alimentation pour la recharge sans fil et l'infrastructure de télécommunications, j'ai estimé utile de présenter certains produits et ressources GaN pertinents, disponibles chez DigiKey.

Qu'est-ce que le GaN ?

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur à large bande interdite qui offre une haute mobilité d'électrons. Au niveau du transistor, le GaN fournit un courant plus élevé, une vitesse de commutation plus rapide et un format plus compact que les transistors classiques au silicium. Des architectures de commutation GaN à enrichissement (e-GaN) et GaN à déplétion cascode (d-GaN cascode) sont également disponibles.

(Source de l'image : Texas Instruments)

Le commutateur e-GaN est un HEMT (transistor à haute mobilité d'électrons) GaN normalement fermé qui fonctionne comme un MOSFET classique, mais dont la conception du circuit d'attaque de grille nécessite plus d'attention. Des circuits d'attaque de grille spécialement conçus pour la commutation des HEMT e-GaN sont recommandés. Le commutateur GaN à déplétion cascode utilise un HEMT GaN à déplétion normalement ouvert en série avec un MOSFET silicium dans une structure cascode. Le MOSFET silicium commande l'activation et la désactivation du transistor HEMT GaN dans le commutateur cascode, ce qui permet d'utiliser des circuits d'attaque de grille MOSFET standard. Des composants intégrant un HEMT GaN et les circuits d'attaque de grille associés sont également disponibles.

(Source de l'image : Infineon)

Applications du GaN

L'utilisation du GaN dans des applications d'alimentation est de plus en plus fréquente à mesure que les fournisseurs lancent des produits sur le marché. Les avantages du GaN par rapport au silicium incluent des fréquences de commutation supérieures, des pertes plus faibles et un format plus compact. Les ingénieurs disposent ainsi de plus de choix lors de la conception de circuits d'alimentation haut rendement soumis à des contraintes d'espace. Les applications présentant des exigences en matière de rendement élevé et d'espace restreint sont celles qui bénéficient le plus des avantages du GaN. Les marchés incluent les serveurs, les télécommunications, les adaptateurs/chargeurs, la charge sans fil et l'audio de classe D.

Produits GaN

Des FET GaN, des circuits d'attaque et des dispositifs intégrés sont disponibles chez DigiKey. Les fabricants incluent EPC, Infineon, Navitas, Texas Instruments et transphorm.

EPC

(Source de l'image : EPC)

Depuis le lancement en 2009 du transistor commercial GaN à enrichissement (eGaN®), EPC propose maintenant une vaste sélection de FET GaN et de dispositifs GaN intégrés. Les FET sont disponibles sous la forme de transistors simples ou de matrices. Les transistors simples sont disponibles avec des caractéristiques Vdss jusqu'à 200 V et un courant I_D continu jusqu'à 90 A (TA = 25˚C). Les matrices de transistors sont disponibles dans les configurations suivantes : source commune double, demi-pont et demi-pont + auto-élévation synchrone. Les circuits d'attaque de grille recommandés sont référencés dans la note d'application How2AppNote 005 d'EPC. L'EPC2152 est un circuit d'attaque monopuce avec étage de puissance en demi-pont FET GaN qui utilise la technologie de circuit intégré GaN propriétaire d'EPC. L'interface logique d'entrée, le décalage de niveau, la charge auto-élévatrice, les circuits tampons d'attaque de grille ainsi que les FET de sortie eGaN configurés en demi-pont sont intégrés à une puce monolithique. Il en résulte un dispositif en facteur de forme LGA mesurant seulement 3,9 mm x 2,6 mm x 0,63 mm.

Les dispositifs d'EPC sont fournis en boîtier CSP et les transistors GaN sont bien plus petits que leurs homologues en silicium. Cette combinaison se traduit par des dispositifs considérablement plus petits qui utilisent moins d'espace carte avec un coût inférieur. L'empreinte réduite et les meilleures performances du GaN permettent des conceptions qui seraient impossibles à réaliser avec des composants en silicium plus grands. Des cartes d'évaluation et de démonstration sont disponibles pour les FET et les circuits intégrés d'EPC. Les cartes incluent l'accès à des guides de démarrage rapide, des schémas, des nomenclatures et des fichiers Gerber.

Infineon

Infineon propose des dispositifs d'alimentation à semi-conducteurs dotés de technologies en silicium (Si), carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN). Pour la technologie GaN, Infineon a développé les transistors de puissance GaN (normalement fermés) à enrichissement CoolGaN™ de 600 V et les circuits d'attaque de grille isolés à un canal EiceDRIVER™ pour les commutateurs GaN haute tension. Les circuits d'attaque de grille EiceDRIVER™ 1EDF5673K, 1EDF5673F et 1EDS5663H sont parfaitement complémentaires avec les FET de puissance CoolGaN™. Les principaux avantages de la gamme GaN EiceDRIVER™ incluent des courants d'attaque de grille positifs et négatifs, un maintien ferme de la tension de grille à zéro durant la phase de fermeture et une isolation galvanique intégrée.

(Source de l'image : Infineon)

L'EVAL2500WPFCGANATOBO1 est une carte d'évaluation PFC totem-pôle en pont complet de 2500 W qui utilise des FET CoolGaN™ et des circuits d'attaque GaN EiceDRIVER™. La carte d'évaluation basée sur transistor HEMT GaN à enrichissement EVALAUDAMP24TOBO1 est un amplificateur de puissance audio de classe D en demi-pont à 2 canaux, 225 W/canal (4 Ω à ±43 V) ou 250 W/canal (8 Ω à ±63 V) pour les systèmes audio Hi-Fi haut de gamme.

Navitas

Navitas propose des circuits intégrés de puissance GaN. Les circuits intégrés sont des puces GaN monolithiques intégrant un FET de puissance GaN, un circuit d'attaque de grille et une logique. Disposer du circuit complet dans une seule puce présente des avantages considérables en termes de taille, de vitesse de commutation, de rendement et de simplicité d'intégration. Les modèles NV6113, NV6115, NV6117, NV6123, NV6125 et NV6127 sont des dispositifs à commutateur simple pouvant être utilisés dans des topologies de types abaisseur, élévateur, demi-pont et pont complet. Le NVE031E est une carte de démonstration d'alimentation disponible utilisant le NV6115.

Texas Instruments

Texas Instruments propose des circuits d'attaque GaN et des dispositifs à étage de puissance GaN intégrés. Les circuits d'attaque offrent aux concepteurs une flexibilité dans le choix des FET de sortie GaN pour répondre à des exigences spécifiques. Les dispositifs à étage de puissance intégrés réduisent l'inductance parasite afin d'améliorer les performances de commutation et de réduire l'espace carte.

Les circuits d'attaque GaN de TI incluent les dispositifs LMG1205, LMG1210, LMG1020, LMG1025 et LM5113-Q1. Le circuit d'attaque en demi-pont LMG1205 est conçu pour commander les FET GaN à enrichissement haut potentiel et bas potentiel dans une configuration de type élévateur, abaisseur synchrone ou en demi-pont. Le LMG1210 présente les mêmes fonctionnalités que le LMG1205, mais avec des performances de commutation supérieures, un temps de récupération configurable par résistance et un LDO interne pour une plage VDD plus étendue. Les cartes d'évaluation LMG12xx incluent les modèles LMG1205HBEVM et LMG1210EVM-012. Les dispositifs LMG1020 et LMG1025 sont des circuits d'attaque bas potentiel simples, conçus pour commander des FET GaN et des MOSFET niveau logique dans des applications haute vitesse. Les cartes d'évaluation dédiées pour ces dispositifs sont les modèles LMG1020EVM-006 et LMG1025-Q1EVM. Le circuit d'attaque en demi-pont LM5113-Q1 est qualifié AEC-Q100 et conçu pour commander des FET GaN à enrichissement haut potentiel et bas potentiel ou des MOSFET en silicium dans une configuration de type élévateur, abaisseur synchrone ou en demi-pont pour les applications automobiles. Sa carte d'évaluation est le modèle LM5113LLPEVB.

(Source de l'image : Texas Instruments)

Les dispositifs à étage de puissance intégrés de TI incluent le LMG3410, le LMG3411 et le LMG5200. Le LMG3410 et le LMG3411 intègrent un FET GaN de 600 V, un circuit d'attaque et des circuits de protection. Les cartes d'évaluation LMG34xx incluent les modèles LMG3411EVM-029, LMG34XX-BB-EVM, LMG3411EVM-018 et LMG3410EVM-018. Le LMG5200 intègre deux FET GaN de 80 V commandés par un circuit d'attaque FET GaN haute fréquence dans une configuration en demi-pont. Les cartes d'évaluation pour ce produit incluent les modèles LMG5200EVM-02 et BOOSTXL-3PHGANINV.

transphorm

Enfin, transphorm propose des commutateurs GaN basés sur un MOSFET silicium basse tension normalement fermé et un HEMT GaN haute tension normalement ouvert dans une configuration cascode.

(Source de l'image : transphorm)

Les dispositifs GaN de transphorm agissent comme des FET ultrarapides avec des diodes de substrat à faible charge. Les avantages de performances par rapport au silicium traditionnel sont une faible charge de recouvrement et un court temps de recouvrement. Les commutateurs offrent une montée extrêmement rapide avec des temps de montée < 10 ns. Des dispositifs de 650 V et 900 V sont disponibles. De nombreuses cartes d'évaluation sont également disponibles, notamment des convertisseurs CA/CC et des onduleurs CC/CA.

Ressources supplémentaires :

1 – La Bibliothèque de conceptions de référence de DigiKey inclut plusieurs conceptions de référence GaN.