Nous suivre Industrie Techno

abonné

Avis d'expert

Comment la technologie GaN révolutionne la conversion de puissance

La rédaction
Comment la technologie GaN révolutionne la conversion de puissance

Carte de puissance intégrant des composants GaN à fort courant pour le pilotage d’un moteur de véhicule électrique.

Avec l’accroissement de la consommation d’électricité, lié notamment au numérique, la performance des convertisseurs de puissance devient un enjeu majeur. Des dispositifs innovants exploitant des semiconducteurs « grand gap » tels que le nitrure de gallium (GaN) apparaissent comme des solutions prometteuses.

Dans une société où la consommation de l’énergie électrique ne cesse d’augmenter, l’efficacité énergétique des appareils et des dispositifs électriques s’impose comme un élément essentiel pour permettre à cette source d’énergie de se déployer à grande échelle. Les travaux visant à trouver un équilibre entre les performances – principalement le rendement et la densité de puissance – et le coût sont menés tambour battant. Objectif : accompagner les technologies électriques dans la transition énergétique.

La prise en compte de l’ensemble de ces critères implique d’agir sur tous les éléments du convertisseur. Ces critères induisent des spécifications et des contraintes sur les différents composants de puissance, qu’ils soient actifs ou passifs. Par exemple, l’augmentation de la fréquence de découpage peut permettre de réduire la taille des éléments passifs, et donc la taille globale du système. Cela suppose d’avoir des composants passifs et actifs capables de rester performants à haute fréquence, et d’adapter le choix des matériaux et les technologies de réalisation.

Dans la perspective d’amélioration de ces performances, de nombreuses recherches sont menées sur les matériaux et les technologies utilisées pour les différents composants de puissance : éléments passifs, interrupteurs, circuits de commande, boîtier. D’importants moyens ont été mis en œuvre pour le développement de transistors de puissance à base de semiconducteurs « grand gap » tels que le carbure de silicium (SiC) ou plus récemment le GaN. Ces derniers permettent de repousser les limites actuelles obtenues par des transistors de type Mosfet ou IGBT réalisés en silicium. Cela les rend plus pertinents pour des applications à tension plus élevée ou nécessitant des hautes fréquences de commutation (fig. 1). La technologie HEMT (high electron mobility transistor) en GaN permet, grâce à ses performances dynamiques, de monter la fréquence de découpage des convertisseurs. Cette perspective, sans pour autant augmenter les pertes par commutation, impose généralement d’augmenter également d’autant les fronts de commutation. Cet aspect redéfinit alors la signature fréquentielle du convertisseur avec un décalage vers de plus hautes fréquences.


Fig. 1

Cela n’est pas anodin si l’on considère l’environnement du convertisseur dans son ensemble, ainsi que les différents composants passifs, notamment de filtrage. Cela impose aussi des règles de design plus strictes pour le concepteur qui doit minimiser certains éléments parasites. Ainsi, la technologie HEMT GaN pour l’interrupteur de puissance ne peut pas simplement se résumer à un remplacement à l’identique (« pin-to-pin ») de l’interrupteur silicium dans les systèmes de conversion usuels et impose d’avoir une vision globale du système. Notons que cette technologie GaN sur silicium est compatible avec les filières CMOS (complementary metal oxide semiconductor), ce qui permet d’exploiter les mêmes lignes et salles blanches existantes et de limiter ainsi des investissements lourds.

1. Contexte

Les datacenters en quête de performance

Avec le développement des outils numériques, les datacenters se sont multipliés. La question de leur efficacité énergétique s’invite même dans certains débats sur la transition énergétique. Un datacenter est un lieu où se trouvent différents équipements électroniques, des ordinateurs, des systèmes pour le stockage des données et des équipements de télécommunications. En pratique, presque toutes les entreprises de taille moyenne utilisent un tel centre. Quant aux grandes entreprises, elles en utilisent souvent plusieurs. À ce jour, ces équipements, en incluant ceux de Google, géant dans ce domaine, consomment près de 2 % de l’énergie électrique mondiale, et ce chiffre ne cesse de croître. Si internet était un pays, il serait le troisième plus gros consommateur d’électricité au monde avec 1 500 TWh par an, derrière la Chine et les États-Unis. Le numérique consomme 10 à 15 % de l’électricité mondiale, soit l’équivalent de 100 réacteurs nucléaires. Une consommation qui double tous les quatre ans. Par ailleurs, la densité de la consommation électrique d’un bâtiment datacenter est 100 fois plus importante que celle d’un bâtiment de bureau standard de la même taille et une baie de serveur consomme de 5 à 15 kVA suivant le système de refroidissement utilisé. Toute cette puissance est dissipée en chaleur.

Pour les sociétés gérant ces équipements, l’optimisation de la consommation électrique est donc un enjeu important. Une des voies explorées porte sur le dispositif d’alimentation des serveurs, et notamment sur les convertisseurs. L’alimentation de l’électronique numérique est réalisée par plusieurs étages de conversion et de distribution (fig. 2). Le premier étage est commun et consiste en des convertisseurs isolés AC/DC (230 Vac vers 12 V à 48 Vdc). Plusieurs alimentations fonctionnent en parallèle pour assurer la continuité de service (redondance et plug-in à chaud). Les cartes serveurs embarquent localement des convertisseurs DC/DC non isolés qui assurent l’alimentation des microprocesseurs, mémoires et autres systèmes numériques sous très basse tension et très fort courant.


Fig. 2

L’efficacité de ces alimentations est tellement cruciale qu’un label a été créé spécifiquement pour les datacenters : la certification 80+ qui a évolué dans le temps pour refléter la plus grande efficacité des équipements. Le label actuel inclut maintenant deux niveaux supérieurs, le Platinum et le Titanium, qui représentent respectivement des efficacités énergétiques de 92 et 94 %.

Le rendement élevé et la compacité d’une alimentation à base de composant GaN permettent d’atteindre les niveaux extrêmes et très exigeants de ce référentiel grâce à une approche système revisitant les topologies mises en œuvre et les composants de puissance associés. En effet, les performances du GaN couplées à l’approche système permettent d’envisager les niveaux de performances très élevés dans un encombrement similaire, voire plus faible que les équipements existants. Pour atteindre cet objectif très ambitieux, il est important d’avoir une approche prenant en compte l’optimisation de l’ensemble des éléments du convertisseur de l’architecture en passant par les composants à la fois actifs et passifs.

2. Principes

Topologies d’un convertisseur

Au regard des technologies actuelles, le convertisseur doit assurer plusieurs fonctions (fig. 3 a) . Le premier étage (AC/DC) assure la fonction PFC (power factor correction) et est non isolé ; le deuxième étage (DC/DC) assure la fonction d’isolation entre l’entrée et la sortie, ainsi que l’adaptation de la tension et du courant de sortie à l’application ; enfin, troisième fonction, les capacités intermédiaires, le bus DC, lissent la puissance prélevée sur le réseau. Voici dans le détail les enjeux pour les deux étages principaux.

L’étage AC/DC – PFC non isolé. À l’exception d’équipements de faible puissance, tous les dispositifs raccordés au réseau public de distribution électrique doivent respecter la norme PFC fixant les limites pour les émissions de courants harmoniques NF EN 61000-3-2[…]

Pour lire la totalité de cet article, ABONNEZ-VOUS

Déjà abonné ?

Mot de passe perdu

Pas encore abonné ?

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°1034

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2020 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

Un transistor organique haute performance pour l’électronique imprimée

Fil d'Intelligence Technologique

Un transistor organique haute performance pour l’électronique imprimée

C’est un pas de plus vers une électronique imprimée plus performante. Le groupe de recherche "dispositifs et systèmes[…]

La réalité virtuelle immersive, un outil industriel qui se démocratise grâce au jeu vidéo Fortnite

La réalité virtuelle immersive, un outil industriel qui se démocratise grâce au jeu vidéo Fortnite

Un algorithme pour estimer les capacités d’une batterie lithium-ion en temps réel

Fil d'Intelligence Technologique

Un algorithme pour estimer les capacités d’une batterie lithium-ion en temps réel

L'électronique imprimée se rêve en championne des technologies vertes

L'électronique imprimée se rêve en championne des technologies vertes

Plus d'articles