Dans le monde électronique d'aujourd'hui, les convertisseurs de puissance sont nécessaires pour tout, des appareils médicaux aux chargeurs de téléphones et d'ordinateurs portables, en passant par les alimentations auxiliaires. La taille constamment réduite des emballages, la gestion thermique, la tension d'entrée variable et les protocoles de charge intelligents ont rendu la conception des alimentations et des convertisseurs de plus en plus complexe, tout en imposant des exigences plus élevées en matière d'efficacité énergétique.
Au cours de la dernière décennie, de nouvelles technologies de commutation utilisant des circuits intégrés (CI) sur puce en nitrure de gallium (GaN) ont vu le jour. Les caractéristiques des circuits de nitrure de gallium varient au niveau atomique, les concepteurs de convertisseurs de puissance sont donc confrontés à la fois à des défis et à des solutions.
Les semi-conducteurs GaN ont une large bande interdite ; À 3,4 eV, sa bande interdite est plus de trois fois supérieure à celle des semi-conducteurs en silicium. Comme d'autres matériaux à large bande interdite, les semi-conducteurs GaN sont capables de fonctionner à des tensions et des températures plus élevées jusqu'à +400 °C, ce qui les rend adaptés aux applications de puissance plus élevée, ainsi qu'à des fréquences plus élevées, ce qui les rend adaptés aux applications radiofréquence (RF) et 5G.
Par rapport aux circuits intégrés au silicium, les circuits intégrés GaN optimisent les pertes liées aux transistors telles que l'impédance série (RDS (ON)) et la capacité parallèle (COSS) avec des dimensions externes plus petites dans les applications de convertisseur de puissance. Avec le même encombrement que les circuits intégrés en silicium, les circuits intégrés GaN peuvent non seulement gérer des fréquences plus élevées, mais également générer moins de chaleur. Cette fonctionnalité permet aux concepteurs de réduire ou d’éliminer les dissipateurs thermiques encombrants.
Cependant, le contrôle des transistors GaN peut s’avérer difficile. Ce type de transistor peut résister à des fréquences élevées, ce qui signifie que le pilote de commande doit être physiquement situé à proximité du transistor pour éliminer le retard et réduire efficacement la vitesse de commutation du transistor, évitant ainsi les interférences électromagnétiques (EMI) inutiles. Les concepteurs de convertisseurs de puissance utilisant GaN éliminent ces défis en utilisant un seul dispositif combinant un interrupteur d'alimentation haute tension pour le côté primaire (entrée) et un circuit intégré de commande et un circuit de rétroaction pour le côté secondaire (sortie).
Caractéristiques détaillées du fonctionnement du commutateur
Power Integrations utilise la technologie PowiGaN ™ InnoSwitch 3 et a développé plusieurs séries de ces appareils packagés. Par exemple, le circuit intégré de commutateur de conversion de la série InnoSwitch 3-CP (Figure 1) utilise un contrôleur flyback quasi résonant (QR) pour fournir des sorties à tension constante (CV)/courant constant (CC) afin d'obtenir une courbe de puissance constante (CP).
Les côtés primaire et secondaire du circuit intégré sont électriquement isolés, mais les informations de tension et de courant de sortie sont transmises du contrôleur secondaire au contrôleur principal via un couplage inductif. La technologie de communication FluxLink peut fournir rapidement des informations précises pour obtenir une réponse rapide aux transitoires de charge et des fréquences de commutation jusqu'à 70 kHz.