Dans le cadre de son projet de recherche technologique en 5e année de Génie Électrique par alternance, Joël HIEBEL a développé et testé une maquette d’évaluation de transistors HEMT GaN sous la direction de M. Jean-Michel HUBE.
1. Le GaN, de quoi s’agit-il ?
Le GaN (nitrure de gallium) est un matériau semi-conducteur à grande bande interdite, donc un fort potentiel d’amélioration des performances en rapidité, résistance à l’état passant, tenue en tension et en température par rapport au silicium dont on atteint les limites avec les MOSFETs superjonction actuels. C’est un des matériaux qui devrait permettre de repousser les limites actuelles des composants à base de silicium utilisés en électronique de puissance.
Limites théoriques de la résistance spécifique en fonction de la tension de claquage pour Si, SiC et GaN.
Les transistors GaN de puissance utilisent aujourd’hui principalement une structure latérale, fondée sur un gaz d’électrons à deux dimensions (2DEG) très mobiles, d’où le nom de HEMT : High Electron Mobility Transistor.
Structure d’un HEMT GaN ( extrait brochure GanPower)
2. Le transistor testé, GIT HEMT GaN, caractéristiques
- GIT : Gate Injection Transistor, piloté en courant.
- Pas de diode de structure donc Qrr=0 , pas de recouvrement de charges à dissiper.
- Faible charge de grille QG 7x plus faible que Si MOSFET.
- Faible charge de sortie Qoss 10x plus faible que Si.
- Très faible tension de seuil Vth.
Schéma équivalent GIT HEMT GaN Infineon.
3. La carte : un demi-pont HEMT pour hacheur série synchrone
Un hacheur série synchrone nous permet de convertir une tension continue en une tension continue de valeur inférieure, par découpage à fréquence plus ou moins élevée et filtrage. C’est un moyen économique d’effectuer cette conversion.
Cahier des charges résumé :
- Alimentation : 25 – 50 Vdc
- Courant de sortie nominal : 5 Ampères
- Temps mort ajustable : 50 – 500 ns
- Plage de fréquence de découpage : 50 kHz à 1 MHz
- Transistor évalué : Infineon IGT60R190D1SATMA1 GIT HEMT, 600V, 190 mΩ
La carte :
Conçue sous Pads Pro de Mentor Graphics, 4 couches, 130×100 mm :
Vue 3D de la carte
La maquette finalisée
4. Les résultats
- Rapidité confirmée, on peut se contenter d’un temps mort de 50 ns et le montage fonctionne de 50kHz à 1MHz.
- Le transistor HEMT GaN est tellement rapide que le routage doit être optimisé pour l’exploiter pleinement.
- Dimensionnement en température : la température boîtier n’a pas dépassé 56 °C en pleine charge à 500 kHz.
- Il est difficile d’observer les courants dans les transistors, l’insertion d’une sonde de courant modifie les formes d’ondes pendant les commutations.
- Rendements obtenus : de 94 % à 96% en fonction des points de fonctionnement.
Blocage du transistor low side (Vds courbe jaune)
Blocage du transistor high side (Vds, courbe bleue)
fonctionnement à 1 MHz, tensions Vds aux bornes des transistors (Ls courbe jaune, Hs courbe bleue)
5. Conclusion
Ce fut une occasion passionnante de se plonger dans la technologie GaN et d’en observer les possibilités. Cependant, il faut encore améliorer la conception de la carte pour exploiter pleinement le HEMT GaN et prendre bien soin de choisir les bons procédés de mesure, avec une grande bande passante, sinon les résultats peuvent être trompeurs.
En tout cas, c’est une technologie aux performances impressionnantes, quoiqu’encore un peu chère, mais nous n’en sommes qu’au début et nous verrons ces performances s’améliorer et les coûts baisser. C’est une technologie qui va permettre de répondre aux besoins croissants dans les applications liées aux énergies renouvelables et à la mobilité électrique.