Les conceptions GaN basse tension permettent un circuit intégré d’onduleur de moteur triphasé compact

Les conceptions GaN basse tension permettent un circuit intégré d'onduleur de moteur triphasé compact

Les conceptions innovantes de puces GaN-on-Si de Fraunhofer IAF offrent des composants efficaces et très compacts pour les futures applications basse tension. Crédit : Fraunhofer IAF

Dans les applications alimentées par batterie, dans le secteur automobile et dans les infrastructures informatiques, la technologie 48V a le vent en poupe. Dans cette classe de tension, les transistors de puissance au nitrure de gallium (GaN) offrent le meilleur compromis entre sécurité, compacité et rendement. Aujourd’hui, les scientifiques de Fraunhofer IAF ont présenté des concepts d’intégration pionniers avec des circuits intégrés (CI) à base de GaN pour les applications basse tension.

Qu’il s’agisse d’applications alimentées par batterie telles que les vélos électriques, la robotique ou les drones, les systèmes d’entraînement et de bord dans la mobilité ou les infrastructures informatiques, tous ces secteurs reposent sur une électronique rentable, efficace et compacte. Pour répondre à cette demande, l’Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide IAF recherche des circuits à base de GaN pour les applications d’électronique de puissance, même à des tensions basses allant jusqu’à 48 V.

La classe 48V a récemment augmenté et trouve une application dans une grande variété d’industries. Cela est dû à la transmission de puissance plus efficace qu’il offre par rapport à des tensions d’alimentation plus faibles. Le passage à 48 V est donc une alternative économe en ressources pour les applications qui utilisaient auparavant des tensions encore plus basses. Contrairement à l’électronique de puissance haute tension, le 48V offre un compromis idéal entre efficacité et sécurité. Il n’y a pas besoin de mesures de sécurité élaborées, ce qui rend la classe de tension adaptée aux applications quotidiennes.

Les composants et systèmes hautement intégrés en nitrure de gallium (GaN) sont la solution idéale pour la technologie 48V. Comparé au silicium (Si), le GaN a des propriétés physiques nettement meilleures pour l’électronique de puissance. De plus, la technologie GaN permet d’intégrer des composants de circuit entiers sur une puce. Les chercheurs de Fraunhofer IAF ont développé divers circuits GaN hautement intégrés et des concepts d’intégration pionniers pour les applications basse tension. Ils ont présenté leurs recherches lors de la principale conférence internationale sur l’électronique de puissance, la technologie d’entraînement intelligent, les énergies renouvelables et la gestion de l’énergie PCIM 2021 :

Ici, les scientifiques ont montré comment ils ont fusionné les deux transistors d’un demi-pont intégré dans une conception entrelacée très compacte, au lieu de l’intégration côte à côte habituelle, ce qui augmente son efficacité surfacique. Ils ont en outre intégré trois demi-ponts de ce type dans un circuit intégré GaN à onduleur de moteur pour les applications basse tension et ont réalisé une technique de conditionnement avancée pour les circuits intégrés GaN.

Disposition de puce compacte et efficace pour les applications basse tension

Depuis plusieurs années, les transistors à mobilité élevée GaN-sur-Si (HEMT) font partie intégrante de diverses applications d’électronique de puissance, principalement dans les systèmes haute tension. À Fraunhofer IAF, il a été possible de montrer comment des dispositions avancées et de nouveaux concepts de conception analytique rendront les dispositifs GaN encore plus compacts et efficaces à l’avenir. « En recherche et développement, l’accent a été jusqu’à présent principalement mis sur les dispositifs GaN 600V. Les concepts de conception de circuits intégrés de puissance GaN basse tension très compacts ont à peine été explorés! » remarque Richard Reiner, scientifique à Fraunhofer IAF, qui a présenté son article sur les conceptions à efficacité surfacique pour les HEMT GaN au PCIM 2021.

Technologie d’emballage avancée pour les circuits intégrés demi-pont

« La technologie GaN permet l’intégration d’un demi-pont constitué de deux transistors de puissance dans une puce, ce qui augmente considérablement la compacité d’un système. Pour en tirer parti, il est cependant extrêmement important d’optimiser l’intégration au niveau du packaging. et au niveau des puces », explique Michael Basler, un Ph.D. étudiant à Fraunhofer IAF. L’emballage des circuits intégrés demi-pont est un défi en raison des exigences élevées en matière de performances électriques et thermiques ainsi que de fiabilité. Dans son discours au PCIM, le scientifique de Fribourg a présenté une combinaison de circuits intégrés GaN avec une technologie d’intégration de PCB en tant que solution d’emballage avancée qui peut être étendue à un système en boîtier et permet des densités de puissance extrêmement élevées pour DC/DC basse tension. convertisseurs.

Conception de puce intégrée pour onduleur de moteur

En plus des transistors simples, des circuits intégrés en demi-pont GaN basse tension sont déjà disponibles dans le commerce. Ces circuits intégrés en demi-pont intègrent deux transistors de puissance dans une puce, mais uniquement côte à côte, ce qui n’exploite pas encore tout le potentiel. Fraunhofer IAF a maintenant réussi à entrelacer les deux transistors en demi-pont au niveau structurel le plus petit, ce qui améliore encore l’efficacité et a intégré trois de ces structures en demi-pont dans un onduleur de moteur triphasé GaN IC. Le développeur de l’onduleur de moteur GaN IC, Stefan Mönch de Fraunhofer IAF, explique les avantages qui résultent de cette structure entrelacée : « Le demi-pont intrinsèque améliore les propriétés de commutation électrique, et les trois phases du même IC réduisent l’oscillation de température pendant fonctionnement du moteur. Un seul circuit intégré est également plus économique et plus facile à construire que six transistors ou trois demi-ponts auparavant nécessaires pour un variateur de moteur à base de GaN.

Les concepts d’intégration présentés pour les circuits intégrés GaN basse tension de Fraunhofer IAF montrent des approches pionnières du développement de matériaux, des conceptions d’emballage ainsi que des circuits conviviaux. De tels concepts pour des technologies GaN efficaces et compactes constituent un élément clé pour les futures applications dans la classe 48V. Les technologies présentées ont été développées dans le cadre des projets de recherche « GaNTraction » (soutenu par la Vector Stiftung) et « GaNonCMOS » (financé par Horizon 2020 de l’UE).


Convertisseurs de tension efficaces et compacts pour le secteur de la mobilité électrique


Plus d’information:
Mönch, Stefan et al. Un circuit intégré d’onduleur triphasé GaN-sur-Si pour les entraînements de moteur basse tension

Richard, Reiner et al. Conception de GaN-HEMT à faible résistance et à efficacité surfacique pour les applications d’alimentation basse tension

Bâle, Michael et al. Convertisseurs DC-DC haute densité utilisant des circuits intégrés GaN demi-pont hautement intégrés

portal.dnb.de/opac.htm?method= … lMode=true&query=idn%3D1233962922

Fourni par Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

Citation: Les conceptions GaN basse tension permettent un circuit intégré d’onduleur de moteur triphasé compact (2021, 16 juin) récupéré le 16 juin 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-06-gan-low-voltage-enable-compact-three -phase.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.