Technologie GaN pour les systèmes électriques haute tension de la prochaine génération
D’après Nick Flaherty, Power Integrations a développé une technologie à base de nitride de gallium (GaN) capable de fonctionner jusqu’à 2200 V, idéale pour les inverseurs de moteurs à haute puissance et les systèmes de charge de plusieurs mégawatts.
La conception du nouvel appareil permet d’obtenir une marge plus élevée à haute tension, ce qui se traduit par une fiabilité considérablement accrue tout en permettant des fréquences de commutation plus élevées pour des inverseurs de taille réduite.
« Nous avons commencé en 2017 avec le GaN à 1500 V, puis à 1700 V en 2024, ce qui correspondait à la tension idéale pour les applications automobiles de 800 V. Notre composant à 900 V est entièrement certifié AEC et est déjà utilisé dans des véhicules aujourd’hui, avec une augmentation progressive de son volume de production », a déclaré Roland Saint-Pierre, vice-président du développement de produits chez Power Integrations. « Ce GaN à 2200 V nous prépare aux applications dépassant les 800 V ; dès que l’on dépasse 1000 V, une capacité de courant plus élevée devient nécessaire. »
L’appareil à 2200 V fonctionne en mode de dépréciation (mode D) et reste activé en permanence grâce à un MOSFET en silicium dans une configuration cascode. Le cascode est conçu sur un substrat de saphir, élément essentiel pour atteindre une tension de 2200 V.
Le commutateur en cascade signifie que la plage de conformité pour la grille est beaucoup plus élevée et qu’aucune tension négative n’est nécessaire. La tension seuil du MOSFET est de 3 V, tandis que la tension maximale atteint 15 ou 20 V pour une alimentation de grille standard. « Nous réduisons également les pertes par rapport au GaN en mode E », a-t-il déclaré.
« Pour les chargeurs automobiles de plusieurs mégawatts fonctionnant à 1500 V, le dispositif de 2200 V est idéal. On observe également une tendance à l’utilisation de tensions plus élevées, autour de 800 V, afin de réduire le poids du véhicule ; il existe déjà des bus et des camions électriques fonctionnant à 1200 V. Ainsi, avec 2200 V, on dispose de la tension parfaite », a-t-il ajouté.
« Le courant de fuite commence à augmenter dès 4000 V, il existe donc une marge de 2000 V. Il y a deux facteurs influençant le taux d’échec en fonction du temps, à savoir la température et la tension ; cette marge nous permet d’obtenir un taux d’échec inférieur à 1, ce qui est un ordre de grandeur meilleur que pour d’autres dispositifs. »
L’entreprise a démontré une commutation continue à 1760 V avec une résistance en circuit ouvert constante, ce qu’elle qualifie de première démonstration de ce type au-dessus de 1500 V. Au lieu d’une augmentation de la chaleur due à l’augmentation de la résistance en circuit ouvert avec une tension de claquage plus élevée, cette résistance constante assure une fiabilité accrue car les effets thermiques restent stables.
« Nous travaillons actuellement sur une gamme de produits. Il s’agit donc d’une première étape, avec un lancement prévu pour la seconde moitié de l’année prochaine [2027]. La technologie est désormais en phase finale de validation », a déclaré Saint-Pierre. L’entreprise compte mettre sur le marché des dispositifs certifiés pour l’industrie automobile en 2028.
Cliquez ici pour lire le dernier numéro de E-Mobility Engineering.