Comment les dispositifs à large bande interdite améliorent la densité de puissance des convertisseurs

Principaux enseignements

• Les dispositifs à large bande interdite permettent d'augmenter la densité de puissance grâce à une chaîne qui va de la réduction des pertes de commutation à l'augmentation de la fréquence, en passant par la miniaturisation des composants passifs, chaque maillon fixant sa propre limite.
• Le flux thermique et l'inductance parasite deviennent des contraintes déterminantes dès lors que les composants magnétiques sont miniaturisés ; il faut donc aborder le rendement et le conditionnement comme un seul et même problème.
• Les convertisseurs à haute densité en SiC et GaN nécessitent une validation capable de détecter les fronts de commutation individuels, car les modèles de test plus lents masquent les défauts de synchronisation mis en évidence par cette densité.

Les composants à large bande interdite augmentent la densité de puissance des convertisseurs, car ils réduisent suffisamment les pertes de commutation pour permettre un fonctionnement à plus haute fréquence ; or, une commutation plus rapide entraîne une réduction de la taille de presque tous les composants autour du transistor.

Ces progrès sont suffisamment importants pour redéfinir les attentes. Une équipe de recherche a récemment réussi à intégrer une puissance de 500 kW dans un onduleur d’un litre de volume, basé sur des commutateurs en carbure de silicium (SiC) ; un résultat que ses concepteurs estiment être 2,5 fois supérieur à celui des meilleurs systèmes disponibles à ce jour. De tels chiffres sont le fruit d’une série de choix qui commence au niveau du composant et s’étend aux éléments magnétiques, aux condensateurs et au circuit de refroidissement.

Chaque maillon de cette chaîne se resserre à mesure que le boîtier devient plus petit, et c’est généralement le maillon le plus serré qui fait office de test décisif. Une conception dense en électronique de puissance laisse moins de marge d’erreur en matière d’agencement, de gestion thermique et de synchronisation des commandes. Votre banc d’essai doit pouvoir détecter des événements qui ne durent que quelques dizaines de nanosecondes, sans quoi la densité que vous avez obtenue sur le papier ne survivra pas au premier prototype. La densité se gagne au niveau du composant et se maintient sur le banc d’essai.

Quels sont, concrètement, les semi-conducteurs à large bande interdite ?

Les semi-conducteurs à large bande interdite sont des matériaux tels que le SiC et le nitrure de gallium (GaN) qui nécessitent environ trois fois plus d’ Énergie s que le silicium pour libérer un électron. Cette propriété permet à un dispositif de bloquer la même tension avec une couche active beaucoup plus fine ; il conduit ainsi le courant avec moins de résistance et stocke moins de charge.

Imaginons deux commutateurs de 650 V présentant la même résistance à l'état passant, l'un en silicium et l'autre en GaN. Le composant en GaN utilise une puce bien plus petite, ce qui signifie une capacité moindre à charger et à décharger à chaque transition. Moins il y a de charge déplacée par cycle, moins il y a de pertes d'Énergie s par cycle, et ce gain se répète des centaines de milliers de fois par seconde.

Le SiC et le GaN se répartissent la plage de tension. Le SiC est utilisé pour les classes de tension comprises entre 800 V et 1 700 V, que l'on retrouve dans les onduleurs de traction et les convertisseurs de réseau, et il résiste bien à la chaleur. Le GaN est quant à lui particulièrement adapté aux tensions inférieures ou égales à 650 V, où sa vitesse est primordiale. Le choix entre les deux se fera d'abord en fonction de la tension, puis de la fréquence.

Pourquoi un FET au GaN commute plus rapidement que le silicium ?

Un FET au GaN commute plus rapidement que le silicium car il présente une charge de grille très faible, une charge de sortie très faible et aucune charge de récupération inverse à évacuer. Le courant circule à travers une fine couche d'électrons à haute mobilité à la surface du dispositif, ce qui permet au canal de s'ouvrir et de se fermer en quelques nanosecondes.

Les résultats des mesures le confirment. Les ingénieurs d’un laboratoire national ont mis au point des convertisseurs à base de composants en GaN qui commutent 10 à 20 fois plus vite que le silicium tout en présentant une perte d’ Énergie e moindre, avec pour objectif déclaré la conversion de puissance dans les centres de données. La récupération inverse est le détail qui importe le plus dans les ponts à commutation dure, tels que les étages de type « totem pole ». À chaque commutation, la diode de corps d’un MOSFET au silicium décharge la charge stockée vers le commutateur opposé, et cette perte augmente proportionnellement à la fréquence. Le GaN ne présente pas cet inconvénient, ce qui permet d’élever le plafond de fréquence.

Comment une fréquence de commutation plus élevée permet de réduire la taille des composants magnétiques à l'intérieur d'un convertisseur

Une fréquence de commutation plus élevée permet de réduire la taille des composants magnétiques, car une inductance ou un transformateur ne doit maintenir l'Énergie e que pendant une seule période de commutation. En raccourcissant cette période, le composant nécessite moins d'inductance, moins de spires et un noyau plus petit pour fournir la même puissance avec le même niveau d'ondulation.

Prenons, à titre d'exemple, un étage abaisseur générique de 48 V à 12 V présentant un courant d'ondulation de 4 A. À 100 kHz, l'inductance nécessaire est d'environ 22,5 µH. À 1 MHz, pour obtenir la même ondulation, il faut une inductance de 2,25 µH, soit une réduction de 10 fois.

Le volume ne diminue pas dans les mêmes proportions. Les pertes dans le noyau par unité de volume augmentent avec la fréquence, et les pertes d'enroulement s'accroissent à mesure que le courant se concentre vers la surface du conducteur. Il arrive souvent que l'on doive opter pour une ferrite différente, un fil Litz ou un enroulement plan intégré au circuit imprimé, simplement pour maintenir la température.

Les condensateurs fonctionnent selon le même principe, avec leur propre seuil minimal. La capacité de filtrage diminue avec la fréquence, mais le circuit intermédiaire en courant continu doit tout de même supporter le courant d'ondulation et résister à la température de son point chaud. L'avantage réel réside dans un ensemble de composants passifs plus petit, fonctionnant plus près de ses limites.

Qu'est-ce qui limite la densité de puissance d'un convertisseur lorsque la taille des composants passifs diminue ?

La dissipation thermique et l'inductance parasite limitent la densité de puissance du convertisseur dès lors que les composants passifs sont miniaturisés. Les pertes, qui se répartissaient auparavant sur un grand dissipateur thermique, se concentrent désormais sur quelques centimètres carrés de puce et de carte, et chaque nanohenry présent dans la boucle de commutation transforme les fronts de courant rapides en dépassements de tension.

Un convertisseur de 10 kW avec un rendement de 99 % génère tout de même environ 100 W de chaleur. À 98 %, ce chiffre double, tout comme la taille du système de refroidissement. 

« L'efficacité et la densité sont deux facettes d'un même problème ; c'est pourquoi une perte de 1 % justifie une refonte. »

Le schéma de disposition met en évidence les limites en termes de chiffres. Une boucle de 10 nH traversée par un courant dont la vitesse de variation est de 2 A par nanoseconde génère un dépassement de 20 V, et un composant plus rapide ne fait qu’aggraver ce phénomène. La solution consiste à opter pour un boîtier plus compact, ce qui rapproche les composants les uns des autres et aggrave encore les problèmes thermiques.

Les produits électrifiés où la densité de puissance porte ses fruits en premier lieu

La densité de puissance est particulièrement rentable lorsque le volume ou le poids ont un impact direct sur les coûts, c'est-à-dire dans le cas des véhicules et des alimentations électriques pour serveurs. Un chargeur embarqué plus compact libère de l'espace pour les cellules de batterie, tandis qu'une alimentation plus dense fournit davantage de watts à un rack sans occuper plus d'espace au niveau des étagères.

Ces deux cas font appel à des dispositifs différents. Un onduleur de traction de 800 V repose sur le SiC, car la tension du bus et la chaleur générée sous le capot excluent la plupart des alternatives. Une alimentation pour serveur utilise du GaN dans son étage d’entrée et son étage CC/CC isolé, où des fréquences de plusieurs centaines de kilohertz permettent de réduire suffisamment la taille du transformateur pour qu’il s’intègre dans un profil 1U. Ces deux projets partagent une contrainte commune : la conception retenue sera celle qui atteindra son objectif de rendement dans les limites de taille imposées par le produit, et cet objectif ne laisse que très peu de marge pour une refonte de dernière minute.

Ce qui devient plus difficile à valider à une fréquence de commutation élevée

La résolution temporelle devient plus difficile à valider à des fréquences de commutation élevées, car les événements qui déterminent les pertes et la stabilité se succèdent plus rapidement que ne le permet la capacité de détection des équipements de test. 

« Un simulateur dont la vitesse est inférieure à la période de commutation masque le comportement que vous devez vérifier. »

Prenons l'exemple d'un étage fonctionnant à 500 kHz avec une période de 2 µs. Un modèle « Simulation HIL » mis à jour toutes les 10 µs ne peut pas intégrer le moindre front de porte, sans parler d'un temps mort de 50 ns qui représente déjà 2,5 % de la période. Votre contrôleur perçoit une installation lissée et réussit des tests auxquels il échouerait sur du matériel réel.

Les cinq vérifications deviennent plus difficiles à mesure que la fréquence augmente.

• Positionnement des fronts de porte par rapport au pas de temps de la simulation
• Effets du temps mort sur la distorsion du courant
• Réponse de protection en cas de défaut de conduction croisée
• Temps de retard de la boucle de régulation entre l'échantillonnage et la mise à jour de la modulation de largeur d'impulsion
• Comportement d'un circuit résonnant à la limite de la commutation en mode souple

La résolution basée sur un FPGA comble cette lacune. OPAL-RT a développé le solveur eHS pour suivre en temps réel les commutations à haute fréquence sur le FPGA, ce qui permet de tester votre contrôleur SiC et GaN à la vitesse de fonctionnement du convertisseur. Cette fidélité est primordiale pour les défauts qu’il est impossible de simuler en toute sécurité sur un prototype.

La vitesse de validation détermine jusqu’où peut aller une conception dense

La vitesse de validation détermine jusqu’où peut aller la densification d’une conception, car chaque gain de densité réduit la marge qui servait auparavant à masquer les erreurs. Le dispositif permet de passer plus rapidement d’une étape à l’autre, et le banc d’essai doit suivre le rythme, sans quoi les parties non vérifiées de la conception se traduiront par des défaillances sur le terrain.

Ce schéma se retrouve dans les programmes de conversion de toutes tailles, et il est facile à repérer. Les équipes qui considèrent le dispositif comme une fin en soi consacrent tout leur temps à des itérations de la carte. Celles qui planifient l’ensemble de la chaîne, de la puce aux composants passifs en passant par le refroidissement et les tests, identifient les problèmes complexes alors qu’ils sont encore peu coûteux à résoudre. Un contrôleur validé sur un modèle d’installation qui prend en compte chaque front de commutation arrive à la phase de test de puissance avec bien moins de surprises.

C’est ce qu’exige la discipline du « wide bandgap ». Choisissez le composant adapté à la tension et à la fréquence dont vous avez besoin, dimensionnez les composants magnétiques en fonction des pertes et de l’inductance, et assurez une dissipation thermique rapide. Testez ensuite le système à la vitesse à laquelle le matériel fonctionne. OPAL-RT prend en charge cette dernière étape grâce à une simulation en temps réel suffisamment rapide pour les convertisseurs que vous développez actuellement.