Commutateur GaN bidirectionnel pour conversion haute tension

L’amélioration du rendement et la réduction du nombre de composants restent des objectifs majeurs dans l’électronique de puissance utilisée dans les énergies renouvelables, la mobilité électrique et les infrastructures énergétiques numériques. Dans ce contexte, Renesas Electronics Corporation a présenté un commutateur GaN bidirectionnel haute tension conçu pour permettre des topologies de conversion à étage unique plus simples.

Réduction du nombre de commutateurs dans les architectures de conversion
La plupart des conceptions de convertisseurs haute puissance reposent sur des commutateurs unidirectionnels en silicium ou en carbure de silicium (SiC), capables de bloquer le courant dans une seule direction à l’état bloqué. Cela nécessite généralement des architectures de conversion multi-étages avec plusieurs circuits en pont.

Les micro-onduleurs solaires illustrent cette contrainte. Une conception typique utilise un pont complet à quatre commutateurs pour la conversion DC-DC, suivi d’un autre étage pour la conversion DC-AC. Même dans les conceptions à un seul étage, les ingénieurs compensent souvent en connectant des commutateurs conventionnels en configuration back-to-back, ce qui augmente le nombre de composants et les pertes de commutation.

La conception GaN bidirectionnelle intègre la capacité de blocage inverse dans un seul composant, permettant une conversion de puissance en un seul étage avec moins de commutateurs. Dans une implémentation représentative de micro-onduleur solaire, deux composants bidirectionnels Renesas SuperGaN^® peuvent remplacer des ensembles de commutation plus importants tout en supprimant les condensateurs intermédiaires du bus DC.

Comportement de commutation et impact sur le rendement
Les dispositifs de commutation GaN permettent des fréquences de commutation plus élevées grâce à une faible charge stockée et des transitions rapides, ce qui favorise des conceptions à plus forte densité de puissance.

Des essais réalisés dans une configuration de micro-onduleur solaire à un seul étage ont montré un rendement de conversion supérieur à 97,5 %, grâce à l’élimination des configurations back-to-back et des commutateurs en silicium plus lents.

Cette technologie est ainsi adaptée à des systèmes tels que les alimentations électriques pour centres de données d’IA, les chargeurs embarqués pour véhicules électriques et les convertisseurs solaires distribués, où les pertes de commutation influencent directement la conception thermique et le rendement global du système.

Architecture du composant GaN et compatibilité des pilotes de grille
Le TP65B110HRU intègre un composant GaN haute tension en mode déplétion avec deux MOSFET en silicium basse tension. La conception présente une tension de seuil typique de 3 V, une tolérance de grille de ±20 V et des diodes de corps intégrées permettant la conduction inverse.

Contrairement aux composants GaN bidirectionnels en mode enrichissement, ce commutateur fonctionne avec des pilotes de grille standard sans nécessiter de polarisation négative. Cela réduit la complexité du circuit de commande et permet une commutation stable en conditions de commutation dure comme douce.

Pour les topologies à commutation dure telles que les redresseurs Vienna, le composant offre une capacité dv/dt supérieure à 100 V/ns, permettant des transitions rapides avec des oscillations limitées et des délais de commutation réduits.

Paramètres électriques et aspects d’intégration
Le composant prend en charge un fonctionnement AC/DC continu jusqu’à ±650 V ainsi que des tensions transitoires jusqu’à ±800 V, avec une valeur typique de RDS(on) de 110 mΩ à 25 °C.

Parmi les autres caractéristiques figurent une immunité dv/dt supérieure à 100 V/ns, une chute de tension de 1,8 V sur la diode de roue libre, ainsi qu’un boîtier TOLT refroidi par le dessus avec un brochage standard de l’industrie pour faciliter la gestion thermique et l’intégration sur PCB.

Kits d’évaluation et conceptions de référence
Un kit d’évaluation (RTDACHB0000RS-MS-1) permet des essais avec différentes configurations de pilotage, la détection du passage par zéro du courant alternatif et la mise en œuvre de la commutation à tension nulle (ZVS).

Le composant fait également partie des conceptions de référence système de Renesas, notamment un micro-onduleur solaire de 500 W et des plateformes de redresseurs Vienna triphasés, combinant des contrôleurs, pilotes de grille et circuits intégrés de gestion de puissance compatibles afin de réduire la complexité de conception et les risques d’intégration.

Édité par la journaliste industrielle Aishwarya Mambet, avec assistance de l’IA.

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