Plateforme de développement pour l'électronique de puissance GaN

Rutronik a élargi son portefeuille de solutions en électronique de puissance avec une nouvelle plateforme d'évaluation destinée au développement de systèmes d'entraînement de moteurs et de conversion d'énergie basés sur le nitrure de gallium (GaN). Cette plateforme combine une technologie avancée de microcontrôleurs, des semi-conducteurs GaN, des composants de détection et des fonctions de protection dans un environnement de développement unique destiné aux applications où le rendement, la densité de puissance et l'intégration système sont des critères essentiels.

Semi-conducteurs GaN dans l'électronique de puissance moderne
Les transistors à haute mobilité électronique en nitrure de gallium (GaN HEMT) sont de plus en plus utilisés dans l'électronique de puissance grâce à leurs propriétés matérielles qui permettent des fréquences de commutation plus élevées que les MOSFET traditionnels à base de silicium.

Cette technologie bénéficie d'une forte mobilité électronique, d'une faible charge de grille et de capacités parasites réduites. Ces caractéristiques permettent de diminuer les pertes de commutation et la production de chaleur tout en autorisant l'utilisation d'inductances, de condensateurs et de systèmes de refroidissement plus compacts. Les ingénieurs peuvent ainsi concevoir des convertisseurs de puissance plus compacts, offrant une densité de puissance plus élevée et une meilleure efficacité énergétique.

Bien que les dispositifs GaN présentent généralement un coût unitaire supérieur à celui des solutions en silicium, leur adoption peut être économiquement avantageuse à l'échelle du système. La réduction des besoins en refroidissement, la diminution du nombre de composants passifs et la simplification de l'architecture du système peuvent compenser le coût plus élevé des semi-conducteurs et contribuer à réduire le coût total de possession.

Architecture de contrôle numérique pour la commutation haute fréquence
La plateforme d'évaluation repose sur la famille de microcontrôleurs PSOC Control basée sur l'architecture Arm Cortex-M33. Ce contrôleur est optimisé pour les applications de conversion d'énergie numérique et de commande de moteurs nécessitant des temps de réponse rapides et un comportement de contrôle déterministe.

Parmi ses principales caractéristiques figurent une modulation de largeur d'impulsion (PWM) à haute résolution avec une précision inférieure à 100 picosecondes, des convertisseurs analogique-numérique atteignant 12 millions d'échantillons par seconde, ainsi que des comparateurs haute vitesse intégrés présentant des temps de réponse inférieurs à 10 nanosecondes.

La plateforme intègre également des accélérateurs matériels tels que le traitement CORDIC et une architecture de déclenchement à faible latence. Ces fonctionnalités permettent l'exécution fiable d'algorithmes de contrôle avancés à des fréquences de commutation élevées, typiques des systèmes de puissance basés sur le GaN.

Prise en charge des entraînements moteurs et des convertisseurs DC-DC
Le kit de développement prend en charge plusieurs topologies de conversion de puissance. Il est compatible avec les entraînements moteurs triphasés BLDC et PMSM en 48 V ainsi qu'avec les applications de convertisseurs abaisseurs DC-DC.

L'association d'un contrôle numérique rapide et de transistors GaN HEMT intégrés permet d'évaluer des architectures de commutation haute fréquence susceptibles d'améliorer le rendement de conversion tout en réduisant la taille des composants magnétiques.

Ces capacités sont particulièrement adaptées aux systèmes d'automatisation industrielle, aux plateformes de mobilité électrique, aux équipements destinés aux énergies renouvelables et aux infrastructures d'alimentation des télécommunications, où l'efficacité énergétique et la compacité constituent des objectifs de conception majeurs.

Fonctions intégrées de protection et de mesure du courant
La plateforme intègre plusieurs mécanismes de protection destinés à simplifier le développement et à améliorer la fiabilité des systèmes.

Parmi ceux-ci figurent la protection contre les courants d'appel, la détection matérielle des surintensités et la mesure du courant à l'aide de la technologie de détection par magnétorésistance tunnel (TMR) développée par Infineon Technologies.

Une mesure précise du courant et une détection rapide des défauts sont essentielles dans les systèmes de puissance à haute fréquence, où les événements de commutation se produisent sur des intervalles de temps extrêmement courts. Les fonctions de protection intégrées facilitent la validation des conceptions tout en réduisant la complexité du développement.

Développement orienté système et prototypage rapide
La plateforme adopte une approche de développement au niveau système en intégrant plusieurs technologies provenant du portefeuille de composants de Rutronik. Elle comprend des interfaces de mesure, des possibilités d'extension ainsi qu'une compatibilité avec les cartes de développement basées sur Arduino.

Cette architecture permet aux ingénieurs d'évaluer différentes configurations matérielles, de valider des algorithmes de contrôle et de tester des conceptions spécifiques avant leur transfert vers du matériel destiné à la production.

Cette approche reflète une tendance plus large dans le domaine de l'électronique de puissance, où les plateformes d'évaluation fournissent de plus en plus des environnements de référence complets plutôt que de se concentrer uniquement sur des composants semi-conducteurs individuels.

Applications dans l'automatisation industrielle et les systèmes énergétiques
La plateforme cible plusieurs secteurs d'application dans lesquels l'efficacité énergétique et la compacité deviennent des exigences de performance essentielles.

Les applications industrielles comprennent les servocommandes, les systèmes robotiques et les véhicules à guidage automatique (AGV). Dans le domaine des énergies renouvelables, les cas d'utilisation incluent les onduleurs solaires, les systèmes de stockage d'énergie par batteries et les infrastructures de recharge pour véhicules électriques. Les autres marchés visés comprennent les systèmes de mobilité électrique 48 V, les alimentations pour serveurs, les infrastructures de télécommunications, les équipements de maison intelligente et les appareils électroménagers.

La demande croissante de systèmes électriques à haut rendement dans ces secteurs stimule l'intérêt pour les technologies à semi-conducteurs à large bande interdite, capables d'offrir des performances supérieures à celles des dispositifs traditionnels à base de silicium.

Contexte supplémentaire
Cette section présente des spécifications techniques et des éléments de comparaison concurrentielle qui ne figuraient pas dans le communiqué de presse original.

Les plateformes de développement basées sur le GaN sont de plus en plus proposées par des fabricants de semi-conducteurs et des partenaires de l'écosystème tels que Texas Instruments, STMicroelectronics, Infineon Technologies, Navitas Semiconductor et EPC. Les principaux critères de comparaison incluent la fréquence de commutation, la densité de puissance, le rendement, l'intégration des pilotes de grille, les fonctions de détection et les performances du contrôle numérique.

Avec une résolution PWM inférieure à 100 ps, une capacité de conversion analogique-numérique de 12 MSPS et des temps de réponse des comparateurs inférieurs à 10 ns, cette plateforme se positionne dans la catégorie des systèmes de contrôle numérique de puissance à hautes performances. Les environnements de développement comparables associent souvent des composants GaN à des contrôleurs numériques, mais nécessitent parfois des circuits externes supplémentaires de protection et de mesure.

Dans les applications de commande de moteurs et de conversion d'énergie, la technologie GaN est fréquemment comparée aux solutions à base de MOSFET en silicium et de carbure de silicium (SiC). Alors que les dispositifs SiC dominent généralement les applications haute tension de plusieurs centaines de volts, les composants GaN sont souvent privilégiés dans les systèmes basse et moyenne tension grâce à leur capacité à fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées, permettant ainsi l'utilisation de composants passifs plus compacts et une densité de puissance accrue.

À mesure que l'automatisation industrielle, les infrastructures d'énergies renouvelables et les systèmes d'alimentation des centres de données exigent une efficacité toujours plus élevée, les plateformes d'électronique de puissance basées sur le GaN deviennent un outil important pour accélérer le développement de la prochaine génération d'architectures de conversion d'énergie.

Publié avec l’assistance de l’IA par Aishwarya Mambet, rédactrice pour Induportals.

www.rutronik.com