Convertisseurs DC/DC à base de HFETs GaN pour
applications spatiales

Alimentations à haute fréquence de découpage basées sur des FET GaN

Le but des présents travaux est d’évaluer dans quelle mesure l’emploi de HFET GaN permet de réduire l’encombrement ou d’améliorer le rendement de convertisseurs DC/DC isolés pour la problématique bien spécifique de l’alimentation de certains équipements de satellites. Bien que la littérature existante couvre principalement les applications de la technologie GaN à l’électronique de puissance dans des environnements plus classiques, il reste intéressant d’en faire un rapide tour d’horizon en guise de conclusion de cette mise en contexte. 

Travaux à base de transistors non-commerciaux

Avant la commercialisation des premiers FET GaN réellement conçus pour les alimentations à découpage, le potentiel de la technologie était évident et des résultats encourageants étaient déjà rapportés par plusieurs laboratoires dotés des moyens de réaliser des prototypes de transistors GaN. Dans ces travaux, ils étaient généralement mis en œuvre dans une cellule de conversion boost où le transistor, simplement accompagné d’une diode Schottky et d’une inductance, peut être facilement commandé puisque référencé à la masse. Ainsi en 2008, une équipe de Toshiba rapporte un rendement entre 90% et 95% sur la plage 20 − 120W avec un composant GaN-on-sapphire dans un convertisseur boost découpant à 1 MHz et délivrant une tension de 350 V [18]. La même année, une équipe de Cree utilise un transistor fabriqué selon leur technologie de HEMT RF GaN-on-SiC (normalement passant) pour réaliser un convertisseur boost 175 V → 300 V . A une fréquence de commutation de 1 MHz, le rendement obtenu dépasse 97% sur la plage 50 − 300W [19]. Les deux années suivantes, des transistors GaN-on-Si normalement bloqués développés aux HRL Laboratories et à l’imec sont à leur tour mis en œuvre dans des convertisseurs boost opérant à plusieurs centaines de kilohertz et quelques centaines de volts [20, 21]. Les rendements atteints dans ces conditions expérimentales dépassent les 90%. 

Convertisseurs basés sur la famille eGaN

La disponibilité commerciale des transistors de la famille eGaN a marqué une étape importante. De la réalisation de composants et leur évaluation dans la structure de conversion la plus simple, le champ de recherche a pu s’orienter vers l’emploi de ces transistors dans le développement de convertisseurs aux topologies plus sophistiquées en s’ouvrant à des équipes d’électroniciens de puissance n’étant pas forcément adossées à des plateformes technologiques de fabrication de semiconducteurs. Concernant les topologies non isolées, donc pas directement d’intérêt dans le cadre de notre étude, on notera tout de même des travaux portant sur des convertisseurs buck à une ou plusieurs phases [22, 23] qui mettent une emphase particulière sur les aspects pratiques de la mise en œuvre – notamment l’optimisation du routage des mailles haute fréquence (commande d’une part et puissance d’autre part) afin de minimiser leurs inductances parasites. Ces problématiques sont communes à la majorité des topologies et il faudra tout autant en tenir compte dans des convertisseurs isolés pour maximiser la vitesse de commutation et minimiser les surtensions 40 subies par les transistors. Du côté des topologies isolées, [24] propose une approche originale de flyback très bas profil basé sur un transformateur plan sans noyau (réalisé en technologie PCB) et un interrupteur cascode utilisant un FET eGaN comme transistor basse tension pour commander un MOSFET silicium 600 V avec peu de pertes par pilotage de grille à des fréquences autour de 3 MHz. Dans [25], un convertisseur Dual Active Bridge (DAB) 150 V → 12 V de 150W atteint un rendement supérieur à 94% en découpant à 1 MHz, remarquablement élevé pour un tel couple tension / fréquence. Ceci met en évidence l’intérêt de composants à faibles capacités parasites, même dans les topologies à commutations douces. Une alimentation résonante LLC 48 V → 12 V 300W, application télécom typique, est présentée dans [26] sous deux versions découpant à 500 kHz : l’une utilise des MOSFET silicium et l’autre des HFET GaN. En utilisant 4 transistors en parallèle pour réaliser les redresseurs synchrones, cette dernière version reste au-dessus de 96% dans toute la gamme 60 − 300W avec un maximum à 97,5%. Le gain par rapport à la version silicium est cependant modéré (0,3%) ce que les auteurs expliquent par la prépondérance des pertes dans le transformateur qui restent inchangées. On voit là ressortir un thème récurrent de l’augmentation du rendement et de la densité de puissance des convertisseurs DC/DC : les éléments magnétiques restent souvent un point délicat en terme de maitrise des pertes. Le même type de cahier des charges est approché dans [27] avec une topologie pont complet à transformateur planar intégré, sans inductance externe. Les résultats expérimentaux montrent qu’il est possible de remplacer des MOSFET silicium découpant à 800 kHz par des FET eGaN à 1, 6 MHz et obtenir un rendement égal ou supérieur de 1 à 2%, dépassant ainsi les 96% sur la plage 100 − 350W. La possibilité mise en avant par ces travaux de se passer de composants magnétiques séparés en exploitant les parasites du transformateur pour réaliser une inductance (de valeur suffisante vu la fréquence de découpage élevée) est a priori séduisante d’un point de vue industriel, bien que ce type d’intégration recèle souvent des compromis de conception qu’il s’agit de bien identifier. Figure 1.4.3 – Prototype de convertisseur PSFB 1 kW (photo Ramachandran et al) 41 Le pont complet à déphasage (Phase Shift Full Bridge, PSFB) de [28] est remarquable par la différence de son approche : une fréquence de découpage très basse, seulement 50 kHz, est choisie pour ce convertisseur 130 V → 52 V de 1 kW. Ceci lui permet d’atteindre jusqu’à 98,8% de rendement, au prix d’un volume d’éléments magnétiques (transformateur et inductance de sortie) qui domine très largement celui du reste des composants, comme le montre la figure 1.4.3. Enfin il est intéressant de remarquer que, malgré leur petite taille, les HFET GaN disponibles aujourd’hui ne sont pas forcément limités à des applications de quelques centaines de watts, pour peu qu’ils soient mis en œuvre de façon pertinente. Un convertisseur bidirectionnel isolé 10 kW à fort rapport de transformation (540 V → 28 V) pour application aéronautique est présenté dans [29]. Sa topologie multicellulaire sophistiquée utilise un coupleur magnétique pour interconnecter 2 × 4 phases à base de MOSFET SiC 1200 V à autant de cellules de redressement basse tension comptant chacune 2 HFET GaN en parallèle. La fréquence de découpage de chaque phase est de 100 kHz, elle résulte en une fréquence apparente (vue par les filtres) de 400 kHz ou 800 kHz selon la configuration. On peut conclure cette revue en affirmant que l’apparition récente de HFET GaN adaptés à l’électronique de puissance permet d’envisager des gains en rendement ou en densité de puissance sur une gamme de topologies DC/DC plus ou moins classiques, en donnant au concepteur d’alimentations – et tout spécialement d’alimentations spatiales – de nouveaux outils prometteurs qu’il s’agit d’exploiter au mieux.