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Thierry Bouchet – Power Electronics Strategy Marketing Manager

DU SILICIUM AU GAN : L’HISTOIRE D’UNE RÉVOLUTION POUR L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

GaN

Si

| 2IRT Workshop , Thierry Bouchet | Novembre 20, 2018

C’EST QUOI L’ ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ?

Objectif: amélioration l’efficacité énergétique

Densité de puissance kW/l ou kW/kg

Coût $/W

Fiabilité

L’électronique de la Conversion d’énergie électrique

I,V,F

Efficacité x Densité de puissancecout

FOM =


C’EST IMPORTANT L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ?

Le formidable essor de l’électronique de puissance …

Cf Emphase

En 2030, 80% de l’énergie électrique produit sera convertie par l’EP !

% d’énergie électrique convertie par de l’EP aux Etats Unis


Renewable energy Electrical transportation modesBuilding, automation, lighting

POURQUOI AMÉLIORER L'EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE ?

Répondre aux enjeux de la transition énergétique

Population growth& aging

Mega cities

IOT & Big Data

+50% =2,7%/ y

CO2 emissionreduction

Ressourceslimited


ON AMÉLIORE COMMENT ?

Epi

Le composant actif est un axe essentiel de l’amélioration• Minimiser RON.S• Minimiser Qg,Coss,Ciss

Minimiser les pertes:• Conduction• Commutations


COMPOSANT ACTIF: 50 ANS D’HISTOIRE !

2001Cf YOLE


LA PERFORMANCE, C’EST UNE HISTOIRE DE MATÉRIAU …

Densité + forte• Tres faible Ron.S• Haute fréquence de commutation(> MHz)

Meilleures performancesintrinsèques


LE GAN A D’AUTRES ATOUTS …

Composant latéral(comme CMOS)

+ de fonctionalités• Composants bidirectionnel• GaN IC (circuit intégré GaN)

Faible coûtGaN/Si CMOS 200mm

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POUR AMÉLIORER, IL FAUT UNE APPROCHE SYSTÈME !

Replace Si devices by GaN=

Low benefits

IRT Workshop , Thierry Bouchet | Novembre 20, 2018

Thinking at system levelwith GaN capabilities

=Large benefits

GaN vs Si = 20 times

smaller!

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SI, SIC, GAN ? QUELLE TECHNO CHOISIR ?

Silicon 98% !

DISTRIBUTION > 1kW

Power supply 1kW

Consumers / computing Power supplies

Automotive HEV/EV DC-DC and AC-DC

Industry PV, motor control, UPS, PFC

Rail traction / smart grid Inverters

Silicon GaN/Si SiC

« Consumer »Low Power

(WATT)

Transportation / Industry »Medium Power (KWATT)

« Industry/PV/Grid »

High Power (MWATT)



GAN LA NOUVELLE REVOLUTION DES CONVERTISSEURS

Convertisseurlinéaire

Convertisseurà découpage

Convertisseur àdécoupage HF

Convertisseurà découpage

Den

sité

de

pu

issa

nce

(W

/in3 )

(co

nve

rtis

seu

r AC

-DC

~3

00W

)

Cf NAVITAS

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GAN OFFRE LA FONCTION BIDIRECTIONNELLE


400V3,6A

• 1MHz switching-up• Withstand voltage up to 400V• Tdon= 13ns and IDS=3,6A• No current collapse

Results

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GAN OFFRE DES ARCHITECTURES INNOVANTES

4 commutedcells

20

cm

25 cm

• DAB (Dual Active Bridge) architecture innovante pour convertisseur bidirectionnel AC-DC

Yellow: Vp1 Blue : Ir

• Electrical test: 350V at 300kHz• Validation of auto-commutation

drivers on the grid AC 230V.

Results

compact: forte densité de puissance

fiable= suppression capacité chimique

efficace= commutation douce


| 14

EXEMPLE APPLICATION: CHARGEUR EMBARQUÉ POUR VE

STATE OF THE ART

On/off-board charging

Target 2025


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GAN VA VITE! BESOIN DE DEVELOPPER DES MAGNÉTIQUES HF

100W, 1MHz alim AC-DC 240V AC 20 VDC

• Mettre en œuvre des magnétiques dissipant peu à haute fréquence• Réalisé au CEA et intégré dans un PCB= transformateur planar 1cm3

Faibles pertes 400mW/cm3 at 1,5 MHz & 25mT

compact

efficace

Prochaine étape: augmenter la puissance jusqu’au 250W pour alimentation de PC, serveur & Data centers.


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GAN OFFRE PLUS D’INTEGRATION: ONDULEUR INTÉGRÉ DANS MOTEUR

• 6 phases inverter using GaN devices• Converter integrated inside the housing of the 6

phases motor• Weight and volume saving• Modular design and reliability• Passive component reduction

Specifications and component requirements :

• Inverter Peak Power : 100KW• Frequency : 20-100KHz• GaN device : Unidirectional Normally Off 650V/240A module

Specifications and component requirements :

• Inverter Peak Power : 100KW• Frequency : 20-100KHz• GaN device : Unidirectional Normally Off 650V/240A module

4 GaN HEMT paralellized

Power board with 240A/650V power devices(Same electrical circuit)


| 17Leti Workshop @ Semicon West | July 11, 2017

GAN DIGNE SUCCESSEUR DU SILICIUM …

• Efficacité énergétique

• Performance / coût

• Miniaturisation (kW/kg, KW/l)

Leti, technology research instituteCommissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternativesMinatec Campus | 17 rue des Martyrs | 38054 Grenoble Cedex | Francewww.leti.fr

Contact:

Thierry BOUCHETEmail: [email protected]: +33.4.38.78.28.94Cell: +33.6.86.02.72.31

MERCI POUR VOTRE ATTENTION

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