Plus d'efficacité pour l'électronique de puissance

Sous la direction de l'Institut Ferdinand-Braun, le projet européen HiPoSwitch a été lancé. Il vise des convertisseurs d'énergie électroniques plus efficaces sur le plan énergétique, plus compacts et plus performants pour diverses applications, notamment dans la technologie de l'information et de la communication ou dans la conversion de l'énergie solaire. Les partenaires du projet couvrent toute la chaîne de valeur, du développement des composants à leur exploitation industrielle.

Une faible consommation d'énergie et de hautes performances sont les exigences centrales des systèmes modernes de convertisseurs de puissance. Ils doivent préserver les ressources tout en traitant des volumes de données de plus en plus importants. Les transistors de puissance sont les composants élémentaires des convertisseurs de puissance électroniques, qui transforment le courant continu et alternatif en différentes tensions. Ils se trouvent dans presque tous les appareils techniques ; dans le domaine des technologies de l'information et de la communication, ils jouent un rôle central dans des stations de base mobiles, par exemple. D'autres domaines d'application incluent les alimentations en courant continu / alternatif pour ordinateurs, réseaux et mémoires, ainsi que les convertisseurs solaires, véhicules électriques et hybrides.

Le projet européen HiPoSwitch, coordonné par l'Institut Ferdinand-Braun, s'intéresse durant les trois prochaines années à de nouveaux transistors à base de nitrure de gallium. Ils devraient permettre, dans les futurs systèmes de convertisseurs de puissance, de réduire le volume et le poids tout en augmentant la puissance. L'efficacité des systèmes actuels est généralement limitée par les composants actifs utilisés. Aujourd'hui, on utilise principalement des composants à base de silicium ou de carbure de silicium. Cependant, la technologie du silicium a atteint ses limites ou, dans le cas du carbure de silicium, est très coûteuse. Le nitrure de gallium (GaN) offre de meilleures propriétés matérielles. Avec des composants à base de GaN, il est possible de faire fonctionner des interrupteurs de puissance à des fréquences nettement plus élevées, sans devoir accepter des pertes de commutation significatives. La raison en est la résistance à l'allumage nettement inférieure des transistors de puissance GaN, qui, combinée à des capacités d'entrée et de sortie considérablement réduites, conduit à un comportement de commutation nettement amélioré. Avec une fréquence de commutation plus élevée, la taille des composants passifs tels que les bobines, transformateurs de courant et condensateurs peut également être considérablement réduite — l'ensemble du module devient plus petit. Les transistors sont construits sur des substrats de silicium peu coûteux, ce qui les rend très intéressants d'un point de vue économique, car ils combinent à long terme de meilleures propriétés techniques avec des coûts relativement faibles.

5,6 millions d'euros sont investis dans le projet collaboratif avec huit partenaires européens ; la contribution de l'UE s'élève à 3,6 millions d'euros. Les compétences des partenaires couvrent toute la chaîne de valeur, de la recherche et développement (Institut Ferdinand-Braun, Institut Leibniz pour la haute fréquence (FBH), Académie slovaque des sciences, Université technique de Vienne, Université de Padoue) jusqu'à l'exploitation industrielle (AIXTRON SE, Artesyn Austria GmbH & Co. KG, EpiGaN, Infineon Technologies Austria AG). À l'issue du projet, des transistors de puissance GaN et des substrats GaN sur silicium de 200 mm seront disponibles industriellement et commercialisés dans le monde entier.

Réseau étroit : développement des composants et transfert industriel
L'Institut Ferdinand-Braun de Berlin et Infineon Technologies Austria développent conjointement dans le cadre du projet des transistors de puissance GaN à verrouillage automatique en architecture verticale. La fabrication des transistors se fait principalement sur des wafers de GaN sur Si de la société EpiGaN ; pour le benchmarking, des structures sur wafers de GaN sur SiC de la FBH sont également testées en parallèle. Les modules de processus du FBH doivent être transférés aussi rapidement que possible à un processus industriel adapté à la production de masse chez Infineon. Des concepts exploratoires pour de nouveaux transistors de puissance GaN à verrouillage automatique, capables de fonctionner à des températures allant jusqu'à 250°C, sont également étudiés. La Université technique de Vienne et l'Académie slovaque des sciences à Bratislava posent ainsi déjà dans le cadre du projet les bases pour une future évolution des technologies. Toutes les activités de développement sont accompagnées d'études continues de fiabilité et de défaillance. La Université de Padoue apporte notamment son expérience approfondie en tests de fiabilité des composants GaN et en mécanismes de défaillance.

Parallèlement au développement des composants, les partenaires industriels travaillent à transférer la technologie dans un environnement industriel pour la fabrication de grandes séries : la société belge EpiGaN se concentre sur le développement d'épitaxies GaN sur Si de 200 mm, tandis que l'entreprise allemande AIXTRON optimise ses réacteurs d'épitaxie pour le débit de grandes quantités. Infineon Technologies Austria AG évalue quant à elle dans sa ligne de processus les concepts de transistors développés et les wafers GaN sur Si d'EpiGaN. Artesyn Austria démontrera la performance de la nouvelle technologie à l'aide d'un système d'onduleurs très efficace de classe kilowatt, destiné par exemple à être utilisé dans les stations de base de dernière génération pour la communication mobile.