L’heure est ve­nue pour l’éner­gie RF à se­mi-conduc­teurs

Les gains ob­te­nus avec le prin­cipe de gé­né­ra­tion d’éner­gie RF à par­tir de se­mi-conduc­teurs vont pro­fi­ter aux ap­pa­reils de cuis­son qui se­ront com­mer­cia­li­sés dans les deux ans à ve­nir. L’adop­tion de cette tech­no­lo­gie va en­suite ra­pi­de­ment s’étendre aux ap­pl

Electronique S - - Sommaire - MARK MUR­PHY, di­rec­teur se­nior du mar­ke­ting et du dé­ve­lop­pe­ment com­mer­cial de l’ac­ti­vi­té RF Po­wer de Ma­com

En termes de coût, lorsque deux tech­no­lo­gies concur­rentes convergent, c’est tou­jours la plus per­for­mante qui s’im­po­se­ra sur le mar­ché. Cette af­fir­ma­tion est consi­dé­rée comme un truisme dans l’éco­sys­tème de l’élec­tro­nique em­bar­quée et dans ce­lui de la tech­no­lo­gie des se­mi-conduc­teurs, bien que ces sec­teurs soient tri­but aires d’une my­riade de fac­teurs sus­cep­tibles d’in­fluen­cer la date exacte du point d’in­flexion. Pour un large éven­tail d’ap­pli­ca­tions al­lant de la cuis­son et l’éclairage jus­qu’au mé­di­cal et à l’au­to­mo­bile, les pro­grès réa­li­sés, à la fois dans les sys­tèmes d’éner­gie RF et dans les se­mi-conduc­teurs, sont sur le point de trans­for­mer des pans en­tiers de notre mar­ché com­mer­cial. Au ni­veau sys­tème, les li­mi­ta­tions in­hé­rentes aux ma­gné­trons, en tant que sources de cha­leur et d’éner­gie, sont à l’ori­gine d’in­no­va­tions consi­dé­rables dans les tech­niques de gé­né­ra­tion RF et de rayon­ne­ment haute-puis­sance contrô­lé. Du cô­té des se­mi-conduc­teurs, les faibles gains de per­for­mance at­ten­dus avec les LDMOS en si­li­cium ont contri­bué à l’es­sor du GaN sur si­li­cium (GaN-on-Si) sur la scène de l’in­dus­trie des se­mi­con­duc­teurs RF. L’évo­lu­tion en pa­ral­lèle de la tech­no­lo­gie d’éner­gie RF à base de se­mi-conduc­teurs et du GaN sur si­li­cium ouvre clai­re­ment la voie aux fa­bri­cants se dis­pu­tant le lea­der­ship sur les mar­chés com­mer­ciaux évo- qués pré­cé­dem­ment. Au fur et à me­sure que ces tech­no­lo­gies pro­gressent, que la sen­si­bi­li­sa­tion du mar­ché se dé­ve­loppe et que l’éco­no­mie sous-ja­cente se met en place, l’adop­tion à grande échelle de la tech­no­lo­gie d’éner­gie RF à se­mi­con­duc­teurs se pro­file à l’ho­ri­zon.

Au-de­là du ma­gné­tron

La ca­pa­ci­té de gé­né­rer et d’am­pli­fier des si­gnaux RF à l’aide de dis­po­si­tifs se­mi-conduc­teurs n’a en soi rien de nou­veau, un tel prin­cipe étant la pierre angulaire des com­mu­ni­ca­tions sans fil mo­dernes. Mais, au-de­là des ap­pli­ca­tions de trans­mis­sion de don­nées, l’éner­gie RF à se­mi-conduc­teurs offre un énorme po­ten­tiel. Elle est de plus en plus uti­li­sée pour pro­duire de la cha­leur et de l’éner­gie. Et ce, avec un ren­de­ment su­pé­rieur et un meil- leur contrôle que ce qu’il est en­vi­sa­geable d’ob­te­nir avec les ma­gné­trons tra­di­tion­nels, ces tubes à vide qui, no­tam­ment, ali­mentent les fours à mi­croondes de nos foyers de­puis 50 ans. L’une des prin­ci­pales la­cunes de la gé­né­ra­tion d’éner­gie RF avec un ma­gné­tron ré­side dans son in­ca­pa­ci­té de me­su­rer et d’adap­ter l’éner­gie émise et ré­flé­chie, à l’in­té­rieur de la ca­vi­té dans la­quelle elle est pro­duite. Les ma­gné­trons four­nissent une éner­gie brute en boucle ou­verte, tan­dis qu’avec les sources d’éner­gie RF mul­tian­ten­naires à se­mi-conduc­teurs, les ni­veaux de puis­sance di­recte et ré­flé­chie sont fa­ci­le­ment éva­lués et ajus­tés, grâce à un contrôle pré­cis en boucle fer­mée de la fré­quence, de la puis­sance de sortie, de la phase et de la mo­du­la­tion du si­gnal RF ( voir fi­gure). Les tran-

sis­tors RF offrent éga­le­ment une du­rée de vie dix fois su­pé­rieure à celle des ma­gné­trons, ce qui ga­ran­tit une fia­bi­li­té net­te­ment ac­crue. Si les ap­pli­ca­tions dé­jà ci­blées par l’éner­gie RF à se­mi-conduc­teurs sont nom­breuses, il est pro­bable que d’autres émer­ge­ront avec le dé­ve­lop­pe­ment et la com­mer­cia­li­sa­tion de la tech­no­lo­gie. Nous évo­que­rons pré­sen­te­ment cer­tains des mar­chés iden­ti­fiés, pour les­quels l’éner­gie RF est prête à être adop­tée à grande échelle dans les an­nées à ve­nir.

La cuis­son mi­cro-ondes à se­mi-conduc­teurs

Les fours à mi­cro-ondes à ma­gné­tron ac­tuels sont in­ca­pables de s’adap­ter en fonc­tion de l’éner­gie qui est ré­flé­chie pen­dant la cuis­son par les ali­ments pré­sents à l’in­té­rieur de la ca­vi­té. De plus, la ré­par­ti­tion uni­forme de la cha­leur est gé­né­ra­le­ment dé­pen­dante d’un pla­teau tour­nant dans le four. Cet ap­port d’éner­gie im­pré­cis se tra­duit sou­vent par une cuis­son ex­ces­sive et la pré­sence de points chauds, qui di­mi­nuent la va­leur nu­tri­tive des ali­ments, mais aus­si par la pré­sence de points froids dont l’im­pact est né­ga­tif sur la dé­gus­ta­tion du plat. En uti­li­sant plu­sieurs am­pli­fi­ca­teurs de puis­sance à se­mi-conduc­teurs et an­tennes, avec un contrôle en boucle fer­mée entre l’am­pli­fi­ca­teur RF et le syn­thé­ti­seur RF, qui per­met un ajus­te­ment en fonc­tion de l’ab­sorp­tion d’éner­gie et du rayon­ne­ment, l’éner­gie se­ra di­ri­gée

avec plus de pré­ci­sion vers l’en­droit où elle est né­ces­saire. Il en ré­sulte un contrôle op­ti­mal de la tem­pé­ra­ture. Plu­tôt que de s’ap­puyer sur des cap­teurs me­su­rant l’hu­mi­di­té dans la ca­vi­té de cuis­son – un mode de me­sure in­di­recte par­fois mis en oeuvre dans les fours à mi­cro-ondes à ma­gné­tron mo­dernes – les fours à mi­cro-ondes à se­mi-conduc­teurs me­surent les pro­prié­tés de l’ali­ment lui-même, pen­dant qu’il est en train de cuire. Ils s’adaptent à l’évo­lu­tion des condi­tions de charge et à l’état de cuis­son des ali­ments. Cette fa­cul­té fa­vo­rise la ré­ten­tion des nu­tri­ments, de l’hu­mi­di­té et de la sa­veur des pro­duits. L’adop­tion de fours à mi­croondes à se­mi-conduc­teurs com­men­ce­ra par le mar­ché de la cuis­son in­dus­trielle et com­mer­ciale, sur le­quel la va­leur ajou­tée ap­por­tée par ces sys­tèmes com­pen­se­ra lar­ge­ment le lé­ger sur­coût in­duit. Les uti­li­sa­teurs bé­né­fi­cie­ront d’avan­tages sen­sibles, tant au ni­veau de la fia­bi­li­té sys­tème et de la ra­pi­di­té de cuis­son des ali­ments que de la pro­duc­ti­vi­té. Cette tech­no­lo­gie mi­gre­ra en­suite vers les cui­sines do­mes­tiques, où un simple mé­ca­nisme de chauf­fage évo­lue­ra vers un ap­pa­reil ca­pable de cuire à moindre coût des re­pas plus sains, à plu­sieurs plats, avec un ren­de­ment sans pré­cé­dent.

L’éclairage par plas­ma à se­mi-conduc­teurs

L’éclairage plas­ma est en bonne voie pour sup­plan­ter l’éclairage à Led et l’éclairage HID ( High In­ten­si­ty Di­scharge, dé­charge haute-in­ten­si­té) dans de nom­breuses ap­pli­ca­tions, en sur­mon­tant les li­mi­ta­tions des an­ciennes lampes plas­ma à ma­gné­tron en termes de fia­bi­li­té et de du­rée de vie. Ty­pi­que­ment, il s’agit d’ap­pli­ca­tions né­ces­si­tant un spectre lu­mi­neux de grande qua­li­té et un nombre éle­vé de lu­mens, gé­né­rés à par­tir d’une pe­tite sur­face. Par rap­port aux sources de lu­mière tra­di­tion­nelles, les sources LEP ( Light-Emit­ting Plas­ma)

se ca­rac­té­risent en ef­fet par une den­si­té lu­mi­neuse ex­trê­me­ment éle­vée. Ain­si, une am­poule LEP de la taille d’une olive est apte à pro­duire 10 000 lu­mens. Un lu­mi­naire Led haute-den­si­té d’une puis­sance si­mi­laire oc­cu­pe­rait quant à lui en­vi­ron 50 cm2. Les LEP sont par consé­quent bien adap­tées aux en­vi­ron­ne­ments né­ces­si­tant un éclairage plus lu­mi­neux, et de meilleure qua­li­té que celle qui est four­nie par les Led, les HID ou les lampes ha­lo­gènes de format équi­valent. Les ap­pli­ca­tions vi­sées vont des phares de vé­hi­cules, des blocs opé­ra­toires des hô­pi­taux, des la­bo­ra­toires mé­di­caux, des en­do­scopes et des mi­cro­scopes à usage mé­di­cal j us­qu’aux dis­po­si­tifs d’éclairage de zones éten­dues, comme des parcs de sta­tionne- ment, des en­tre­pôts, des stades, des aé­ro­ports ou des ports. L’hor­ti­cul­ture est un do­maine dans le­quel l’éclairage plas­ma a dé­jà fait des per­cées consi­dé­rables. Les sys­tèmes d’éclairage hor­ti­cole, grands ou pe­tits, pro­fitent de la ca­pa­ci­té unique des LEP d’émettre une lu­mière conti­nue dans un spectre éten­du, sem­blable à la lu­mière du jour, y com­pris au ni­veau des rayons ul­tra­vio­lets UVA et UVB. Il n’est ici nul be­soin d’une conver­sion de phos­phore se­con­daire, comme dans le cas des Led.

Éner­gie RF et soins mé­di­caux

Les ap­pa­reils mé­di­caux à éner­gie RF ac­tuels sont conçus pour chauf­fer les cel­lules et les tis­sus bio­lo­giques, en res­tant aus­si peu in­va­sifs que pos­sible. Ce­la concerne cer­tains trai­te­ments mé­di­caux, al­lant de l’abla­tion d’une tu­meur à la sté­ri­li­sa­tion bac­té­rienne. Au ni­veau des se­mi-conduc­teurs, les dis­po­si­tifs sup­por­tant les fré­quences éle­vées (lon­gueurs d’onde plus courtes) amé­liorent la pré­ci­sion et le contrôle du champ d’éner­gie RF, pour un meilleur trai­te­ment. Pour leur part, les dis­po­si­tifs qui sup­portent une puis­sance de sortie éle­vée di­rigent plus d’éner­gie vers l’en­droit à trai­ter, pour déshy­dra­ter ou brû­ler les tis­sus in­dé­si­rables. La thé­ra­pie par hy­per­ther­mie est en train d’émer­ger ra­pi­de­ment comme une nou­velle ap­pli­ca­tion de choix pour l’éner­gie RF. Elle est gé­né­ra­le­ment pra­ti­quée en as­so­cia- tion avec d’autres trai­te­ments an­ti­can­cé­reux. L’éner­gie RF est uti­li­sée par les mé­de­cins pour éle­ver la tem­pé­ra­ture des tis­sus cor­po­rels du pa­tient à l’en­droit où se si­tue la tu­meur. La cha­leur contrô­lée (104 °F à 108 ° F, soit 40 ° C à 43 ° C) stresse les cel­lules can­cé­reuses et ra­len­tit leur mul­ti­pli­ca­tion, sans en­tra­ver la ré­pli­ca­tion d’ADN des cel­lules saines. Dans les pro­chaines an­nées, cette tech­nique re­cèle un grand po­ten­tiel dans le trai­te­ment prin­ci­pal du can­cer. Si l’on se tourne vers l’ave­nir, on peut ima­gi­ner que des dis­po­si­tifs mé­di­caux RF ser­vi­ront à ré­chauf­fer le sang et les or­ganes des­ti­nés à des trans­fu­sions ou à des trans­plan­ta­tions. Dans l’exemple de la trans­fu- sion san­guine, l’éner­gie RF per­met de chauf­fer ra­pi­de­ment et uni­for­mé­ment du sang ré­fri­gé­ré conser­vé en stock, sans gé­né­rer de toxines no­cives, au­to­ri­sant ain­si des trans­fu­sions ra­pides en si­tua­tion d’ur­gence. De la même ma­nière, la ca­pa­ci­té à conge­ler et à dé­con­ge­ler ra­pi­de­ment les or­ganes des don­neurs, sans cau­ser de dom­mages cel­lu­laires, pro­lon­ge­ra la du­rée de con­ser­va­tion des or­ganes, et aug­men­te­ra les chances de suc­cès d’une cor­res­pon­dance don­neur-re­ce­veur sur des pé­riodes et des dis­tances plus longues.

L’al­lu­mage au­to­mo­bile

Par­mi les nom­breuses ap­pli­ca­tions de l’éner­gie RF, l’al­lu­mage au­to­mo­bile à haut ren­de­ment est peut-être la plus pro­met­teuse, compte te­nu de l’énorme im­pact en­vi­ron­ne­men­tal des vé­hi­cules à com­bus­tion in­terne. Au­jourd’hui, des bou­gies sont mises à pro­fit pour ache­mi­ner le cou­rant élec­trique du sys­tème d’al­lu­mage jus­qu’à la chambre de com­bus­tion du mo­teur, et ain­si pro­duire une étin­celle pour en­flam­mer le mé­lange air-car­bu­rant com­pri­mé. Si un tel prin­cipe nous a bien ser­vis de­puis son in­ven­tion dans les an­nées 1800, l’éner­gie RF pro­met d’amé­lio­rer l’ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique des vé­hi­cules de 10 %, voire plus, tout en ré­dui­sant consi­dé­ra­ble­ment les émis­sions de di­oxyde de car­bone. En s’ap­puyant sur l’éner­gie RF plu­tôt que sur une bou­gie, le car­bu­rant pré­sent dans la chambre de com­bus­tion se­ra en­flam­mé de ma­nière

beau­coup plus uni­forme qu’avec un sys­tème d’al­lu­mage conven­tion­nel. Le contrôle pré­cis en conti­nu qu’au­to­rise l’éner­gie RF se tra­duit par une meilleure com­bus­tion du car­bu­rant qui, à son tour, a pour ef­fet de di­mi­nuer la consom­ma­tion et de ré­duire les émis­sions de gaz d’échap­pe­ment. Les construc­teurs au­to­mo­biles, aux prises avec des normes de plus en plus strictes en ma­tière d’émis­sions, sont très in­té­res­sés par la mise en oeuvre de sys­tèmes d’al­lu­mage à plas­ma RF, dans l’in­té­rêt de tous. Glo­ba­le­ment, une amé­lio­ra­tion de 10 % de l’ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique des vé­hi­cules à com­bus­tion in­terne consti­tue­rait un pro­grès sen­sible dans le contrôle des émis­sions de car­bone.

GaN sur si­li­cium et LDMOS à la croi­sée des che­mins

L’in­no­va­tion qui s’ac­cé­lère dans les sys­tèmes d’éner­gie RF va de pair avec les pro­grès sen­sibles ob­te­nus avec les se­mi­con­duc­teurs en GaN sur si­li­cium, vis-à-vis des LDMOS. Les dis­po­si­tifs à base de GaN, sus­cep­tibles d’être uti­li­sés dans les sys­tèmes d’éner­gie RF à se­mi-conduc­teurs, pré­sentent un com­pro­mis op­ti­mal entre per­for­mances, ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique, taille et fia­bi­li­té. Le tout à un coût de plus en plus at­trac­tif, s’ils sont pro­duits en vo­lume. Les bé­né­fices ap­por­tés par le GaN sur si­li­cium sont bien com­pris par tous. Là où un LDMOS se­ra li­mi­té en puis­sance ou en fré­quence, un tran­sis­tor en GaN sur si­li­cium of­fri­ra des per­for­mances ex­cep­tion­nelles. Le GaN four­nit une den­si­té de puis­sance brute consi­dé­ra­ble­ment plus éle­vée que ce qu’il est pos­sible d’ob­te­nir avec un LDMOS, avec la fa­cul­té d’adap­ter la tech­no­lo­gie du dis­po­si­tif aux fré­quences éle­vées. Le GaN sur si­li­cium se dis­tingue éga­le­ment par son ren­de­ment éle­vé : jus­qu’à 10 points de plus qu’avec un LDMOS. Bien ex­ploi­té, ce sur­croît de ren­de­ment au­ra un im­pact ma­jeur au ni­veau sys­tème dans le cas d’ap­pli­ca­tions d’éner­gie RF com­mer­ciales. La ten­sion de cla­quage éle­vée du GaN est un autre at­tri­but re­mar­quable, qui contri­bue à la ro­bus­tesse de la concep­tion fi­nale. En termes de struc­ture de coût, si l’on tient compte de la den­si­té de puis­sance su­pé­rieure du GaN sur si­li­cium et de l’évo­lu­ti­vi­té jus­qu’à des sub­strats de 8 pouces, cette tech­no­lo­gie de­vrait four­nir des dis­po­si­tifs RF plus éco­no­miques que les LDMOS, une fois pro­duits en grande sé­rie. Ne se­rait-ce qu’au ni­veau du coût en dol­lars par watt, avant même de par­ler des bé­né­fices ob­te­nus au ni­veau du sys­tème. Par ailleurs, la ca­pa­ci­té de l’in­dus­trie à pro­duire du GaN sur si­li­cium à l’échelle com­mer­ciale, à main­te­nir des stocks, et à ré­pondre à des pics de de­mande, est dé­sor­mais bien éta­blie. Les pro­grès en pa­ral­lèle de la feuille de route tech­no­lo­gique du GaN et de la chaîne d’ap­pro­vi­sion­ne­ment de ce ma­té­riau ont per­mis la mise en place des struc­tures d’évo­lu­tion et de coûts né­ces­saires pour que le GaN sur si­li­cium ac­cé­lère sa pé­né­tra­tion dans les ap­pli­ca­tions com­mer­ciales fai­sant ap­pel à l’éner­gie RF. Pour les concep­teurs de sys­tèmes et les fa­bri­cants qui éva­luent le rap­port per­for­mances/prix des LDMOS comme sources d’éner­gie RF, les se­mi-conduc­teurs en GaN sur si­li­cium sont de plus en plus at­trac­tifs et sur le point de rem­pla­cer les LDMOS dans ce type d’ap­pli­ca­tions.

Un ef­fort co­or­don­né

Comme avec toute nou­velle tech­no­lo­gie, la vi­tesse d’adop­tion com­mer­ciale de l’éner­gie RF dé­pend en grande par­tie des ef­forts des ac­teurs du mar­ché pour éta­blir des normes com­munes. La RFEA ( RF

Ener­gy Al­liance) conduit cette ini­tia­tive, avec l’ap­pui des lea­ders de l’in­dus­trie des se­mi­con­duc­teurs RF, des fa­bri­cants d’ap­pa­reils com­mer­ciaux, et d’autres. Cette al­liance à but non lu­cra­tif a pour but d’ai­der à la stan­dar­di­sa­tion de com­po­sants, de mo­dules et d’in­ter­faces ap­pli­ca­tives de sys­tèmes d’éner­gie RF à se­mi-conduc­teurs. Il en ré­sul­te­ra une ré­duc­tion des coûts sys­tème, une sim­pli­fi­ca­tion des de­si­gns, une in­té­gra­tion fa­ci­li­tée des ap­pli­ca­tions et une adop­tion plus ra­pide par le mar­ché. L’al­liance RFEA s’ef­force de fa­ci­li­ter la concep­tion sys­tème et or­ga­nise fré­quem­ment des ate­liers tech­niques afin de tra­cer des grandes lignes pour l’in­dus­trie, comme la feuille de route des am­pli­fi­ca­teurs RF des­ti­nés aux ap­pa­reils mé­na­gers. Les fa­bri­cants d’ap­pa­reils com­mer­ciaux ont pris conscience de l’énorme op­por­tu­ni­té com­mer­ciale que re­pré­sen­taient les sys­tèmes d’éner­gie RF à se­mi­con­duc­teurs en GaN, qui éli­minent la plu­part des in­con­vé­nients des so­lu­tions à ma­gné­tron. Mais les concep­teurs de sys­tèmes connaissent mal cette tech­no­lo­gie, et des dif­fi­cul­tés de dé­ve­lop­pe­ment sont sus­cep­tibles d’im­pac­ter le « time-to-mar­ket ». Les four­nis­seurs de tech­no­lo­gie RF mi­litent pour la cause en four­nis­sant des ou­tils de dé­ve­lop­pe­ment, à l’ins­tar du « RF Ener­gy Tool­kit » de Ma­com. Ce­lui-ci a pour vo­ca­tion d’ai­der les concep­teurs à se fa­mi­lia­ri­ser avec la tech­no­lo­gie, tout en leur per­met­tant d’ajus­ter avec pré­ci­sion le ni­veau de l’éner­gie RF pro­duite en fonc­tion des be­soins spé­ci­fiques de leur ap­pli­ca­tion.

Ici est re­pré­sen­tée une ap­pli­ca­tion de chauf­fage lo­cal, comme dans un four à mi­cro-ondes. Le contrôle en boucle fer­mée donne la pos­si­bi­li­té d’agir sur les dif­fé­rents pa­ra­mètres de l’am­pli­fi­ca­teur RF, pour un chauf­fage uni­forme.

< Une so­cié­té comme Ma­com pro­pose des tran­sis­tors de puis­sance en GaN sur si­li­cium pour réa­li­ser des am­pli­fi­ca­teurs de puis­sance RF des­ti­nés à rem­pla­cer les ma­gné­trons des fours à mi­cro- ondes.

À l’oc­ca­sion du der­nier sa­lon Eu­ro­pean Mi­cro­wave Week, Ma­com a ef­fec­tué des dé­mons­tra­tions de son kit de dé­ve­lop­pe­ment « RF Ener­gy Tool­kit » . Ici une torche à plas­ma ali­men­tée par une source RF, réa­li­sée à par­tir d’am­pli­fi­ca­teurs en GaN sur si­li­cium.

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