În martie 2018, în San Antonio (Texas) a avut loc Conferința de Electronică de Putere Aplicată (APEC). APEC este cea mai mare convenție din lume dedicată electronicii de putere aplicate și locul unde laboratoarele de cercetare, universitățile, analiștii de piață și companiile prezintă tehnologiile cele mai recente, care fac sursele de tensiune mai eficiente și sigure. Evenimentul de anul acesta a fost cu adevărat punctul de pornire pentru semiconductoarele de bandă largă și în special al celor pe bază de nitrură de galiu (GaN). Acesta a fost, de asemenea, o piatră de hotar simbolică pentru tehnologia numită “Putere Digitală”, care s-a dezvoltat din 2003 ca tehnologie promițătoare. Precum a fost acum 15 ani pentru puterea digitală, GaN și-a început călătoria acum 5 ani și, urmând o cale similară, trece gradual de la o “curiozitate tehnică” la un “produs comercial”. Puterea Digitală și GaN sunt tehnologii care au fost foarte dezbătute atunci când au fost lansate pe piață și este interesant să le legăm în acest mod, în special când rezultatul combinării elementelor cele mai bune din cele două tehnologii va conduce la produse comerciale remarcabile.
Figura 1: Comparație a ariei normale a unui cip versus tensiunea nominală a celor mai bune MOSFET-uri, cu albastru, cu cele mai noi generații de GaN FET (Sursă: Efficient Power Conversion (EPC))
De la scepticism la schimbarea jocului
Acum zece ani, atunci când pionierii GaN au prezentat conceptul de a industrializa o tehnologie cu efecte importante, cu scopul de a oferi o alternativă bazată pe nitrură de galiu, mai eficientă față de MOSFET-urile cu super-joncțiuni, au apărut o mulțime de opinii și declarații puternice: “Nu va funcționa niciodată”! Precum a fost și în cazul puterii digitale, călătoria de la “dezvoltare în garaj” până la produse comerciale a fost plină de frustrări, lacrimi și decepții, dar perseverența și credința puternică în tehnologie a condus la succes.
Tranzistoarele HEMT (high-electron mobility transistors) pe bază de GaN au comportamente intrinseci foarte interesante, furnizând performanțe de comutație superioare și fiind capabile de a oferi nivele de performanță fără precedent prin comparație cu MOSFET-urile convenționale. În termeni de performanțe intrinseci, printr-o poartă de încărcare foarte mică, recuperare inversă nulă și capacitate de ieșire plată, GaN are tot ceea ce au visat de decenii proiectanții de putere pentru a îmbunătăți performanțele, a crește dimensiunile și a atinge miticul randament de 99.99%.
Un exemplu al avantajelor tranzistoarelor GaN este dimensiunea pastilei, care este mult mai mică față de MOSFET-urile convenționale (Figura 1). Graficul compară aria normalizată a unui cip în funcție de tensiunea nominală (în albastru) pentru cele mai bune MOSFET-uri, cu cea mai recentă generație de FET-uri GaN. Separația în ceea ce privește dimensiunea pastilei între siliciu și FET-urile GaN crește rapid. Acum se situează la de 16 ori pentru 200V și de 4 ori la 100V – și nu a fost încă atinsă limita. Acest lucru deschide poarta proiectanților de putere pentru a crea produse cu mai mare integrare și nivele de performanță care literalmente ne vor uimi. De fapt atât de mult, încât se pare că am intrat cu adevărat într-o etapă de schimbare a jocului!
Figura 2: PRBX VB410-384 – Sursă de tensiune “submarină” cu control digital complet pentru managementul puterii, monitorizare și redundanță inteligentă. (Sursă: Powerbox)
Pas cu pas spre maturitate
După cum este pentru orice tehnologie nouă, în special una cu efecte importante, trecerea de la cercetare la producția de volum ridicat este un proces îndelungat, unul care include noi lecții de învățat pentru inginerii electroniști, iar în cazul GaN, implementarea de topologii de comutație la tensiune zero necesită drivere specifice și noi căi de a le controla. În ciuda avantajelor enorme ale tranzistoarelor GaN, de mulți ani, lipsa driverelor a limitat nivelul de interes din partea proiectanților industriali. Totuși, numărul crescut de jucători pe piața semiconductoarelor care au investit în GaN în ultimii doi ani, a făcut ca această tehnologie să fie mai ușor de implementat.
Au fost înlăturate numeroase bariere. Procesul de fabricație a fost gradual optimizat pentru a crește productivitatea și a reduce costurile, procesele de verificare a calității specifice acestei tehnologii au fost implementate, iar în noiembrie 2017, organizația JEDEC a anunțat formarea unui nou comitet pentru a stabili standardele pentru semiconductoarele de putere de bandă largă (Wide Bandgap Power Semiconductors) JC-70, ceea ce este un semn pentru implementarea de masă.
Pas cu pas, puzzle-ul este pe cale de a fi completat, iar dacă GaN a fost larg utilizat în aplicații LED și RF, acum este pe cale de a porni în călătoria către convertoarele DC/DC și sursele de alimentare AC/DC. Nu există săptămână fără anunțarea unui nou produs și cu siguranță se vor întâmpla o mulțime de lucruri în următoarele luni.
V-ați imaginat vreodată?
Începându-mi cariera ca proiectant de surse de tensiune în 1982, am trecut prin numeroase schimbări de tehnologii și încă îmi amintesc despre dezbaterile privind riscurile trecerii de la sursele de putere liniare la cele în comutație. Am fost suficient de norocos să lucrez pentru o mare companie de telecomunicații, care a început să facă cercetări asupra puterii digitale atunci când mulți o considerau anecdotică și am fost fericit să fiu printre pionierii explorării noilor căi de gestionare a conversiei de putere și de îmbunătățire a randamentului. Astăzi, combinația controlului digital cu avantajele fără precedent ale GaN realizează un vis pentru toți proiectanții de putere pentru plăci ICT, gestionând conversia de la 48V la 12V cu o amprentă ce depășește 1200W pe inch cub, cu un randament de 96%, iar acesta nu este încă finalul evoluției GaN.
Figura 3: PRBX GB350 – Sursă de tensiune fără nucleu operând în aplicații cu câmp magnetic ridicat (MRI), monitorizată și controlată complet digital. (Sursă: Powerbox)
Celebrarea a 15 ani de inovație digitală
Astăzi, puterea digitală este parte a majorității programelor educaționale în ingineria de putere și este implementată într-o mare varietate de aplicații. Este importantă amintirea originii puterii digitale și cum a pornit cu cercetările timpurii de la mijlocul anilor `70, conduse de Trey Burns, N.R. Miller și alții.
Puterea digitală și-a câștigat gradual locul în industria de putere, ajungând la nivelul de maturitate, care face ca proiectanții să ia în considerare această tehnologie. În anii `70, atunci când industria de putere lua încet, încet, în considerare migrarea de la surse de putere liniare la surse de putere în comutație, Trey Burns a cercetat și explorat utilizarea Legii Controlului Traiectoriei în spațiul Stărilor în convertoarele DC/DC ridicătoare de tensiune și a comparat două metode de realizare: una implicând un procesor digital și alta utilizând circuite analogice de calcul. Este anecdotic, dar nu mai puțin interesant de observat că, în acel moment, Trey Burns a construit un dispozitiv experimental, un convertor ridicător de tensiune ce operează la o frecvență de comutație de 100Hz – ceea ce sună lent – dar trebuie să fie lent pentru că este nevoie de până la 450 microsecunde pentru a executa programul digital pe eșantion…
După mai mult de 40 de ani de la zilele cercetării inițiale până la APEC 2018 și 15 ani de la primul convertor digital DC-DC comercial, prezentat în 2003, tehnologia, original dezvoltată pentru industria ICT, este acum larg adoptată de aproape toate segmentele industriale. De la monitorizarea și controlul sistemelor de putere ce funcționează în adâncul mărilor, ce necesită cel mai ridicat nivel de siguranță în funcționare (figura 2) pentru a garanta tensiuni stabile și până la echipamentele medicale critice expuse la radiații magnetice ridicate în apropierea sistemelor MRI (figura 3), puterea digitală este aproape peste tot. În curând va fi integrată într-un echipament instalat pe stația spațială internațională ISS. Pentru toți deschizătorii de drum prezenți în această călătorie este o situație uimitoare. Acum vedem același nivel de entuziasm în ceea ce privește dezvoltarea dispozitivelor cu nitrură de galiu.
5000W / inch3 și randament de 99.99%
Ceea ce aduce entuziasm în viețile proiectanților de putere este nivelul prezent de inovare, care face posibilă îmbunătățirea nivelelor de performanță, contribuind la reducerea impactului de mediu și la construirea unei societăți sustenabile. Suntem bombardați cu știri în fiecare zi – Internetul Lucrurilor (IoT), vehicule autonome și electrice, și multe alte inovații tehnice – toate acestea necesită surse de tensiune compacte și cu randament ridicat. 5000W per inch3 și randament de 99.99% pot suna ca imposibil de atins, dar cine și-ar fi imaginat în mijlocul anilor `70 ce am putea, sau ce deja am obținut prin combinarea noilor topologii, controlul digital, noi componente precum GaN și, desigur, pasiunea de a inova?
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Bibliografie
Applied Power Electronics Conference − www.apec-conf.org
Efficient Power Conversion
https://epc-co.com/epc
Powerbox | www.prbx.com
