Provocări și oportunități în adoptarea tehnologiilor cu bandă interzisă largă (WBG), precum nitrura de galiu

Industria electronicii de putere se află din nou într-un punct de inflexiune semnificativ. Apariția semiconductorilor cu bandă interzisă largă (WBG – Wide Band Gap), în special a nitrurii de galiu (GaN – Gallium Nitride), aduce progrese remarcabile în performanță – de la eficiență crescută și factori de formă mai compacți, la cerințe de răcire reduse și costuri de sistem mai mici. Totuși, în ciuda acestor avantaje convingătoare, adoptarea în anumite sectoare industriale rămâne incertă, influențată atât de provocări tehnice, cât și organizaționale.

Provocări asociate schimbărilor tehnologice

Figura 1: Cele patru secțiuni principale ale IPC-9592. (Sursa: PRBX)

Mi-am început cariera la sfârșitul anilor 1980 și, de atunci, am fost martor – și parte – la multiple tranziții majore în tehnologia de putere. Am asistat la trecerea de la conversia liniară de putere la cea în comutație, de la tranzistoarele bipolare la MOSFET-uri și, mai recent, de la controlul analogic la cel digital. Astăzi, ne confruntăm cu o nouă provocare – dar și o oportunitate – de a adopta tehnologiile WBG, precum GaN. Însă, la fel ca în cazul tranzițiilor anterioare, fiecare etapă a venit cu propriile obstacole, iar preocupările privind lanțurile de aprovizionare, fiabilitatea, dar și încrederea și deschiderea clienților față de noutate persistă.

GaN: un salt înainte, nu doar un pas mic

Tehnologia GaN aduce o schimbare fundamentală în modul de realizare a conversiei de putere. Mobilitatea ridicată a electronilor și tensiunea sa de străpungere mare permit comutarea mai rapidă a dispozitivelor și operarea la tensiuni și frecvențe mai mari decât cele ale dispozitivelor tradiționale din siliciu. Acest lucru se traduce printr-o eficiență energetică superioară, modele mai compacte cu performanțe termice îmbunătățite și o frecvență de funcționare mai mare – ceea ce permite utilizarea unor componente magnetice mai mici și îmbunătățește răspunsul tranzitoriu. Sună promițător, dar obținerea acestor avantaje nu este la fel de simplă ca înlocuirea unui dispozitiv cu altul – deși ne-am dori să fie așa!

Planificarea tranziției: Bariere tehnice și culturale

Adoptarea dispozitivelor GaN presupune o nouă mentalitate de proiectare. Inginerii trebuie să gestioneze tranziții de comutare semnificativ mai rapide, constrângeri mai stricte legate de traseul layout-ului și cerințe sporite privind controlul EMI. Deși aceste provocări pot fi depășite cu instrumentele și experiența adecvate, ele marchează o ruptură față de practicile tradiționale din proiectarea pe bază de siliciu.

Dincolo de provocările de proiectare, întregul ecosistem este încă în formare. Disponibilitatea driverelor compatibile cu GaN, utilizarea unor capsule robuste și existența unor ghiduri clare de aplicație continuă să se îmbunătățească – dar sunt încă percepute ca obstacole, în special în cadrul organizațiilor cu aversiune față de risc.

Și poate cel mai important aspect – justificat sau nu – este că, pentru mulți utilizatori finali, fiabilitatea rămâne o preocupare majoră. Numeroase domenii deservite de electronica de putere – cum ar fi cel medical, transporturile și automatizarea industrială (ca să nu mai vorbim de domeniul aerospațial și cel militar) – necesită o fiabilitate excepțională. Orice tehnologie nouă trebuie să-și dovedească performanțele în timp, în condiții de stres și în aplicații reale.

Industria electronicii de putere își asumă responsabilitatea de a facilita o tranziție lină și fiabilă, depunând eforturi pentru a schimba percepțiile prin construirea unei încrederi durabile și a unor procese de tranziție solide.

Încrederea în procese de tranziție fiabile

Țineți cont de IPC9592

Toți producătorii de surse de alimentare își dezvoltă în mod riguros propriile proceduri de validare a calității produselor, înainte de lansarea lor pe piață. Aceste procese fac parte din know-how-ul companiei și constituie, de regulă, secrete comerciale bine păzite. Cu toate acestea, aș dori să aduc în discuție o inițiativă de acum aproximativ douăzeci de ani, care a contribuit semnificativ la reducerea decalajului de comunicare dintre producătorii OEM din telecomunicații și furnizorii lor de surse de alimentare.

În 2005, sub coordonarea institutului IPC (Institute for Printed Circuits), un grup de mari producători OEM din domeniul telecomunicațiilor, împreună cu experți în electronică de putere, au colaborat pentru a defini un set comun de cerințe pentru dispozitivele de conversie de putere. Aceste eforturi au condus la elaborarea documentului intitulat „Cerințe pentru dispozitivele de conversie de putere destinate industriei calculatoarelor și telecomunicațiilor” (Requirements for Power Conversion Devices for the Computer and Telecommunications Industries), care s-a concretizat, până la sfârșitul anului 2008, în standardul IPC-9592.

Documentul includea recomandări pentru proiectarea orientată spre fiabilitate, testarea de proiectare și de calificare (Design and Qualification Testing), precum și pentru testarea conformității proceselor de calitate și fabricație (vezi figura 1). Ținând cont de cerințele suplimentare apărute între timp, standardul IPC-9592A a fost lansat în 2010, iar în noiembrie 2012 a urmat versiunea IPC-9592B.

Standardul IPC-9592B

O serie de producători de surse de alimentare utilizează standardul IPC-9592B, fie parțial, fie în întregime. Totuși, trebuie menționat că, în ultimul deceniu (sau chiar mai mult), au apărut numeroase tehnologii noi și condiții de piață diferite – cum ar fi tehnicile de control digital, semiconductorii WBG (Wide Band Gap) și cerințele privind reziliența cibernetică. În acest context, este firesc ca utilizatorii să considere că standardul ar necesita o actualizare.

Grupuri de lucru precum Comitetul de fiabilitate al Asociației Producătorilor de Surse de Alimentare (PSMA – Power Sources Manufacturers Association) au demarat inițiative de reluare a procesului de revizuire, care – la fel ca la început – va implica experți din multiple domenii.

Este dificil de estimat când va fi lansată următoarea versiune actualizată, însă, până atunci, și ca o completare a standardului IPC-9592B, producătorii de surse de alimentare care dezvoltă produse pentru aplicații critice colaborează îndeaproape cu furnizorii de semiconductori și desfășoară propriile evaluări ale componentelor WBG, conform specificațiilor din standardul JEDEC.

JEDEC și JC-70

Cu o istorie ce începe în 1924, odată cu înființarea Radio Manufacturers Association, JEDEC a luat naștere prin combinarea unui consiliu pentru tuburi electronice și semiconductori, fiind redenumit în 1958 Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC). De-a lungul timpului, JEDEC a devenit o referință în industria semiconductorilor. Odată cu apariția noilor tehnologii, în 2017 a fost înființat comitetul JC-70 – Wide Bandgap Power Electronic Conversion Semiconductors, dedicat semiconductorilor pentru conversia electronică de putere cu bandă interzisă largă. Acesta include două subcomitete: Nitrură de galiu (GaN) și Carbură de siliciu (SiC).

În 2019, comitetul JC-70 a publicat primul său document: JEP173 – Dynamic On-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT Based Power Conversion Devices. De atunci, au urmat mai multe publicații, printre care și JEP198 – Guideline for Reverse Bias Reliability Evaluation Procedures for Gallium Nitride Power Conversion Devices, care este utilizat ca referință pentru calificarea dispozitivelor GaN.

Standardele JEDEC dedicate tehnologiei WBG sunt esențiale nu doar pentru producătorii de semiconductori, ci și pentru producătorii de surse de alimentare, întrucât fac parte din procesul de dezvoltare a produselor și din înțelegerea mecanismelor de fiabilitate asociate acestei tehnologii.

În aplicații critice – precum cele industriale sau spațiale – există o preocupare deosebită legată de modul în care producătorii de surse de alimentare validează noile componente. Li se solicită adesea să efectueze teste individuale la nivel de componentă, în conformitate cu standardele JEDEC. Acest lucru necesită o colaborare strânsă cu furnizorii de semiconductori care dețin un nivel adecvat de expertiză în domeniu.

Construirea încrederii: Validarea fiabilității EPC

Așa cum am menționat anterior, adoptarea unei noi tehnologii reprezintă o provocare majoră. Deși tranzistoarele GaN sunt utilizate de mult timp în amplificatoarele de putere, aplicarea acestei tehnologii în electronica de putere ridică numeroase dificultăți, necesitând eforturi dedicate din partea producătorilor de semiconductori pentru a demonstra nu doar beneficiile, ci și fiabilitatea pe termen lung.

Figura 2: Variația RDS(on) pentru tranzistorul GaN EPC2045 în funcție de tensiunea de intrare și temperatură, extrasă din proiecția de fiabilitate și durată de viață GaN – Faza 17. (Sursa: Cu amabilitatea Efficient Power Conversion (EPC))

În acest context, merită menționată compania Efficient Power Conversion (EPC), care a dezvoltat semiconductori GaN într-o capsulă inovatoare, într-o perioadă în care mulți considerau tehnologia GaN drept un simplu concept.

Încă de la înființarea sa în 2007, EPC a desfășurat ample studii de fiabilitate pentru a valida performanța dispozitivelor și pentru a combate scepticismul. Programele sale de testare au inclus: stres electric la tensiune ridicată (high-voltage bias stress), cicluri de temperatură, cicluri de putere și teste accelerate de durabilitate. Rezultatele au demonstrat că dispozitivele GaN, atunci când sunt proiectate și integrate corect, pot nu doar să atingă, ci chiar să depășească standardele de fiabilitate impuse de siliciu – rezultate prezentate inclusiv în cadrul unor conferințe de prestigiu precum Applied Power Electronics Conference (APEC).

EPC – Rezultate experimentale

Rezultatele experimentale sunt valoroase, însă la fel de important este faptul că EPC și-a publicat deschis datele obținute, contribuind astfel la construirea unei baze solide de încredere și înțelegere a tehnologiei GaN.

Estimarea și validarea duratei de viață pentru EPC2212, extrasă din proiecția EPC privind fiabilitatea și durata de viață a tehnologiei GaN – Faza 17. (Sursa: Cu amabilitatea Efficient Power Conversion (EPC))

De la prima fază a testării, lansată în 2019, până la cea de-a șaptesprezecea, în 2025, rezultatele experimentale arată că mecanismele de defectare ale componentelor GaN sunt bine înțelese și pot fi controlate, iar degradarea acestora este previzibilă în timp – două caracteristici esențiale pe care proiectanții trebuie să le ia serios în considerare atunci când dezvoltă aplicații critice pentru misiuni (Figurile 2 și 3).

Un astfel de proces de validare, realizat transparent și verificabil, este esențial pentru obținerea unei acceptări mai largi. El umple golul dintre avantajele teoretice și implementarea practică în condiții reale de utilizare – mai ales în cazul inginerilor responsabili de sistemele cu durată lungă de viață.

COSEL: utilizarea tehnologiei GaN pentru soluții compacte și eficiente

Înființată în Japonia încă din 1969, compania COSEL – producător de surse de alimentare – a parcurs un drum lung în evoluția tehnologică și a fost unul dintre pionierii adoptării conversiei de putere prin comutare, lansând în 1977 o gamă comercială de surse de alimentare în comutație (SMPS – Switch Mode Power Supplies). După cum știm, producătorii japonezi au fost repere în dezvoltarea celor mai bune practici de calitate și, prin urmare, nu este surprinzător că – odată cu apariția unei noi tehnologii precum GaN – fiabilitatea a fost primul aspect analizat, înaintea oricărui beneficiu tehnic.

Figura 4: Test HTRB (High Temperature Reverse Bias) de 1000 de ore la o temperatură ambiantă de 150°C și tensiune VDS de 650V. (Sursa: PRBX/COSEL)

Testul HTRB

Pentru a califica semiconductori GaN destinați noii generații de surse de alimentare, COSEL a efectuat mai multe teste, printre care și testul HTRB (High Temperature Reverse Bias), una dintre cele mai frecvent utilizate metode de validare a fiabilității pentru dispozitivele de putere. Deoarece testele HTRB solicită intens cipul semiconductor (die), ele pot conduce la scurgeri de curent la nivelul joncțiunii. În plus, pot apărea modificări parametrice din cauza eliberării impurităților ionice pe suprafața cipului – fie din capsulă, fie din structura internă a cipului însuși.

În timpul unui test HTRB, eșantioanele de dispozitive sunt supuse în mod obișnuit la 80–100% din tensiunea inversă repetitivă maximă (VRRM), la o temperatură apropiată de temperatura maximă admisă la joncțiune (TJMAX), pe o durată extinsă – în general 1.000 de ore (Figura 4).

Figura 5: Test de îmbătrânire de 1000 de ore pentru validarea stabilității termice. (Sursa: PRBX/COSEL)

După calificarea tranzistorului GaN și integrarea sa în etajul de putere al sursei de alimentare, COSEL a efectuat un test de îmbătrânire de 1.000 de ore pentru a valida stabilitatea termică a întregului sistem (Figura 5).

Rezultatul este o nouă generație de surse de alimentare care stabilesc noi repere în materie de performanță, densitate și fiabilitate. În cele mai recente cercetări, COSEL a demonstrat că, prin coproiectarea atentă a etapelor magnetice, de control și de comutație, sistemele de alimentare pot atinge niveluri revoluționare de densitate a puterii, menținând în același timp obiective termice și EMI extrem de stricte (figura 6).

Inspirând următoarea generație

Figura 6: Seria COSEL TE, echipată cu tranzistoare GaN și transformatoare cu buclă de comutație scurtă. (short-loop integrated transformers). (Sursa: PRBX/COSEL)

Ceea ce mă bucură cel mai mult este entuziasmul și inovația aduse de noua generație de ingineri. Tinerii proiectanți de astăzi învață despre GaN, SiC și control digital ca parte integrantă a formării lor inginerești. Ei pătrund în acest domeniu nu cu ezitare, ci cu un spirit autentic de explorare.

Aceștia privesc electronica de putere nu ca pe o disciplină rigidă, ci ca pe o platformă pentru inovație, unde converg materiale avansate, teoria controlului, tehnologiile de ambalare și gândirea sistemică. Iar deschiderea lor față de noile tehnologii va fi catalizatorul descoperirilor de mâine.

Chiar și în prezent, industria își îndreaptă privirea dincolo de GaN, spre semiconductorii pe bază de diamant, care oferă proprietăți termice și electrice remarcabile. Deși aceste dispozitive se află încă într-un stadiu incipient de cercetare, potențialul lor de a redefini conversia de înaltă tensiune și înaltă frecvență este uriaș. Nu este vorba despre science fiction – aceasta este direcția în care se îndreaptă electronica de putere.

Concluzie: Oportunități viitoare

Adoptarea tehnologiei GaN și a altor soluții cu bandă interzisă largă (WBG) înseamnă mai mult decât o simplă schimbare de materiale – este o transformare de mentalitate. Aceasta presupune trecerea la comutare mai rapidă, control mai inteligent și o integrare mai profundă. Îi provoacă pe proiectanții de surse de alimentare să renunțe la vechile practici și să dobândească noi competențe. În același timp, deschide calea către niveluri de eficiență și performanță care, până recent, păreau inaccesibile.

Datorită unor companii precum EPC și COSEL, începem să vedem efectele tangibile ale tehnologiei GaN în aplicații solicitante din lumea reală. Munca lor contribuie la validarea tehnologiei, reduce curba de învățare și le oferă proiectanților de sisteme de putere instrumentele necesare pentru a reuși.

Ca specialist care a fost martor la mai multe valuri de inovație în acest domeniu, cred că suntem la începutul unuia dintre cele mai promițătoare capitole de până acum. Tehnologia este aici, datele sunt încurajatoare, iar noua generație de ingineri este pregătită să preia ștafeta.

Viitorul electronicii de putere nu este doar mai luminos – este mai compact, mai rece, mai rapid și semnificativ mai eficient. De la GaN la diamant, posibilitățile sunt nelimitate.

Referințe:

Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com
COSEL: https://en.cosel.co.jp
IPC International: https://www.ipc.org
Power Sources Manufacturers Association (PSMA): https://www.psma.com
JEDEC: https://www.jedec.org
Efficient Power Conversion (EPC): https://epc-co.com/epc

Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication

Despre autor
Patrick Le Fèvre este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoș­tin­țele despre energia curată.

Powerbox – A Cosel Group Company
https://www.prbx.com

Glosar de termeni tehnici