Figura 1: Sursă de alimentare Thyratron REC-30 pentru Teletype Model 19 utilizat în sistemul de comunicații navale în anii 1940. (Sursa: PRBX/CuriousMarc)
Sărbătorind 40 de ani de activitate în domeniul electronicii de putere și după multe alte prezentări la mai multe conferințe și lucrări despre electronica de putere, nu pot să nu remarc faptul că istoria industriei de putere este fascinantă și plină de ingineri uimitori, de geniu, care fac ca soluțiile de putere să fie mai eficiente, mai ușoare, mai inteligente și multe altele. Deși este dificil – dacă nu imposibil – să îi numim pe toți, un lucru pe care îl au în comun este “curiozitatea”. Albert Einstein a influențat destinul multora dintre noi și nu pot să îl menționez fără să amintesc un citat, care a devenit și propria mea mantră: “Lucrul cel mai important este să continui să-ți pui întrebări. Curiozitatea are rațiunea sa de a fi”. Acesta este motivul pentru care, timp de peste 120 de ani, proiectanții de putere au făcut minuni și vor continua să spargă “limite de neînvins”.
Pasiunea și curiozitatea pentru descoperire
Ceea ce îl face pe un tânăr să se decidă să studieze electronica de putere depinde de mulți factori, dar, personal, am fost probabil influențat de lumina albastră emisă de o pereche de tiratroni, atunci când, la facultate, în 1974, am vizitat “Palais de la découverte” din Paris și am întâlnit un cercetător care, împărtășindu-mi pasiunea sa pentru electronică, mi-a explicat cum acea tehnologie va schimba viitorul nostru. A fost, pur și simplu, fascinant și aproape sigur aceea a fost ziua în care s-a născut curiozitatea mea pentru descoperiri!
Pentru mulți tineri ingineri din domeniul puterii, cuvântul “tiratron” poate sugera o epocă în care dinozaurii încă mai umblau pe Pământ, dar pentru industria de putere a fost un pas important la vremea respectivă și a reprezentat un progres important în ceea ce privește stadiul actual al tehnologiei (figura 1).
Ar trebui să ne amintim, de asemenea, că, în același timp în care domeniul electronicii de putere implementa tuburi electronice, în 1926, inventatorul Julius Edgar Lilienfeld a brevetat principiul a ceea ce astăzi este cunoscut sub numele de tranzistor cu efect de câmp. În brevetul său: “Method and Apparatus for Controlling Electric Currents” (Metodă și aparatură pentru controlul curenților electrici), el a propus o structură cu trei electrozi care utilizează un material semiconductor din sulfură de cupru. Cercetările lui Julius Edgar au fost foarte interesante, dar, la fel ca mulți ingineri cercetători pasionați, nu a conștientizat importanța publicării și a împărtășirii rezultatelor, ceea ce a făcut ca descoperirea sa să fie un caz de dezbatere în cadrul comunității de cercetători și, ca urmare, o recunoaștere scăzută pentru el însuși.
În acest moment este relevant să menționăm nivelul ridicat de cercetare întreprins pentru a înlocui tuburile electronice cu ceva mai mic, mai eficient și mai ușor de controlat. Prin urmare, este relevant și corect să îl menționăm pe Russell Ohl, care în 1930 a experimentat utilizarea rectificatoarelor din siliciu ca detectoare de radar. Această descoperire a fost urmată de o solicitare de brevetare a principiului fotovoltaic (brevetul american 2.402.662), însă descoperirea lui Ohl a pus bazele a ceea ce avea să devină tranzistorul.
În 1947, la data de 23 decembrie, John Bardeen și Walter Brattain au experimentat primul amplificator cu semiconductori, pe care l-au prezentat Grupului “Solid-State Physics” din cadrul Bell Labs Această prezentare confidențială a fost urmată de un anunț public privind depunerea unui brevet la 17 iunie 1948 (2,524,035) și, câteva săptămâni mai târziu, la o conferință de presă la New York, la 30 iunie, de anunțarea “tranzistorului” de către inginerul de profil electric John Pierce. Cunoaștem cu toții povestea și am văzut pagina de copertă a ediției din septembrie 1948 a revistei “Electronics”.
De la tubul electronic la siliciu
Invenția tranzistorului a reprezentat o adevărată revoluție și a fost implementată la începutul anilor ’50 în echipamentele de consum, de exemplu, radioul cu tranzistoare (1954, Regency TR-1 în SUA; 1955, TR-52 de la Sony în Japonia). Tranzistoarele cu germaniu au devenit standardul, iar inginerii electroniști din domeniul puterii au început să dezvolte soluții de putere bazate pe această tehnologie. În paralel, cererea tot mai mare din partea comunității științifico-informatice de a obține mașini mai rapide a stimulat dezvoltarea unei noi generații de tranzistoare bazate pe siliciu. În iulie 1961, Fairchild Semiconductor a lansat primul tranzistor NPN din siliciu care depășea viteza tranzistoarelor din germaniu – 2N709.
Lansarea tranzistorului bazat pe siliciu a accelerat dezvoltarea electronicii de putere moderne și ceea ce cunoaștem astăzi ca surse de alimentare “cu stabilizare liniară” (transformator AC/AC, redresor, etaj stabilizator analogic), a înlocuit tuburile electronice. În același timp, cursa pentru cucerirea spațiului și ducerea oamenilor pe Lună necesita o eficiență mai mare, o greutate mai mică și dimensiuni mai reduse, iar aceste nevoi au stimulat cercetarea în domeniul noilor tehnici de alimentare. În secret, NASA și industria militară au dezvoltat o nouă generație de surse de alimentare bazate pe “tehnologia cu comutație”. Deși era foarte secretă la vremea respectivă, s-a raportat ulterior că tehnologia a fost utilizată în 1962 în satelitul Telstar.
Cine a lansat prima sursă de alimentare comercială cu comutație este subiect de dezbatere, dar ar trebui să menționăm RO Associates care, în 1967, a introdus un comutator de putere de 20Khz, urmat de Robert Boschert care, în 1970, a efectuat cercetări privind topologiile moderne cu comutație. Boschert a solicitat o serie de brevete, dar cele mai cunoscute două sunt 4,037,271 și 4,061,931 care au fost acordate în 1977. De la această dată, dezvoltarea topologiilor de alimentare cu comutație s-a accelerat și, odată cu introducerea semiconductorilor MOSFET și a circuitului integrat de control PWM, a devenit norma.
Cheia este curiozitatea neîntreruptă
Figura 2: Manualul de masterat Siliconix din 1985 a contribuit foarte mult la adoptarea MOSFET-urilor de putere și a puterii cu comutație. (Sursa: Colecția privată PRBX / Le Fèvre)
Deoarece sursele de alimentare sunt utilizate într-o gamă de aplicații, care variază de la adâncimea mării până la spațiul cosmic, proiectanții de dispozitive de alimentare se confruntă cu multe provocări, dintre care unele par a fi aproape imposibile. Reglementările și cererea consumatorilor pentru echipamente mai mici și mai ușoare au impus proiectanților de surse de alimentare să crească eficiența. În anii ’80, cu un nivel ridicat de curiozitate, proiectanții de putere au explorat topologiile rezonante de comutare la înaltă frecvență, iar una dintre cele mai mari povești de succes comercial este Vicor, fondată de Patrizio Vinciarelli în 1981.
În același timp, comunitatea ‘hard-switching’ a explorat o nouă cale, înlocuind diodele cu MOSFET-uri de putere și aici trebuie menționată activitatea impresionantă a celor de la Siliconix care au invitat, în 1984, peste 30 de ingineri electroniști specializați în electronica de putere să contribuie la un Master Handbook care a atras o deosebită atenție în cadrul comunității electronicii de putere (figura 2).
În această tranziție, de la puterea liniară la puterea cu comutație, au fost prezentate lucrări la multe conferințe, de exemplu, PESC-1988, APEC-1989, dar unul dintre principalii artizani ai adoptării pe piață este cu siguranță James Blanc de la Siliconix Inc. care a susținut cu pasiune și entuziasm promovarea tehnologiei de rectificare sincronă.
Figura 3: Convertoare de putere multi-core, cu reglaj automat, control digital avansat și tranzistoare GaN FET de la PRBX. (Sursa: PRBX)
Noile componente și topologii au făcut ca sursele de alimentare să fie mai eficiente, iar calea a fost deschisă de Trey Burns, Chris Henze și ceilalți care, la sfârșitul anilor ’70, au lucrat neobosit pentru a dezvolta controlul digital al surselor de alimentare. A fost nevoie de câțiva ani pentru a trece de la cercetare la implementarea comercială și asta s-a întâmplat în anul 2000, când proiectanții de surse de alimentare și producătorii de semiconductori au depășit în sfârșit o nouă limită “de neînvins”. Se născuse “Digital Power”, iar acum era posibil să se controleze performanța unei surse de alimentare “bit cu bit”.
Dar curiozitatea proiectanților de putere este puternică și neîncetată și, având în vedere cererea de pe piață pentru componente și mai mici, cu o eficiență mai mare, aceștia sunt acum ocupați cu explorarea în afara “cutiei de siliciu”, cercetând noi materiale cu niveluri mai ridicate de performanță, așa-numiții semiconductori Wide Band Gap (WBG). În acest sens, aplicațiile de înaltă tensiune au beneficiat în primul rând de utilizarea carburii de siliciu, urmată de nitrura de galiu (figura 3).
Alex Lidow – CEO și cofondator al Efficient Power Conversion Corporation (EPC). Din 1977, Dr. Lidow s-a dedicat realizării unei conversii mai eficiente a energiei electrice, pe baza convingerii că acest lucru va reduce daunele aduse mediului înconjurător ca urmare a producției și consumului de energie. (Sursa: Cu amabilitatea Efficient Power Conversion)
Ceea ce este uimitor în cazul WBG este adoptarea rapidă a tehnologiei în aplicațiile comerciale. L-am menționat mai devreme pe James Blanc, care a promovat ani de zile utilizarea rectificării sincrone. Cu același nivel de pasiune, ar trebui să-l menționez acum pe Alex Lidow (Efficient Power Conversion), care a pledat cu tărie în favoarea semiconductorilor WBG și în special a nitridei de galiu (GaN), făcând ca această tehnologie să fie ușor de învățat și chiar, distractiv de implementat.
Mai mici, mai rapide, mai ușoare și mai eficiente
Fiecare deceniu a fost martor la pași importanți în reducerea consumului de energie, a greutății, a spațiului și a prețului. Combinându-le pe toate acestea, proiectanții de surse de putere au strecurat mai multă putere în spații mai mici și, de exemplu, vedem cu toții beneficiile în ultima generație de încărcătoare USB. An de an, ne apropiem tot mai mult de legendara eficiență de 99,99 %, iar acest lucru este rezultatul unor proiectanți de dispozitive de putere de geniu, care sunt curioși și nu încetează niciodată să pună întrebări.
La începutul acestui articol l-am citat pe Albert Einstein, așa că este relevant să încheiem cu afirmația sa:
“Lucrul cel mai important este să continui să-ți pui întrebări. Curiozitatea are rațiunea sa de a fi. Oamenii sunt copleșiți atunci când contemplă misterele eternității, ale vieții, ale structurii uimitoare a realității. Ar fi de ajuns dacă fiecare dintre noi ar încerca să înțeleagă câte puțin din aceste mistere în fiecare zi.”
Aceasta este ceea ce au făcut proiectanții de sisteme de putere timp de secole și ceea ce îi motivează pe toți să spargă “limitele de netrecut”.
Referințe:
POWERBOX (PRBX): https://www.prbx.com/
CuriousMarc – REC-30 Thyratron power supply for 1940 Teletype: https://youtu.be/WX74GoHuwHk
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
