Încă din vremea în care echipamentele electronice de putere erau echipate cu tuburi electronice, inginerii proiectanți erau preocupați de eficiența energetică, de optimizarea puterii și de modul prin care să creeze surse de alimentare mai fiabile, mai mici și mai inteligente. Probabil că puțini dintre noi își mai amintesc de tuburile cu descărcare în gaz tiratron (triodă cu descărcare în gaz – Thyratron, în engleză) sau de brevetul lui Julius Edgar Lilienfeld din 1925 pentru tranzistorul cu efect de câmp – FET (Field Effect Transistor – figurile 1 și 2), dar trebuie știut că industria electronică este plină de invenții și de inovații uimitoare, toate acestea contribuind la atingerea unor niveluri ale eficienței uimitoare, de 99%.
Figura 1: De la redresorul cu mercur la FPGA – 90 de ani de evoluție
Având în vedere preocuparea crescândă pentru mediu și pentru reducerea consumului de putere, necesitatea respectării reglementărilor guvernamentale și, bineînțeles, inițiativele individuale, provocarea pentru proiectanții de sisteme de alimentare de a dezvolta soluții de putere foarte eficiente a fost foarte mare. Dar, în același timp și cu dificultăți și mai mari, aplicațiile emergente au necesitat surse de alimentare mai mici, cu așteptări fără precedent în ceea ce privește densitatea de putere.
Figura 2: Reglementări energetice, putere digitală, semiconductoare cu bandă interzisă largă, totul pentru reducerea consumului de putere și creșterea eficienței energetice.
Legile fizicii sunt legile fizicii și, în ciuda multor evoluții în topologiile de comutație, proiectanții de sisteme de putere întâmpină o serie de probleme atunci când aceștia trebuie să creeze o soluție capabilă să comute mai rapide, să aibă pierderi mai mici de putere și, acolo unde este posibil, să mențină performanțe bune la temperaturi mai ridicate.
Deși tehnologia semiconductoarelor convenționale a progresat extrem de mult, creșterea frecvenței de comutare cu un ordin de mărime x10 – reducând în același timp atât dimensiunea fizică a surselor de alimentare cât și pierderile de putere – înseamnă o provocare foarte mare. Printre diferitele modalități de a realiza acest lucru, cercetarea materialelor care oferă performanțe mai ridicate – cum ar fi benzi interzise (band gaps) cu energie mai mare – a relevat potențialul nitrurii de galiu și al carburii de siliciu. Ambele materiale au fost utilizate la diodele SiC și LED-urile GaN, de exemplu, iar relativ recent, în istoria electronicii de putere, acestea au început să fie folosite și la tranzistoarele cu efect de camp (FET) de bandă largă (Wide Bandgap FET).
Așa cum se întâmplă în toate tehnologiile noi, pentru obținerea unei recunoașteri din partea majorității specialiștilor, GaN-FET și SiC-FET au trecut prin procesul clasic de transformare, care începe cu inovații, teste și diverse adaptări. Interesant de notat este că producția GaN și SiC a fost orientată foarte repede către piețe de nișă cu un potențial de creștere foarte mare, probabil datorită numărului mare de inovatori care s-au implicat în dezvoltarea acestei tehnologii.
Figura 3: Tehnologia GaN în LiDAR (Light Detection and Ranging) – foarte promițătoare și așteptată ca aplicație de masă pentru semiconductoarele de putere GaN
Tehnologiile Wide Bandgap (WBG) au fost prezentate la multe conferințe, dar cred că adevăratul start a fost dat în 2018, atunci când „provocatorii” au demonstrat potențialul comercial al tehnologiei WBG. Este imposibil să-i amintim pe toți, dar printre liderii care promovează cu succes GaN, se numără Efficient Power Conversion (EPC) a căror idee pentru implementarea GaN în LiDAR (Light Detection and Ranging) (figura 3) a fost cu adevărat interesantă, mai ales că această tehnologie devine dominantă pentru noua generație de vehicule. 2018 a fost și anul în care producătorii de adaptoare USB au început să se gândească la implementarea WBG. Navitas este un alt exemplu de companie inovatoare care a dus integrarea GaN la un nivel superior încă de la început, prin “împachetarea” driverelor și switch-urilor pe același substrat. Datorită companiei Navitas care a introdus acest concept, inteligentul GaNFET devine astăzi un standard.
Dacă WBG este o tehnologie foarte promițătoare, ar trebui să ne aducem aminte de un alt moment important din domeniu, anul 2003, când a apărut, tot ca o tehnologie promițătoare, așa numita tehnologie – “Digital Power” – (Putere digitală). Așa cum s-a întâmplat acum 17 ani cu puterea digitală, tehnologia GaN, care și-a început călătoria cu doar câțiva ani în urmă, a avut un traseu similar, trecând treptat de la o „curiozitate tehnică” la un „produs comercial”. Atât puterea digitală, cât și GaN sunt tehnologii care au fost vehement contestate și dezbătute atunci când au fost introduse pe piață, dar este interesant să vă gândiți la ele în acest fel, mai ales atunci când rezultatul combinării celor mai bune tehnologii duce la apariția unor produse comerciale cu adevărat remarcabile.
Pas cu pas până la maturitate
Așa cum se întâmplă de fiecare dată la apariția unei noi tehnologii – mai ales dacă aceasta este extrem de surprinzătoare – tranziția de la cercetare la producția pe scară largă este un proces îndelungat, care implică noi procese de învățare pentru inginerii electroniști, iar în cazul GaN, implementarea topologiilor de comutație ZVS (Zero Voltage Switching) necesită drivere speciale și noi modalități pentru controlul lor. În ciuda avantajelor uriașe oferite de tranzistoarele GaN, lipsa driverelor a limitat interesul proiectanților din industrie pentru aceste dispozitive, timp de mulți ani. Din fericire, numărul tot mai mare de companii din domeniul semiconductoarelor care au investit în GaN, în ultimii doi ani, a făcut ca această tehnologie să devină mai ușor de implementat.
Au fost eliminate multe bariere tehnice. Procesele de fabricație au fost optimizate treptat, pentru a crește randamentul și a reduce costurile, de asemenea, au fost implementate procese de calitate specifice pentru această tehnologie, iar în noiembrie 2017 organizația JEDEC a anunțat crearea unui nou comitet care să stabilească standarde pentru semiconductoarele de putere cu bandă interzisă largă (Wide Bandgap Power Semiconductors – JC-70). Apoi, în februarie 2019 a fost lansată publicația JEP173: “Dynamic On-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT Based Power Conversion Devices”. Puzzle-ul este rezolvat pas cu pas, iar dacă tehnologia GaN a fost utilizată pe scară largă în aplicații RF și cu LED-uri de mulți ani, producătorii de surse de alimentare destinate utilizării în produse comerciale adoptă acum această tehnologie.
Putere digitală combinată cu GaN oferă o eficiență de 99%
Ceea ce face viața proiectanților sistemelor de putere atât de interesantă este nivelul omniprezent de inovație, care oferă oportunități pentru îmbunătățirea nivelurilor de performanță, contribuind astfel la reducerea impactului asupra mediului și la crearea unei societăți durabile. Combinația dintre avantajele oferite de puterea digitală cu performanța GaN și abilitatea de a comuta la frecvențe înalte cu pierderi reduse de putere permite proiectanților să dezvolte dispozitive cu densitate de putere foarte mare. Această combinație are ca rezultat produse mai mici, cu disipare mai redusă a puterii, care sunt pregătite pentru reglementări viitoare stricte, planificate pentru următorii ani (de exemplu, microamplificatoare cu operare în mod standby). Un exemplu practic sunt încărcătoarele USB, unde printr-o combinație a tehnologiilor putere digitală / GaN, există companii, care în unele cazuri, aproape triplează densitatea de putere pentru un încărcător USB standard. Fără să mai vorbim despre echipamente cu PFC (Power Factor Correction) cu mulți-kilowați ce pot fi montate în incinte clasice de 500W. Cu toții ne străduim să depășim limitele și nu există nicio îndoială că ne îndreptăm rapid către o eficiență de 99%, dar, ca proiectanți de soluții de putere, trebuie să luăm în considerare o nouă dimensiune care să includă un ecosistem mai mare.
Puterea inteligentă devine o realitate
Figura 4: Încărcător inteligent de baterii, produs de PRBX, conectat la controlerul de proces HPC (Hub Process Controller) al fabricii printr-o interfață de comunicație radio. Unitatea interacționează cu ecosistemul său și schimbă informații cu alte unități de putere pentru a optimiza, de exemplu, profilurile de încărcare.
WBG și puterea digitală au adus în “cutia de instrumente a proiectanților de soluții de putere” tehnologii strategice și interesante, care îi ajută să atingă noi limite în fiecare zi, dar în lumea de astăzi și ca urmare a schimbărilor din industrie, sursele de putere trebuie să fie eficiente din punct de vedere energetic, dar în același timp și al performanțelor, acolo, în ecosistemul în care sunt integrate. De la un USB PD + PPS pentru încărcarea unei baterii și comunicației cu aceasta la un sistem gigant de automatizare în interiorul unei fabrici în care toate sursele de alimentare sunt controlate dinamic și optimizate pentru a reduce consumul de energie din fabrică, proiectanții de surse de putere trebuie să includă o nouă dimensiune atunci când proiectează următoarea generație de soluții de alimentare.
Dacă bine cunoscuta comunicație PMBus dintre o sursă de alimentare și unitatea de management a sistemului a fost anterior bine înțeleasă, atunci includerea comunicației M2M (Machine-to-Machine) cu control direct al sursei de alimentare este relativ nouă și abia începe.
Industrie 4.0 va introduce un nivel mai ridicat de integrare software și, dacă multe surse de alimentare rămân să opereze ca unități independente, prevedem un număr semnificativ de aplicații în care sursele de alimentare vor trebui să interopereze în cadrul ecosistemului într-un mod foarte avansat (figura 4). Puterea inteligentă pentru o industrie inteligentă devine o realitate și una foarte interesantă.
Concluzie
Fabricile inteligente vor folosi soluții de alimentare inteligente create de proiectanți de sisteme de putere inteligente, care țintesc o eficiență de 99% și urmăresc cu ambiție atingerea unei eficiențe de 99.99%!
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox – A Cosel Group Company | https://www.prbx.com
Notă de redacție: articol oferit de Power Electronics News și Powerbox (PRBX)