Semiconductorii de putere din siliciu reprezintă o tehnologie matură și bine înțeleasă; de mulți ani, progresul s-a realizat în principal prin îmbunătățiri incrementale, mai degrabă decât prin schimbări arhitecturale fundamentale. Ultimul salt major la nivelul arhitecturii dispozitivelor a fost introducerea MOSFET-urilor SuperJunction bazate pe tehnologia RESURF, care au permis obținerea unor tensiuni de blocare mai mari fără creșterea abruptă a rezistenței caracteristică dispozitivelor anterioare cu structură trench.
De atunci, s-au înregistrat îmbunătățiri continue ale eficienței, dar în mare parte prin rafinarea proceselor, mai degrabă decât prin introducerea unor concepte structurale noi. Pe măsură ce nivelurile de putere ale sistemelor și frecvențele de comutație au crescut, proiectanții au început să exploreze materiale cu bandă interzisă largă pentru a face față provocărilor legate de pierderi și de densitatea de putere, acceptând adesea costuri mai mari, o complexitate crescută a proiectării și aspecte suplimentare legate de lanțul de aprovizionare.
Mai recent, a apărut o nouă arhitectură a dispozitivelor din siliciu, redeschizând acest spațiu de proiectare. Prin regândirea modului în care echilibrul de sarcină și zona de conducție sunt implementate în cadrul unei structuri RESURF, această abordare oferă îmbunătățiri substanțiale ale eficienței și robusteții, păstrând în același timp avantajele siliciului în ceea ce privește costul, procesele de fabricație și fiabilitatea. Pentru proiectanții de sisteme de putere, acest lucru ridică o întrebare importantă: cum influențează aceste noi arhitecturi din siliciu compromisurile dintre performanță, complexitate și costul sistemului în proiectele moderne de conversie a puterii?
Scurtă istorie a dispozitivelor de putere
De când se folosește siliciul, inginerii au căutat modalități de a îmbunătăți performanța dispozitivelor de putere, concentrându-se inițial pe pierderile de conducție, dar, pe măsură ce frecvențele de funcționare au crescut, pierderile de comutație au devenit la fel de importante.
Prima etapă importantă în evoluția dispozitivelor de putere din siliciu a avut loc la sfârșitul anilor 1970, odată cu dezvoltarea MOSFET-ului HexFET cu structură 1D, îmbunătățit ulterior printr-o structură cu poartă trench. Avantajul acestor dispozitive constă în faptul că aproape întreaga suprafață a siliciului este dedicată transportului curentului, ceea ce permite obținerea unei rezistențe foarte scăzute în stare de conducție la valori nominale mai mici ale tensiunii. Acest lucru a făcut ca MOSFET-urile HexFET să fie foarte potrivite pentru aplicații de joasă tensiune și curent ridicat.
Totuși, pentru a obține această structură conductivă, inginerii au trebuit să accepte faptul că rezistența crește proporțional cu tensiunea de străpungere ridicată la puterea 2,5 (BV2.5), ceea ce face ca implementările de înaltă tensiune să devină din ce în ce mai ineficiente și nepractice pentru aplicațiile care necesită atât rezistență redusă, cât și tensiune ridicată.
De la HexFET la arhitecturile SuperJunction
Două decenii mai târziu, arhitecturile SuperJunction bazate pe tehnologia RESURF au intrat pe piață. Prin introducerea unor regiuni alternante de tip “p” și “n” în stratul de drift, aceste dispozitive realizează o echilibrare bidimensională a sarcinii. Acest lucru permite creșterea tensiunii de blocare și, în același timp, face posibil ca rezistența specifică în stare de conducție să varieze aproximativ liniar cu tensiunea de străpungere, ceea ce reprezintă o îmbunătățire semnificativă față de structurile 1D anterioare.
O limitare importantă a dispozitivelor SuperJunction este faptul că doar o porțiune din secțiunea transversală a dispozitivului conduce efectiv curentul, în timp ce restul asigură blocarea tensiunii. Ca urmare, eficiența conducției este limitată în mod inerent de structura simetrică formată din regiuni de tip “p” și “n”, iar îmbunătățirile ulterioare necesită etape de proces din ce în ce mai complexe și mai costisitoare.
Arhitecturi SuperQ
Figura 1: SuperQ utilizează inovații la nivel atomic pentru a realiza o structură de înaltă performanță. (Sursă: iDEAL Semiconductor)
Perioada de peste 25 de ani de la introducerea dispozitivelor RESURF i-a determinat pe mulți din industrie să creadă că noi inovații bazate pe siliciu sunt improbabile sau chiar imposibile. Titluri precum “Siliciul a murit” erau destul de frecvente, iar această formulă de început devenise atât de des folosită încât ajunsese aproape un clișeu.
La fel ca dispozitivele SuperJunction, SuperQ utilizează o structură RESURF – însă una asimetrică, așa cum se arată în Figura 1. Această asimetrie lărgește semnificativ zona conductoare de tip n, înlocuind regiunea de tip p a structurii SuperJunction – denumită p-pillar în terminologia engleză și având rol în echilibrarea sarcinii și susținerea tensiunii de blocare – cu un șanț proprietar, foarte adânc și îngust, cu sarcină pe pereții laterali. Deoarece acest șanț ocupă cel mult 5% din lățimea totală, se păstrează pentru conducție o zonă largă de tip n, care poate ajunge până la 95% din lățimea totală. Rezultatul este o creștere substanțială a eficienței.
Avantajele de performanță ale arhitecturii SuperQ
Arhitectura SuperQ suportă o intensitate ridicată a câmpului electric în regiunea de drift, permițând o capacitate de blocare a tensiunii de aproximativ 19–20 V/µm, valoare cu circa 50% mai mare decât cea întâlnită la dispozitivele SuperJunction similare.
Figura 2: În ceea ce privește RDS(ON), SuperQ depășește clar cele mai performante soluții disponibile pe piață. (Sursă: iDEAL Semiconductor)
Datorită ingineriei la nivel atomic, dispozitivele SuperQ prezintă o rezistență specifică în stare de conducție (RSP) semnificativ mai mică decât cea caracteristică dispozitivelor SuperJunction, în special în intervalul 60 V–850 V.
Așa cum se poate observa în Figura 2, în comparație cu principalii competitori din intervalul 150 V–400 V, SuperQ oferă valori ale rezistenței în stare de conducție de 1,6 până la 5,7 ori mai mici decât cele ale dispozitivelor convenționale din siliciu.
De la performanța dispozitivului la avantajele de sistem
Pe lângă performanța statică, structura SuperQ influențează și comportamentul dinamic. Rezistența mai redusă a regiunii de drift și stocarea redusă a sarcinii contribuie la pierderi de comutație mai mici și la o energie de recuperare inversă mai redusă. Aceste caracteristici sunt deosebit de relevante în aplicațiile care funcționează la frecvențe de comutație mai ridicate sau utilizează topologii cu comutație dură, unde atât pierderile de conducție, cât și cele de comutație trebuie gestionate simultan.
Din perspectiva proiectării, beneficiile arhitecturale se traduc în avantaje practice la nivel de sistem. O rezistență specifică în stare de conducție mai mică poate reduce numărul de MOSFET-uri conectate în paralel necesare pentru un curent nominal dat, simplificând dispunerea componentelor, partajarea curentului și proiectarea circuitului de comandă a porții. Pierderile reduse simplifică gestionarea termică, în timp ce siliciul permite fabricația în facilități CMOS destinate producției de volum mare. Pentru proiectanți, această combinație păstrează tehnicile familiare de comandă a porții, standardele consacrate de fiabilitate și calificare, precum și disponibilitatea previzibilă a dispozitivelor. Acestea sunt aspecte importante atunci când proiectele trec de la stadiul de prototip la producția de volum mare.
Prin reconfigurarea modului în care echilibrul de sarcină și zona de conducție sunt implementate în cadrul unui dispozitiv RESURF, arhitectura SuperQ extinde limitele de performanță ale MOSFET-urilor din siliciu. Pentru proiectanți, aceasta oferă o opțiune suplimentară pentru obținerea unei eficiențe și a unei densități de putere mai ridicate, fără costurile, complexitatea sau riscurile asociate în mod obișnuit cu trecerea la materiale semiconductoare alternative.
Aplicații cheie
Conversia de putere de înaltă eficiență în centrele de date
Pe măsură ce devenim din ce în ce mai dependenți de lumea digitală, inclusiv pe fondul creșterii rapide a inteligenței artificiale (AI) din ultimii ani, centrele de date sunt supuse unei atenții tot mai mari din cauza consumului lor de energie. De fapt, acestea reprezintă deja 2% din consumul global de energie electrică, iar Agenția Internațională pentru Energie (IEA) prognozează că până în 2026 consumul total va depăși 1 petawatt pe an. Se estimează că Statele Unite vor depăși singure acest nivel până în 2030, pe fondul dezvoltării AI, a infrastructurii hyperscale, a calculului de înaltă performanță (HPC – High-Performance Computing) și a altor aplicații emergente.
Este evident că, pe măsură ce consumul de energie crește, eficiența devine tot mai importantă. Acest lucru este determinat, în parte, de preocupările legate de sustenabilitate, dar și de faptul că, în unele regiuni, producția de energie întâmpină dificultăți în a ține pasul cu cererea tot mai mare a centrelor de date.
Pentru a răspunde acestei situații, guvernele și organismele de standardizare dezvoltă o serie de programe menite să îmbunătățească performanța soluțiilor de conversie a puterii, inclusiv inițiative precum 80 PLUS și ENERGY STAR. Acestea țin cont de sarcinile dinamice specifice centrelor de date și urmăresc optimizarea eficienței la toate nivelurile de putere de funcționare, inclusiv în ceea ce privește consumul în regim de așteptare.
De la cerințele de eficiență la arhitectura de alimentare
Cererea tot mai mare de acceleratoare GPU pentru aplicațiile AI determină creșterea nivelurilor de putere ale centrelor de date la peste 100 kW per rack. Pentru a reduce curentul și pierderile asociate distribuției energiei, multe arhitecturi utilizează tensiuni de intrare mai ridicate – precum 400 V sau 800 V – care sunt apoi reduse la nivelul unei magistrale intermediare, de regulă de aproximativ 48–54 V, pentru distribuția în interiorul rack-ului.
Figura 3: SuperQ poate reduce numărul de MOSFET-uri conectate în paralel în proiectele LLC. (Sursă: iDEAL Semiconductor)
Topologiile rezonante, inclusiv convertoarele în punte completă cu defazaj (PSFB) și convertoarele LLC, sunt utilizate frecvent în aceste aplicații deoarece reduc pierderile de comutație și permit obținerea unei eficiențe ridicate la niveluri mari de putere. În aceste topologii, pierderile de conducție sunt adesea predominante, în special la cicluri de funcționare ridicate și în condiții de sarcină mare.
SuperQ reduce pierderile în conversia de putere
MOSFET-urile SuperQ răspund acestei provocări oferind o rezistență specifică în stare de conducție foarte scăzută la valorile nominale de tensiune utilizate în mod obișnuit pe partea secundară a surselor de alimentare care realizează conversia de la înaltă la joasă tensiune. Zona de conducție extinsă, posibilă datorită arhitecturii RESURF asimetrice, permite proiectanților să reducă pierderile de conducție fără a crește numărul de dispozitive. În proiectele practice, precum cel prezentat în Figura 3, acest lucru se poate traduce printr-un număr mai mic de MOSFET-uri conectate în paralel în etapele de redresare sincronă.
Pierderile mai mici ale dispozitivelor reduc, de asemenea, stresul termic și simplifică răcirea, ceea ce este deosebit de important în sursele de alimentare pentru servere cu densitate ridicată de putere. Pentru proiectanții care optimizează eficiența pentru a îndeplini cerințele de reglementare și obiectivele operaționale, aceste caracteristici fac ca dispozitivele SuperQ să fie foarte potrivite pentru etapele rezonante de conversie a puterii din centrele de date, unde pierderile de conducție și cele de comutație trebuie echilibrate cu atenție.
Sisteme de acționare a motoarelor și sisteme alimentate de baterii
Motoarele electrice reprezintă un alt consumator major de energie electrică, devenind tot mai răspândite într-o gamă largă de aplicații. Și în acest caz, eficiența este esențială pentru reducerea consumului de energie și pentru realizarea unor soluții mai compacte, care funcționează la temperaturi mai scăzute.
Într-o configurație tipică a unui sistem de acționare a motoarelor, prezentată în Figura 4, MOSFET-urile sunt utilizate nu numai în etajul invertorului care comandă fazele motorului, ci și pentru comutarea magistralei de curent continuu (DC-link), în circuitele de protecție și în sistemele de management al bateriei (BMS) din platformele alimentate de baterii.
Figura 4: Sistemele de acționare a motoarelor beneficiază de creșteri semnificative de performanță prin utilizarea SuperQ. (Sursă: iDEAL Semiconductor)
Dispozitivele SuperQ oferă pierderi reduse de conducție (RDS(ON)), suportă curenți mari de scurtcircuit și prezintă o arie extinsă de funcționare sigură (SOA – Safe Operating Area), caracteristici avantajoase pentru sistemele BMS și comutatoarele de curent continuu.
Pierderile de comutație și comportamentul de recuperare inversă influențează semnificativ eficiența sistemelor de acționare a motoarelor, în special în cazul invertoarelor cu modulație în lățime a impulsurilor (PWM) care funcționează la frecvențe de comutație mai ridicate. Stocarea redusă a sarcinii în arhitectura SuperQ contribuie la limitarea pierderilor dinamice și a solicitărilor de comutație, îmbunătățind astfel eficiența și performanța termică.
Fiabilitatea reprezintă o preocupare majoră în aplicațiile de acționare a motoarelor, unde dispozitivele trebuie să reziste la cicluri termice repetate, suprasarcini tranzitorii și defecțiuni ocazionale. Deoarece dispozitivele SuperQ sunt realizate din siliciu, acestea păstrează tehnicile consacrate de comandă a porții, caracteristicile de fiabilitate, standardele de calificare și robustețea pe care proiectanții le așteaptă, oferind în același timp performanțe îmbunătățite față de MOSFET-urile convenționale din siliciu.
Concluzie
De mai bine de două decenii, proiectanții de sisteme de putere s-au confruntat cu compromisurile consacrate ale dispozitivelor SuperJunction din siliciu – echilibrând eficiența, robustețea și costul, în timp ce se apropiau de limitele practice ale arhitecturilor RESURF simetrice. În aplicațiile care necesită performanțe mai ridicate, dispozitivele cu bandă interzisă largă au oferit o alternativă, dar adesea cu prețul unei complexități mai mari a proiectării, al unei robusteți mai reduse, al disponibilității sau al costului total al sistemului.
Arhitecturile RESURF asimetrice, precum SuperQ, introduc o nouă opțiune în domeniul siliciului prin creșterea semnificativă a zonei de conducție, menținând în același timp capacitatea de funcționare la tensiuni înalte. Reducerea rezistenței specifice în stare de conducție și a pierderilor de comutație se traduce direct în avantaje practice de proiectare, inclusiv un număr mai mic de dispozitive conectate în paralel, simplificarea gestionării termice și o eficiență îmbunătățită într-o gamă largă de condiții de funcționare.
Pentru proiectanții care evaluează sisteme de putere de nouă generație, fie că este vorba despre conversia de putere în centrele de date, sisteme de acționare a motoarelor sau alte aplicații de înaltă eficiență, aceste progrese permit o reevaluare a rolului siliciului. În locul unei alegeri între siliciul matur și alternative cu un grad mai ridicat de risc, noile arhitecturi din siliciu oferă o modalitate de a obține îmbunătățiri semnificative ale performanței, păstrând în același timp fiabilitatea dovedită, scalabilitatea și avantajele de fabricație pe care siliciul continuă să le ofere.
Glosar de termeni
RESURF – tehnică de structurare a dispozitivelor de putere bazată pe echilibrarea sarcinii, utilizată pentru a susține tensiuni ridicate cu rezistență redusă în stare de conducție.
SuperJunction – arhitectură RESURF cu regiuni alternante de tip p și n în regiunea de drift, utilizată pentru îmbunătățirea raportului dintre tensiunea de blocare și rezistența specifică.
p-pillar – termen utilizat în arhitecturile SuperJunction pentru regiunea de tip p care contribuie la echilibrarea sarcinii și la susținerea tensiunii de blocare. În arhitectura SuperQ, această regiune este înlocuită cu un șanț proprietar foarte adânc și îngust, cu sarcină pe pereții laterali.
SuperQ – arhitectură RESURF asimetrică dezvoltată de iDEAL Semiconductor, care mărește zona de conducție și reduce pierderile în dispozitivele de putere din siliciu.
Regiune de drift – regiunea semiconductorului care contribuie major la susținerea tensiunii de blocare și la rezistența dispozitivului.
RSP – rezistența specifică în stare de conducție, raportată la aria dispozitivului; permite compararea performanței structurale a diferitelor tehnologii.
RDS(ON) – rezistența drenă-sursă a MOSFET-ului în stare de conducție, parametru important pentru pierderile de conducție.
Recuperare inversă – proces asociat eliminării sarcinii stocate atunci când sensul curentului se inversează; influențează pierderile și solicitările de comutație.
PSFB – convertor în punte completă cu defazaj, utilizat frecvent în aplicații DC/DC de putere ridicată.
LLC – topologie rezonantă cu două elemente inductive și un element capacitiv, utilizată pentru obținerea unei eficiențe ridicate și reducerea pierderilor de comutație.
Redresare sincronă – tehnică de redresare care utilizează MOSFET-uri comandate în locul diodelor pentru reducerea pierderilor de conducție.
DC-link – magistrală intermediară de curent continuu care transferă energia între etajele unui sistem de conversie.
SOA (Safe Operating Area) – aria de funcționare sigură a unui dispozitiv, definită de combinațiile de tensiune, curent și condiții termice în care acesta poate funcționa în siguranță.