Tendinţe în electronica de putere

Power goes fast and smart

de Andreas Glaser, Senior Marketing Manager Power Semiconductors Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

În aceste vremuri ale Smartphone-urilor şi iPad-urilor, Industrie 4.0 şi Internet of Things împing puţin în planul doi “greii” din industria de semiconductori. Totuşi, aparenţele sunt înşelătoare: sursele de alimentare care sunt mereu “mai smart”, “mai digitale”, “mai independente de reţea”, descentra­lizate şi eficiente, fac din Power Management IC, controlere în comutaţie şi MOSFET-uri, componentele de bază ale acestor sisteme. Pieţele în creştere şi aplicaţiile precum Wireless Charging, Energy Harvesting şi Digital Power solicită tehnologii şi procese noi din domeniul electronicii de putere.
Astfel, la momentul actual, lupta se dă pentru fiecare strop de eficienţă. Cele mai multe inovaţii sunt realizate de-a lungul a trei idei principale:
• Reducerea puterii disipate statice şi dinamice dă posibilitatea formelor constructive mai mici la aceeaşi putere, de generare de căldură evident mai scăzută în aplicaţii şi nu în ultimul rând, de eficienţă mai ridicată în întregul sistem care devine din punct de vedere al diferitelor normative (de ex. certificatul 80+) din ce în ce mai important pentru dezvoltarea produselor.
• Optimizarea caracteristicilor termice asigură o durată funcţională mai ridicată a elementelor constructive şi a sistemelor.
• Integrarea sporită a elementelor constructive asigură printre altele o proiectare mai compactă precum şi o prelucrare şi o aprovizionare a materialelor mai simplă.

IGBT

Întrerupătoarele bipolare – cu reprezentanţii lor populari, discreţii IGBT şi modulele IGBT – sunt văzute la momentul actual într-o creştere considerabilă în utilizare datorită integrării ridicate a componentelor şi a frecvenţelor înalte de comutare. Gama de aplicaţii variază de la mecanismele tradiţionale de control a motorului la invertoare solare, la modul comutat PSU. Prin soluţii modulare se pot realiza soluţii de sistem fiabile, eficiente şi compacte. Împreună cu producătorii Infineon, ST, Rohm, Vishay, BYD, Bosch şi Vincotech, Rutronik oferă aici un portofoliu larg de produse la cel mai recent stadiu al tehnicii.

MOSFET

Întrerupătoarele moderne unipolare, cele mai importante dintre ele fiind MOSFET-urile (metal-oxid semiconductor cu efect de câmp), îndeplinesc cerinţa de miniaturizare şi de reducere a puterii disipate prin rezistenţa lor internă redusă (Rdson) precum şi de reducere a capacităţii parazite. În plus, acestea oferă noi provocări în faţa dezvoltatorilor, deoarece aceste măsuri nu duc doar la reducerea pierderilor, dar şi la obţinerea unor frecvenţe înalte de comutare. Miniaturizarea carcasei contribuie de asemenea la obţinerea unor viteze de comutaţie mai rapide mulţumită reducerii suprafeţelor chip-urilor. Controlul vitezei de comutaţie a MOSFET-urilor, prin care se asigură astfel compati­bilitatea electromagnetică (EMC), reprezintă tema principală a dezvoltării sistemelor. Aceasta poate fi adesea soluţionată printr-o comandă corectă a MOSFET-urilor precum şi prin optimizarea layout-ului circuitului PCB. Mai puţine trasee de circuit precum şi componente de sistem dispuse inteligent, pot reduce semnificativ pierderile inductive. Concordanţa perfectă sau adaptarea driver-ului MOSFET-ului reprezintă cele mai importante aspecte ale dezvoltării circuitului.
Pentru aplicaţiile din industria auto, sunt solicitate din ce în ce mai mult componentele certificate AECQ 100 care trebuie să opereze într-un domeniu de temperatură extins până la 125°C. În condiţiile de mediu extrem, precum zona compartimentului de la motor, există chiar şi cerinţe de temperatură de până la 200°C. Producătorii sunt solicitaţi astfel, să îndeplinească cerinţele clienţilor prin soluţii inovative. Metodele convenţionale de prelucrare se lovesc de propriile limite care nu mai pot garanta o siguranţă funcţională şi robusteţe.

Comutatoare cu bandă interzisă largă (Wide Band Gap

)
Switch-urile Wide Band Gap cu carbură de siliciu (SiC) şi nitrat de galiu (GaN) şi J-FET-urile dispun de caracteristici termice excepţionale şi oferă performanţe înalte în ceea ce priveşte disipaţia de putere.
Acestea oferă disipaţie de putere scăzută în timp ce menţin frecvenţe de comutaţie înalte şi tensiuni de blocare ridicate, cerinţe foarte impor­tante pentru sistemele eficiente energetic precum UPS-urile, panourile solare, celulele fotovoltaice, dar şi aplicaţiile E Mobility. Pentru a evalua dacă se justifică costurile mai ridicate ale acestor tehnologii sau compo­nente, trebuie avute în vedere costurile sistemului deoarece acestea asigură economiile pe de altă parte. De exemplu, în cazul în care sunt adecvate componente pasive semnificativ mai mici, atunci solenoizii şi filtrele pot fi de asemenea mai mici. Radiatorul – un factor de cost de sine stătător, poate fi de asemenea redus în mod semnificativ în ceea ce priveşte construcţia şi dimensiunile, sau chiar se poate renunţa la el.
Aceste inovaţii îşi vor aduce contribuţia la dezvoltarea aparatelor finale mai eficiente, confortabile, performante şi compacte. Noile inovaţii permit adaptoarelor de tensiune să fie montate direct în dispozitiv (Laptop) în timp ce senzorii, micile motoare şi dispozitivele conectate la IoT să se auto-alimenteze cu energie. Devine astfel posibil şi transferul wireless de energie la densităţi mai ridicate de putere. Tehnologii precum SiC şi GaN, care sunt încă la începutul ciclului de viaţă productiv, servesc drept un impuls suplimentar pentru această dezvoltare. În timp ce noile tehnologii încep să se maturizeze, acestea vor cuceri noi pieţe şi aplicaţii. Cu toate acestea, ele nu vor înlocui complet tehnologia actuală bazată pe siliciu care oferă o foarte bună fiabilitate în funcţionare, avantaje mari din punct de vedere al integrării orizontale, robusteţei şi costurilor ￭

www.rutronik.com