Pentru proiectanții de sisteme de putere, orice tehnologie nouă care face posibilă îmbunătățirea performanțelor și, în același timp, micșorarea dimensiunilor și eficientizarea consumului de energie al produselor este un concept foarte interesant – vorbim de teritoriul Sfântului Graal. În ultimul secol, lumea electronicii de putere a fost martora multor invenții și inovații și, fără a ne întoarce direct la Thyratron, ultima inovație majoră a fost trecerea de la controlul analogic la cel digital. Cu toate acestea, acum suntem martorii unui nou pas uriaș în tehnologie, prin implementarea semiconductorilor Wide Band Gap (Tehnologia WBG).
Figura 1: Proiectanții cu experiență în domeniul electronicii de putere au depășit de-a lungul timpului multe bariere tehnologice majore, iar adoptarea GaN urmează același tipar. (Sursă imagine: PRBX / Geoffrey A. Moore)
Nitrura de galiu și carbura de siliciu sunt utilizate de ani de zile în amplificatoarele de putere radio și în diodele de înaltă tensiune, dar abia acum câțiva ani au devenit parte a tehnologiei de comutație a puterii prin intermediul tranzistoarelor. Adoptarea unei noi tehnologii este plină de provocări care, oarecum surprinzător, nu sunt întotdeauna tehnice. Învățarea este o parte importantă a drumului către succes, însă adoptarea pe piață și construirea unui nou ecosistem sunt mult mai complicate decât ar putea părea la început. Să facem o trecere în revistă a stadiului în care se află în prezent tehnologia WBG și care sunt provocările încă nerezolvate.
Primele inițiative au stimulat adoptarea GaN!
Inevitabil, pentru noile tehnologii, perioada de introducere pe piață este un proces îndelungat, iar de la cercetarea inițială, brevetarea, lansarea tehnologiei și adoptarea pe piață, aceasta poate dura mai mult de 10 ani. Suntem cu toții conștienți de curba camel-back (figura 1), iar pentru aceia dintre noi care fac parte din categoria entuziaștilor tehnologiei, succesul unei noi tehnologii va veni de la pragmatici și conservatori.
Introdus în 2005, controlul digital în sursele de alimentare a fost adoptat pe scară largă, dar după 20 de ani este în continuare considerat de sceptici drept o curiozitate. În condiții normale, ar fi trebuit să fie la fel și în cazul adoptării tehnologiei WBG, dar cererea pieței pentru consumuri mai mici și mai reduse, modernizarea industriei, tehnologiile emergente și celebra inteligență artificială au contribuit la accelerarea proceselor de învățare și implementare.
Figura 2: Controlul diodei laser GaN în nanosecunde pentru a permite autonomia avansată a vehiculelor. (Sursă imagine: PRBX cu amabilitatea Efficient Power Conversion (EPC))
În contextul în care Conferința Applied Power Electronics (APEC) sărbătorește 40 de ani de existență, este bine să reamintim că, pentru mulți analiști din domeniul tehnologiei, piatra de temelie a WBG a fost pusă la APEC-2018, atunci când promotorii noii generații de semiconductori au demonstrat potențialul comercial al acestei tehnologii. Ar fi imposibil să îi menționăm pe toți, dar printre liderii care promovează GaN aș menționa ideea EPC (Efficient Power Conversion) de a implementa GaN în LiDAR, care mi s-a părut foarte interesantă, mai ales că această tehnologie devine predominantă în noua generație de vehicule (figura 2).
Adopția tehnologiei GaN în sistemele LiDAR și aplicațiile emergente
LiDAR, acronim pentru “Light Detection And Ranging” (detectarea și măsurarea distanței cu ajutorul luminii), este o tehnologie care utilizează impulsuri laser pentru a cartografia un mediu. Când impulsul intră în contact cu un obiect sau un obstacol, acesta se reflectă sau se întoarce la unitatea LiDAR. Sistemul primește apoi impulsul și calculează distanța dintre acesta și obiect pe baza timpului scurs între emiterea impulsului și recepționarea fasciculului de retur. Sistemele LiDAR sunt capabile să proceseze un volum mare de impulsuri, unele sisteme emițând milioane de impulsuri pe secundă. Pe măsură ce fasciculele returnate sunt procesate, sistemul generează o imagine completă a mediului înconjurător, permițând utilizarea unor algoritmi computerizați sofisticați pentru a distinge forme și identifica obiecte, cum ar fi mașini și persoane.
Datorită frecvenței ridicate de operare, care permite o modulare mai rapidă a impulsurilor laser, aplicațiile LiDAR au fost printre primele care au adoptat tehnologia GaN. Capacitatea lor de a gestiona curenți mari cu pierderi minime este esențială pentru îmbunătățirea preciziei și extinderea razei de acțiune a sistemelor LiDAR. Avantajele oferite de GaN în ceea ce privește eficiența și densitatea puterii permit dezvoltarea de sisteme LiDAR mai mici și mai ușoare, ceea ce le face o soluție potrivită pentru diverse aplicații, inclusiv în industria auto, aerospațială, securitate, robotică și drone. În concluzie, dezvoltarea aplicațiilor LiDAR a contribuit la adoptarea GaN, reprezentând un segment de piață semnificativ.
2018 a fost, totodată, anul în care producătorii de adaptoare USB au început să ia în considerare implementarea tehnologiei WBG pentru a oferi mai multă putere în dispozitive mai mici și pentru a obține un avantaj competitiv. Am menționat EPC, dar Navitas Semiconductors este un alt exemplu de companie inovatoare care, încă de la început, a dus tehnologia GaN la un nivel superior prin integrarea driverelor și switch-urilor pe același substrat.
Reducerea complexității – cheia succesului!
Când a fost prezentată pentru prima dată, utilizarea semiconductorilor de putere WBG era limitată de numărul de drivere disponibile, ceea ce îngreuna luarea în considerare a acestei tehnologii de către proiectanții de sisteme de alimentare. De asemenea, noile tehnologii sunt întotdeauna puse sub semnul întrebării în ceea ce privește fiabilitatea și sustenabilitatea.
Figura 3: Integrarea GaN în încărcătoarele USB-C permite reducerea dimensiunii și greutății, crescând densitatea de putere și eficiența. (Sursă imagine: PRBX cu amabilitatea Navitas Semiconductor)
Adoptarea pe piață depinde de cât de ușor este pentru proiectanții de sisteme de putere obișnuiți cu MOSFET-urile convenționale să utilizeze WBG și de viteza cu care producătorii de semiconductori dezvoltă soluții “gata de utilizare” care includ drivere, protecție, monitorizare și multe alte funcționalități într-un singur cip. Acest lucru nu numai că simplifică implementarea, dar reduce și dimensiunea totală a etapei de putere și, combinat cu frecvențe de comutare mai mari, face posibilă reducerea dimensiunii componentelor magnetice, crescând astfel densitatea de putere și reducând volumul și masa totală a sursei de alimentare.
Simplificarea integrării tehnologiei GaN în sursele de alimentare portabile
Așa cum am menționat, printre numeroasele produse care ar putea beneficia de implementarea tehnologiei WBG, am putea evidenția încărcătoarele pentru echipamente portabile. În calitate de utilizatori finali, cu toții ne așteptăm ca încărcătoarele USB să ofere mai multă putere, să încarce mai repede și să fie mai mici și mai ușoare.
În 2020, această dorință a devenit realitate, iar un exemplu al avantajelor utilizării tehnologiei WBG GaN pentru a atinge acest obiectiv este încărcătorul rapid Mini de 110 W, cu o dimensiune mai mică de 12 ori decât cea a încărcătorului de 96 W furnizat împreună cu Apple MacBook Pro 16 lansat de OPPO (figura 3). Acest lucru a fost posibil prin combinarea circuitelor integrate de putere GaNFast de la Navitas cu un transformator planar, o topologie optimizată și o frecvență de comutare mai mare.
Figura 4: Circuitul integrat (IC) EPC23101, bazat pe tehnologia GaN proprietară EPC, a simplificat procesul de proiectare. (Sursă imagine: PRBX cu amabilitatea Efficient Power Conversion (EPC))
În același timp, EPC a lansat un circuit integrat GaN care integrează totul pentru a facilita implementarea în noile proiecte ale constructorilor de circuite de putere (figura 4). Aceste exemple ilustrează modul în care producătorii de GaN WBG au trecut rapid de la “complex” la “simplu” pentru a implementa tehnologia, contribuind la creșterea volumului de producție și la adoptarea pe piață.
Tehnologia GaN de înaltă putere pune bazele viitorului!
După cum am văzut, conduși de segmentul de consum, proiectanții de putere au înțeles rapid beneficiile oferite de GaN pentru a oferi mai multă putere în dimensiuni mai mici. Proiectanții de putere au trebuit să facă față unor provocări pentru a dezvolta frecvențe de comutare ridicate utilizând tehnologia GaN în ambalaje foarte compacte, dar aceasta a fost o perioadă foarte interesantă pentru mulți dintre noi.
Exemplele prezentate au vizat aplicații de mică și medie putere, dar, în același timp, WBG a primit un interes ridicat pentru aplicații de mare putere, cum ar fi vehiculele electrice (EV), energia regenerabilă și multe altele.
Vehiculele electrice (EV) au înregistrat o creștere semnificativă a tehnologiei WBG și, în prezent, aceasta este tehnologia dominantă în încărcătoare de baterii, trenuri de alimentare și, așa cum am mai spus, echipamente precum LiDAR. Vehiculele electrice sunt deseori prezentate ca o vitrină pentru adoptarea tehnologiei WBG, dar nu trebuie neglijat rolul tehnologiei informației și comunicațiilor (ICT) în sprijinirea cercetării privind GaN și SiC, mai puțin cunoscut.
Această cercetare a vizat dezvoltarea următoarei generații de surse de alimentare pentru a sprijini tehnologiile de hiperprocesare și centrele de date în domeniul inteligenței artificiale (AI). Adoptarea rapidă a inteligenței artificiale este însoțită de o creștere semnificativă a volumului de date și de creșterea cerințelor de calcul. Se estimează că, în 2025, volumul de date va ajunge la 180 zettabytes, față de 15 zettabytes în 2015. Potrivit cercetătorilor de la OpenAI Dario Amodei și Danny Hernandez, cantitatea de putere de calcul utilizată pentru învățarea profundă în vederea antrenării modelelor AI de ultimă generație s-a dublat la fiecare 3,4 luni începând din 2012. Această creștere continuă a puterii de calcul are un impact direct asupra consumului de energie electrică, centrele de date AI urmând să reprezinte până la 7% din cererea globală de energie electrică până în 2030.
Tehnologia WBG – pilon esențial pentru tranziția energetică și digitală
Figura 5: Tehnologia WBG contribuie la alimentarea eficientă a centrelor de date AI. (Sursă imagine: PRBX cu amabilitatea Navitas Semiconductor)
Optimizarea utilizării energiei a fost întotdeauna o preocupare majoră pentru producătorii din domeniul ICT, determinând toți furnizorii, de la infrastructură până la componente, să reducă consumul energetic. Încă din primele etape ale cercetărilor privind îmbunătățirea surselor de alimentare și a eficienței convertoarelor AC/DC sau DC/DC, proiectanții de electronică de putere au explorat tehnologii emergente și au încheiat parteneriate cu producătorii de semiconductori. Au fost prezentate numeroase lucrări la APEC și la alte conferințe. Merită menționată compania Navitas Semiconductors, care, la APEC 2022, a prezentat inițiativa “Electrify Our World”, evidențiind beneficiile tehnologiei WBG în sectorul ICT. În 2024, aceste beneficii s-au concretizat în surse de alimentare pentru centrele de date, compania estimând că cererea de energie per unitate va atinge, în cele din urmă, 10 kW (graficul din figura 5).
Explorând avantajele unei combinații optime între tehnologiile GaN și SiC, compania a lansat un proiect de referință de 8,5 kW, cu o eficiență de 98%, conform specificațiilor OCP (Open Compute Project) și Open Rack v3 (ORv3), fiind deja pregătit pentru noile cerințe stricte de eficiență energetică (figura 5). Acesta reprezintă un exemplu elocvent al modului în care tehnologia WBG, alături de alte soluții avansate, contribuie la alimentarea aplicațiilor ICT actuale și viitoare – iar așteptările continuă să crească.
Aplicații industriale în faza de tranziție
LiDAR, încărcătoarele USB și ICT reprezintă o parte importantă a pieței, dar și alte segmente, precum cel industrial, feroviar și medical, investighează avantajele oferite de această tehnologie, deși există unele îngrijorări cu privire la fiabilitatea și disponibilitatea noilor tehnologii.
Conform analiștilor de piață, deși tehnologia GaN este prezentă pe piață de câțiva ani, aceasta rămâne fragmentată, fiecare producător de GaN oferind combinații diferite de produse și servicii destinate unor segmente specifice. Pentru a profita la maximum de GaN, proiectanții de sisteme de alimentare trebuie să colaboreze strâns cu producătorii de semiconductori și să adopte soluții complete (tranzistoare GaN, drivere, protecție etc.) provenite de la un singur furnizor, chiar dacă acest lucru poate ridica îngrijorări cu privire la riscurile utilizării produselor unui furnizor nou, cu o istorie și o situație financiară limitate. Fără a menționa unele aplicații, de exemplu cele feroviare, care necesită o durată de viață de 25 de ani și disponibilitatea produselor pentru întreținere, necesitatea unui lanț de aprovizionare solid și durabil face parte dintr-o ecuație complexă atunci când se ia în considerare o nouă tehnologie.
Adoptarea tehnologiilor WBG în aplicații industriale, feroviare și medicale
Figura 6: Sursele de alimentare industriale COSEL, care utilizează GaN și magnetica integrată, sunt optimizate pentru spații reduse. (Sursă imagine: PRBX/COSEL)
Din acest motiv, adoptarea tehnologiilor WBG în aplicații industriale, feroviare și medicale este, în general, mai lentă decât în cazul vehiculelor electrice, al echipamentelor ICT și al produselor de larg consum. Cu toate acestea, beneficiile evidente ale WBG i-au determinat pe proiectanți să exploreze activ această direcție. Un exemplu este cercetarea realizată de COSEL, care combină controlul digital, tranzistoare GaN și magnetism planar, permițând dezvoltarea unor soluții de alimentare extrem de compacte, ușor de integrat în medii cu spațiu limitat (figura 6). Astfel, devine posibilă integrarea sursei de alimentare împreună cu o baterie de rezervă în același volum ocupat anterior de o sursă convențională echivalentă. Pe măsură ce apar noi aplicații cu cerințe de performanță tot mai ridicate, tehnologia WBG va continua să câștige cote de piață, urmând traiectoria inițiată de utilizatorii timpurii.
Concluzie
Multe dintre provocările cu care s-au confruntat proiectanții de surse de alimentare atunci când tehnologia WBG a fost prezentată, în urmă cu opt ani, la APEC au fost deja depășite, iar astăzi nu mai există nicio îndoială că GaN și SiC și-au dovedit pe deplin potențialul. Numărul aplicațiilor care adoptă tehnologia WBG este în continuă creștere, în timp ce noi tehnologii disruptive apar pe piață, oferind proiectanților oportunități interesante de cercetare și dezvoltare. Mi-am început cariera în industria electronicii de putere acum mai bine de 40 de ani, într-o perioadă în care treceam de la conversia liniară la cea în comutație – o schimbare majoră care a deschis calea către o nouă eră tehnologică. Astăzi, îi încurajez pe tinerii ingineri să îmbrățișeze inovația cu aceeași pasiune și să contribuie, prin creativitate și curaj, la atingerea acelui randament aproape mitic de 99,99%.
Referințe:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
COSEL: https://en.cosel.co.jp/
Navitas Semiconductor: https://navitassemi.com/
Efficient Power Conversion (EPC): https://epc-co.com/epc
Applied Power Electronics Conference (APEC): https://apec-conf.org/
GaN Technology – Material, Manufacturing, Devices and Design (Edited by Maurizio Di Paolo Emilio): https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-63238-9
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
