С самых первых дней, когда в оборудовании силовой электроники использовались вакуумные трубки, инженеры-энергетики были озабочены энергоэффективностью, оптимизацией энергопотребления и тем, как сделать источники питания более надежными, компактными и интеллектуальными.

Вероятно, немногие из нас помнят появление тиратрона или патент Джулиуса Эдгара Лилиенфельда на полевой транзистор 1925 года, но электронная промышленность полна удивительных изобретений и инноваций, и все они способствуют достижению мифического уровня эффективности в 99%.

В связи с растущей заботой об окружающей среде и сокращением энергопотребления, необходимостью соблюдения правительственных постановлений и, конечно же, индивидуальными инициативами, спрос на проектировщиков энергетических установок для разработки очень эффективных энергетических решений был велик. Но одновременно с этим и создавая еще больше трудностей, новые приложения потребовали меньших по размеру источников питания с беспрецедентно высокой ожидаемой плотностью мощности.

Законы физики есть законы физики, и, несмотря на многочисленные изменения в топологиях коммутации, разработчики силовых установок столкнулись с препятствиями, требующими решения, способного переключаться быстрее, с меньшими потерями мощности и, по возможности, сохранять хорошие характеристики при более высоких температурах.

Несмотря на технологические достижения в области обычных полупроводников, стало трудно увеличить частоту переключения на величину в 10 раз при одновременном уменьшении физических размеров источников питания и снижении потерь мощности.

Среди различных путей достижения этой цели исследование материалов, обладающих более высокими эксплуатационными характеристиками, таких как электронные запрещенные зоны с более высокой энергией, выявило потенциал нитрида галлия и карбида кремния. Оба материала использовались и раньше, например, SiC-диоды и GaN-светодиоды, но использование широкополосных полевых транзисторов появилось в истории силовой электроники относительно недавно.

Что касается всех новых технологий, GaN FET и SiC FET прошли классический процесс, начиная с новаторов, заканчивая ранними приверженцами и теперь достигая раннего большинства. Что очень интересно, так это то, что, вероятно, благодаря большому количеству новаторов, GaN и SiC manufacturing очень быстро добились успеха в освоении нишевых рынков с очень высоким потенциалом роста.

Технологии Wide Bandgap (WBG) были представлены на многих конференциях, но я считаю, что настоящий старт состоялся в 2018 году, когда “челленджеры” продемонстрировали коммерческий потенциал технологии WBG. Невозможно перечислить их всех, но среди лидеров, продвигающих GaN, я бы сказал, что идея эффективного преобразования энергии (EPC) для внедрения GaN в LIDAR (обнаружение света и дальномеры) была действительно интересной, особенно с учетом того, что эта технология становится преобладающей в автомобилях нового поколения. 2018 год также был годом в котором производители USB-адаптеров начали рассматривать возможность внедрения WBG. Navitas — еще один пример инновационной компании, которая в первые дни вывела интеграцию GaN на более высокий уровень, разместив драйверы и переключатели на одной подложке. Если сегодня интеллектуальный GaNFET становится стандартом, то когда Navitas представила эту концепцию, этого не было.

Если ГВБ является очень многообещающей технологией, мы должны иметь в виду еще одну символическую веху для технологии под названием «Цифровая энергетика», которая появилась в 2003 году как многообещающая технология.

Как и digital power 17 лет назад, GaN, начав свой путь всего несколько лет назад, пошла по аналогичному пути, постепенно переходя от ‘технического любопытства’ к ‘коммерческому продукту’. Digital power и GaN — это технологии, которые были оспорены и активно обсуждались при выводе на рынок, и интересно связать их таким образом, особенно когда в результате объединения лучшего из двух технологий получаются действительно выдающиеся коммерческие продукты.

Шаг за шагом к зрелости

Как и в случае любой новой технологии, особенно прорывной, переход от исследовательского уровня к крупносерийному производству является длительным процессом, который включает в себя новое обучение инженеров–электронщиков, а в случае GaN – внедрение топологий переключения нулевого напряжения, требующих очень специфических драйверов и новых способов управления ими.

Несмотря на огромные преимущества GaN-транзисторов, в течение многих лет отсутствие драйверов ограничивало уровень интереса со стороны промышленных дизайнеров. К счастью, возросшее за последние два года число производителей полупроводников, инвестирующих в GaN, упростило внедрение этой технологии.

Многие технические барьеры были устранены. Производственные процессы постепенно оптимизировались для увеличения выхода и снижения затрат, были внедрены процессы контроля качества, характерные для этой технологии, и в ноябре 2017 года организация JEDEC объявила о создании нового комитета по установлению стандартов для широкополосных силовых полупроводников (JC-70). Далее, в феврале 2019 года была опубликована публикация JEP173: Руководство по методу динамических испытаний на сопротивление для Мощность на основе GaN HEMT Преобразовательные устройства. Шаг за шагом головоломка решается, и если GaN в течение многих лет широко использовался в светодиодных и радиочастотных приложениях, то производители источников питания для коммерческого применения теперь берут его на вооружение.

Цифровое питание и GaN

Что делает жизнь энергетиков такой захватывающей, так это постоянный уровень инноваций, позволяющий повышать производительность, тем самым способствуя снижению воздействия на окружающую среду и созданию устойчивого общества. Сочетание преимуществ цифрового питания с производительностью GaN и возможностью переключения на высоких частотах при низких потерях мощности позволяет проектировщикам разрабатывать устройства с очень высокой плотностью мощности.

В результате такого сочетания получаются изделия меньшего размера с меньшей рассеиваемой мощностью, которые соответствуют строгим требованиям, предусмотренным в ближайшие годы (например, микроамперы для резервного питания). Одним из практических примеров являются USB-зарядные устройства, в которых, комбинируя цифровые и GaN-технологии, несколько компаний в некоторых случаях почти втрое увеличивают удельную мощность стандартного USB-зарядного устройства. Это не говоря уже об оборудовании для коррекции коэффициента мощности в несколько киловатт, вписывающемся в существующую мощность в 500 Вт. Мы все стремимся выйти за рамки дозволенного, и нет сомнений, что мы быстро движемся к 99%-ной эффективности, но как разработчики силовых установок мы должны учитывать новое измерение, которое включает в себя более крупную экосистему.

Умная энергетика становится реальностью

WBG и digital power привнесли стратегические, перспективные технологии в арсенал разработчиков электроэнергии, и каждый день мы достигаем новых пределов, но в современном мире и в результате трансформации отрасли источники питания должны быть одновременно энергоэффективными и одинаково хорошо работать в рамках экосистемы, в которой они работают. они интегрированы.

От USB-PD + PPS для зарядки и связи с аккумулятором до огромной системы автоматизации производства, где все источники питания динамически управляются и оптимизируются для снижения энергопотребления на заводе, разработчикам источников питания придется учитывать новые аспекты при разработке решений для питания следующего поколения.

Если ранее хорошо известная связь PMBus между источником питания и менеджером по питанию /объекту была хорошо понята, то включение связи «Машина-машина» (M2M) с прямым управлением источником питания является относительно новым и только в начале своего пути.

Индустрия 4.0 обеспечит более высокий уровень интеграции программного обеспечения, и если многие источники питания останутся автономными, мы предвидим значительное число приложений, требующих, чтобы источники питания взаимодействовали в рамках их экосистемы очень продвинутым образом (рисунок 01). Интеллектуальная мощность ибо интеллектуальная индустрия становится реальностью, и притом очень захватывающей.

В заключение

Умные фабрики будут использовать интеллектуальные энергетические решения, разработанные дизайнерами Smart Power, все они нацелены на 99%-ную эффективность, но с другим прицелом на амбициозную цель в 99,99%!