image featured from : unsplash.com
Teknologi dominan di zaman kita adalah komputer seluler di saku kita yang benar-benar memegang kunci untuk semua aspek kehidupan kita, pusat data tempat mereka terhubung secara permanen, dan IoT serta setiap “benda” pintar yang terhubung dengannya.
Kami terus memuat lebih banyak hidup kami ke sumber daya ini dan menjadi lebih bergantung pada tanggapan seketika. Dan saat kita memasuki era kendaraan yang terhubung, semi-otonom, dan sepenuhnya otonom, kinerja waktu-nyata yang deterministik merupakan persyaratan penting keselamatan.
Semua faktor ini meningkatkan permintaan daya kami, meski tidak dengan harga berapa pun. Sangat penting untuk meminimalkan ukuran dan berat perangkat seluler baik smartphone atau kendaraan listrik sementara pusat data berada di bawah tekanan terus-menerus untuk meningkatkan kinerja komputasi secara drastis dalam batasan ketat pada real estate.
Adopsi Lebar-Bandgap
Tuntutan untuk kinerja yang lebih besar dalam faktor bentuk yang sama atau lebih kecil memfokuskan pemikiran desainer pada teknik untuk meningkatkan kepadatan daya. Teknologi semikonduktor celah pita lebar (WBG), termasuk silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) telah memungkinkan perubahan bertahap dalam efisiensi konversi daya. Kemampuan mereka untuk bertransisi dengan cepat antar status diterjemahkan menjadi kerugian switching yang berkurang secara signifikan dan meningkatkan frekuensi switching yang lebih tinggi. Pada gilirannya, ini memungkinkan penggunaan bagian yang lebih kecil, seperti kapasitor dan induktor, yang diperlukan untuk mengelola energi yang mengalir terus menerus melalui rangkaian konversi daya.
Peran KEMET dalam transisi ke komponen yang lebih kecil dan frekuensi operasi yang lebih tinggi terletak pada pengembangan set material baru yang bekerja secara optimal dengan teknologi SiC dan GaN yang baru.
Tim teknik aplikasi kami di KEMET telah bekerja sama dengan tim elektronika daya terkemuka yang memperkenalkan teknologi SiC dalam konverter prototipe baru. Proyek seperti ini telah mendorong pengembangan komponen baru dan sangat optimal, seperti kapasitor keramik KC-LINK kami, yang meminimalkan kehilangan energi pada frekuensi ke rentang megahertz rendah. Ini menggunakan dielektrik C0G tegangan tinggi eksklusif yang memastikan kapasitansi yang sangat stabil terhadap tegangan dan suhu, resistansi seri efektif rendah (ESR), dan sifat termal yang sangat baik. Teknologi interkoneksi non-solder transient liquid phase sintering (TLPS), yang dapat dialirkan kembali, memungkinkan penumpukan beberapa MLCC individu untuk memberikan nilai kapasitansi yang tinggi dalam tapak yang sama dengan kapasitor chip standar tunggal. Kapasitor ini dapat diposisikan dekat dengan semikonduktor fast-switching dalam aplikasi kepadatan daya tinggi. Mereka tersedia dengan voltase pengenal dari 500V hingga 2000V untuk mencakup aplikasi termasuk sistem baterai EV 400V dan 800V.
Sementara itu, gallium nitride (GaN) adalah teknologi semikonduktor celah lebar yang paling banyak digunakan dalam aplikasi pusat data. Frekuensi switching tipikal yang digunakan dalam catu daya pusat data dengan semikonduktor daya silikon konvensional adalah sekitar 300kHz. Teknologi GaN memungkinkan desainer untuk mengadopsi frekuensi switching yang lebih tinggi, meskipun maksimum umumnya hanya sekitar 900kHz karena keterbatasan kinerja yang dipaksakan oleh komponen magnetik. Untuk mengatasi keterbatasan ini, kami telah mengembangkan bahan induktor-inti baru. Bahan ini tidak hanya memiliki permeabilitas tinggi untuk meminimalkan kerugian inti tetapi juga memungkinkan nilai induktansi yang diberikan dengan saturasi lunak untuk dicapai dengan belitan lebih sedikit, sehingga mengurangi kerugian resistif. Bahan baru yang direkayasa ini juga dioptimalkan untuk meminimalkan kerugian dalam rentang frekuensi 1-5MHz dan memungkinkan konverter switching berbasis GaN untuk beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi.
Lebih Banyak Ilmu Material
Departemen ilmu material kami terlibat erat dalam mengembangkan konverter tangki sakelar pertama yang digunakan di pusat data skala besar. Konverter ini secara drastis mengurangi jejak konversi dari bus 48V yang populer ke suplai 12V yang diperlukan untuk memberi daya pada perangkat titik beban individu yang menyediakan berbagai voltase logika. Mereka memilih kapasitor keramik dengan dielektrik U2J untuk meningkatkan stabilitas yang sangat baik dan nilai kapasitansi tinggi dan juga mengembangkan induktor khusus dengan geometri unik yang dirancang untuk meminimalkan kerugian AC switching. Pemilihan ini meningkatkan efisiensi konversi 48V-ke-12V. Kemudian, saat semikonduktor daya generasi berikutnya tiba, kami dapat mengubah kapasitor keramik dari dielektrik U2J ke X7R dan mencapai pengurangan jejak lebih jauh.
Efek adopsi WBG terlihat jelas di seluruh sistem termasuk konverter point-of-load (POL). Ini mewakili tahap akhir pengiriman daya ke prosesor dan FPGA yang melakukan penghitungan angka. Pada perangkat ini, perubahan beban kerja yang tiba-tiba dapat menyebabkan permintaan saat ini berfluktuasi dengan cepat. Catu daya harus merespons perubahan ini dengan cepat, dan ini biasanya dicapai dengan menggunakan regulator tegangan multi-fase. Namun, ini membawa beberapa kerugian dan tidak mendukung pemadatan daya. Pulse Electronics, bagian dari YAGEO Group, telah mengatasi hal ini dengan mengembangkan pengatur tegangan trans-induktor (TLVR) berdasarkan induktor empat terminal belitan ganda. TLVR memberikan respons transien yang cepat dan solusi yang sangat mini sebagai alternatif dari regulator multi-fase konvensional.
Frekuensi switching yang tinggi terkait dengan teknologi WBG dapat secara signifikan mengurangi ketergantungan pada kapasitansi decoupling transien beban yang dekat dengan komponen CPU atau FPGA on board. Menyematkan kapasitor decoupling di PCB telah menjadi cawan suci bagi beberapa generasi desainer yang ingin menghemat ruang PCB dan mengaktifkan papan sirkuit yang lebih kecil dan pada akhirnya peralatan yang lebih kecil untuk pusat data, pabrik, rumah, dan desktop. Meskipun beberapa telah mencapai ini dengan menggunakan kapasitor keramik kecil tertanam, pendekatan ini memperkenalkan kompleksitas manufaktur tanpa meningkatkan kinerja listrik. Kami sekarang bekerja dengan pelanggan dalam proyek untuk menyematkan kapasitor decoupling polimer aluminium di PCB atau di dalam pembawa chip agar sedekat mungkin dengan die prosesor utama. Pendekatan ini dapat memungkinkan frekuensi konverter meningkat menjadi 10MHz atau lebih selama lima tahun ke depan.
Selalu Mengejar Peningkatan
Seiring upaya kami untuk mengoptimalkan properti material dan komponen berlanjut, kami mengevaluasi induktor adaptif yang dapat mengubah nilai induktansinya sesuai dengan aliran arus dan meningkatkan efisiensi konversi dan kepadatan daya.
Itu selalu terjadi bahwa perbaikan dalam satu aspek sistem merangsang dan memungkinkan perbaikan dalam aspek terkait. Peran semikonduktor WBG dalam mewujudkan efisiensi, keandalan, dan densitas daya yang lebih besar terus menginspirasi pengembangan kumpulan material baru yang melengkapi dan memaksimalkan keunggulan kinerja.
Milano – UKDW 2018
Be the first to comment