أخبار التكنولوجيا

50 عامًا من الابتكار في أشباه موصلات الطاقة


بلغت EE Times الخمسين من عمرها العام الماضي وقدمت تقارير عن الابتكار في جميع مجالات الإلكترونيات طوال تاريخها. في عالم الإلكترونيات التناظرية والطاقة ، كانت Power Integrations أحد المبتكرين الرئيسيين منذ إنشائها في عام 1988. تحدثت Power Electronics News مع الرئيس التنفيذي Balu Balakrishnan عن تجربته ورؤيته.

بالو بالاكريشنان: أولاً ، اسمحوا لي أن أهنئ EE Times على نصف قرن من الزمان – لقد كنت قارئًا نهمًا لسنوات عديدة. إنه منشور أساسي.

في عام 1972 ، كنت أدرس للحصول على درجة البكالوريوس في الإلكترونيات ولكن كان لدي بالفعل أساس كبير من المعرفة حول الإلكترونيات. بصفتي مشغل راديو هام منذ سن مبكرة ، كان عليّ بناء إمدادات الطاقة الخاصة بي لأجهزة الإرسال والاستقبال. بالطبع ، في تلك الأيام ، كان كل شيء خطيًا. حدث تغيير كبير في أواخر الثمانينيات ، عندما أصبحت الترانزستورات و MOSFETs متوفرة بجهد أعلى بكثير – حتى 600 فولت ، ثم أصبح من العملي حقًا استخدام إمدادات الطاقة ذات الوضع التبديل للمنتجات التجارية. بالنسبة للتحويل عالي الطاقة ، لم تصبح تقنية IGBTs هي التكنولوجيا السائدة حتى نهاية التسعينيات.

أخبار إلكترونيات الطاقة: بحلول أواخر الثمانينيات ، كنت ناجحًا في National Semiconductor لكنك لم تركز على الطاقة. ما الذي جذبك للانضمام إلى Power Integrations؟

بالاكريشنان: كنت أتشوق للذهاب إلى شركة ناشئة. أحببت فكرة المخاطرة للحصول على مكافأة كبيرة. تحصل على خيارات الأسهم ، والتي قد تكون ذات قيمة كبيرة إذا نجحت الشركة. لذلك بدأت التحدث إلى العديد من الشركات. أثار تكامل الطاقة اهتمامي لأنه كان عالي الجهد ومختلفًا تمامًا عن أي شيء قمت به. في Power Integrations ، بدأت في التصميم باستخدام CMOS عالي الجهد ، لكن تطبيقات الشركة المبكرة كانت باهظة الثمن. لقد تحدثت مع العملاء وأدركت أن ذلك كان بسبب مشكلة في التغليف. عندما تقوم بدمج مفتاح الجهد العالي مع وحدة تحكم ، فإنه يتطلب عبوة طاقة ذات عدد كبير من الدبوس ، وهو أمر مكلف للغاية. من خلال التكامل الذكي ، تمكنا من تقليل المجموعة إلى أربعة دبابيس ، لكنني أردت ثلاثة. حسنًا ، سخر مني الجميع لأنك بحاجة إلى دبابيس فقط من أجل الصرف والمصدر ، وهناك الكثير للتعامل معه. لقد اكتشفت طريقة لاستخدام دبوس مزود الطاقة للردود والتعويض وإعادة التشغيل التلقائي باستخدام مكثف واحد فقط ، والذي كان أيضًا مكثف تجاوز العرض. هذا يعني أنه يمكننا وضع المغير المدمج للجهد العالي وعرض النبضة في حزمة ترانزستور ثلاثية الأطراف بسيطة وفعالة من حيث التكلفة. كما أدى التكامل أيضًا إلى تقليل عدد الأجزاء بشكل كبير.

القلم: كان هذا المنتج هو TOPSwitch؟

بالاكريشنان: بالضبط. في الجزء الخلفي من TOPSwitch ، قمنا بطرح الشركة للاكتتاب العام في عام 1997. وهي لا تزال واحدة من أكثر منتجات الشركة مبيعًا وتستمر في التطور والقيام بعمل جيد. قمت مؤخرًا بزيارة واحدة من أفضل شركات الأجهزة في العالم لتعريفهم بـ InnoSwitch (المزيد عن ذلك لاحقًا) ، وهو منتج مبتكر حقًا. استمعوا بأدب ثم قالوا ، “لكننا ما زلنا سعداء جدًا بـ TOPSwitch.”

PEN: إذا كان TOPSwitch مثالاً على الابتكار في التكامل ، فلنتحدث الآن عن الابتكار في الكفاءة.

الرئيس التنفيذي لشركة Power Integrations Balu Balakrishnan

بالاكريشنان: سيكون ذلك هو EcoSmart – قصة أخرى مثيرة للاهتمام. في صيف عام 1997 ، خرجت ورقة فنية من مختبر لورانس بيركلي الوطني وقالت إن 10٪ من الطاقة الكهربائية تهدر بسبب الطاقة التي تستهلكها المنتجات في وضع الخمول بينما لا تزال موصولة بالكهرباء. عرفت على الفور كيفية حل هذا مشكلة. في غضون بضعة أشهر فقط ، أطلقنا TinySwitch ، وهو وحدة إمداد بالطاقة مزودة بتقنية EcoSmart ذات كفاءة مذهلة في الأحمال الخفيفة. لقد تلقيت دعوة من الرئيس جورج دبليو بوش لتقديم عرض توضيحي لهذه التكنولوجيا. بعد هذا العرض التقديمي ، كتب أمرًا تنفيذيًا يقول إن جميع المنتجات التي تم شراؤها من قبل الحكومة يجب ألا تستهلك أكثر من 1 وات في وضع الاستعداد. اعتمادًا على التطبيق ، يمكن أن يصل الحد إلى 30 ميغاواط ، لكن TinySwitch يمكنها عمل 2 ميغاواط. لقد استغرق الأمر حتى عام 2009 أو 2010 حتى يدرك الجميع أن كفاءة الطاقة واستهلاك الطاقة الاحتياطية مهمان للغاية. على سبيل المثال ، تقدر وكالة الطاقة الدولية أنه لتحقيق أهداف عام 2050 المنصوص عليها في سياسات صافي الكربون من جميع أنحاء العالم ، يجب أن يأتي ما يقرب من 37٪ من المدخرات من كفاءة الطاقة ، و 32٪ أخرى من مصادر الطاقة المتجددة. فجأة ، أصبحت كفاءة الطاقة من المألوف.

القلم: أخبرنا عن “لحظة مارجريتا” الشهيرة.

بالاكريشنان: قبل أقل من 10 سنوات بقليل ، كنت قلقًا من أننا لم نحقق الاختراقات التي ميزت نجاحنا. اضطررت لحضور اجتماع مجلس الإدارة في جزر كايمان ، لذلك جررت معي مايك ماثيوز ، نائب رئيسنا لتطوير المنتجات. لقد أمضينا أسبوعًا كاملاً في العصف الذهني ، وأصبح من الواضح جدًا أننا بحاجة إلى التحكم الثانوي لنكون أكثر كفاءة ونقوم بأشياء لم يكن من الممكن القيام بها سابقًا. كان التحدي هو معرفة كيفية التواصل عبر حاجز العزل بين الجانبين الثانوي والأساسي. حتى أننا كنا نفكر في استخدام optocouplers داخل شرائحنا ، لكن مقارنات البصريات بطيئة وتضيف التكلفة وتعاني من التدهور بمرور الوقت.

في اليوم الأخير ، كنا على وشك اللحاق برحلة وكان أمامنا ساعة أو نحو ذلك لنقتلها. كنت جالسًا في استقبال فندق ماريوت أفكر في أننا قضينا الأسبوع بأكمله وما زلنا لا نستطيع التوصل إلى أي شيء جذري. أخيرًا ، قلت ، حسنًا ، كما تعلم ، قد نشرب أيضًا وننسى ذلك – سنفعل ذلك في المرة القادمة “. عندما كنا نشرب المارجريتا ، قلت لمايك ، “ماذا لو كان بإمكاني أخذ إطار الرصاص واستخدامه كوصلة منعطف واحدة من جانب إلى الجانب الآخر؟” مايك بارع جدًا في علم المغناطيس. أثناء الرحلة ، أجرينا بعض الحسابات لإثبات أنه يمكننا الحصول على إشارة كافية بمثل هذا الاقتران السائب. وهذه هي الطريقة التي ولدت بها FluxLink. نستخدمه اليوم في العديد من المنتجات ، بما في ذلك عائلة InnoSwitch الخاصة بنا من الدوائر المتكاملة لإمداد الطاقة وبرامج تشغيل بوابة SCALE.

يوضح هذا ما أشير إليه باسم “الابتكار متعدد الأبعاد”. لا يمكنك الابتكار في الدوائر فقط. يجب أن تكون دوائر مدمجة مع مخططات التحكم والتعبئة وعزل الأمان والمغناطيسية ومعرفة الأنظمة – إنها طريقة تفكير شاملة.

PEN: ما هو رأيك في GaN؟

بالاكريشنان: إنه لأمر صادم بالنسبة لي أن العديد من الشركات تنظر إلى GaN كسوق في حد ذاته. الجاليوم ليس سوقًا. إنها تقنية تمكننا من تقديم المزيد على مستوى النظام. نحن حياديون بالتكنولوجيا. سنستخدم أنسب تقنيات التحويل – السيليكون أو كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم – اعتمادًا على التطبيق. ومع ذلك ، فإن GaN ، ولا سيما PowiGaN ، يتيح مفتاحًا عالي الجهد أعلى بكثير من حيث الأداء والفعالية من حيث التكلفة مقارنة بالسيليكون فوق مستوى طاقة معين. يؤكد أحدث تقرير للسوق من Yole GaN أننا رواد السوق في GaN ، وقد قمنا بشحن معظم الأجهزة القائمة على GaN بشكل أساسي في شكل InnoSwitch ICs.

عليك دائمًا التفكير في النظام. نظرًا لأن GaN يمكنه التبديل بتردد عالٍ ، يحاول بعض الأشخاص إنشاء مصادر طاقة تعمل بتردد عالٍ جدًا. لكن بقية النظام لا يتعامل معها بشكل جيد. يعد إخراج الحرارة من المحول مشكلة كبيرة ، ويصبح مرشح EMI كبيرًا حقًا. يبدو الأمر كما لو كنت تضغط على بالون على جانب واحد ويصبح ضخمًا على الجانب الآخر.

كان أول جهاز GaN لدينا هو جهاز InnoSwitch الذي يعمل من حوالي 60 إلى 80 كيلو هرتز. نحن لا نستفيد حقًا من قدرة التردد العالي لـ PowiGaN في مجموعة المنتجات الأولى تلك. بدلاً من ذلك ، كان تركيزنا على الكفاءة والحجم. نحن قادرون على استبدال مفتاح السيليكون بـ PowiGaN في نفس حزمة التثبيت على السطح والحصول على 200 واط منه بدون مبدد حراري.

لدينا الآن إصدارات ذات تردد أعلى من منتجات InnoSwitch (InnoSwitch4) القائمة على PowiGaN ، والتي تغلبت على مشاكل النظام المتعلقة بالتردد من خلال استخدام جهاز ClampZero النشط الخاص بنا لتقليل خسائر المحولات والتحكم في dV / dt للمحول لتقليل EMI . هذا مثال رائع على تحسين فوائد تقنية GaN من خلال ابتكارات النظام.

القلم: ماذا عن MinE-CAP؟

بالاكريشنان: MinE-CAP هو مثال آخر على الابتكار على مستوى النظام. MinE-CAP يستفيد من الحجم الصغير و R المنخفضDS (تشغيل)من ترانزستورات PowiGaN الخاصة بنا لتوصيل وفصل أجزاء شبكة مكثف السائبة بشكل فعال وتلقائي وفقًا لظروف جهد خط التيار المتردد. يمكن للمصممين الذين يستخدمون MinE-CAP اختيار أصغر مكثف سائب ذو تصنيف عالي الخط المطلوب لجهد خط التيار المتردد العالي وتخصيص معظم تخزين الطاقة للمكثفات ذات الجهد المنخفض المحمية بواسطة جهاز MinE-CAP حتى يتم الاحتياج إليها عند خط التيار المتردد المنخفض. يعمل هذا النهج على تقليص حجم المكثفات السائبة للإدخال بشكل كبير دون المساومة على EMI وتموج الإخراج وكفاءة التشغيل أو يتطلب إعادة تصميم المحول. كما أنه يقلل بشكل كبير من التيار أثناء الاندفاع ، مما يجعل الثرمستورات NTC غير ضرورية ، مما يزيد من كفاءة النظام ويقلل من تبديد الحرارة.

بن: قبل أن نختتم هذا السؤال ، هناك سؤالان: بالنظر إلى أننا نشهد هذا الانتقال الهائل إلى الكهرباء والطاقة النظيفة والاستدامة وانخفاض النفايات ، هل تعتقد أن الطاقة أصبحت أخيرًا “مثيرة” ، وبالطبع ، ما التالي؟

بالاكريشنان: نعم ، القوة مثيرة. سيأتي ما يقرب من 70 ٪ من الحد من الكربون المخطط له حول العالم من كفاءة الطاقة ومصادر الطاقة المتجددة – ونحن نلعب في كلا المجالين. نحن نعمل على عدد من المنتجات لطاقة الرياح والطاقة الشمسية ، وهي منتجات ضخمة. وبعد ذلك ، بالطبع ، لديك جميع المنتجات المساعدة مثل المحولات والمحولات بالإضافة إلى تخزين البطارية.

نحن نعمل أيضًا على نقل تيار مستمر عالي الجهد ، والذي يتطلب سائقي بوابة. يعد نقل التيار المستمر عالي الجهد من نقطة إلى نقطة أمرًا بسيطًا نسبيًا. ولكن إذا حاولت إنشاء شبكة DC ، فستواجه الكثير من التحديات ، بما في ذلك موازنة الشبكة ، الأمر الذي يتطلب حلول أنظمة إلكترونية مبتكرة.

لدينا الكثير من الأشياء – الكثير من الأفكار الجيدة. نتطلع إلى التحدث مع EE Times حول العديد منها في المستقبل القريب جدًا.

كتاب PEN الإلكتروني - مارس 2023.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *