التقنيات السائدة في عصرنا هي أجهزة الكمبيوتر المحمولة الموجودة في جيوبنا والتي تحمل حرفياً مفاتيح جميع جوانب حياتنا ، ومراكز البيانات التي ترتبط بها بشكل دائم ، وإنترنت الأشياء وكل “شيء” ذكي متصل بها.
نستمر في تحميل المزيد من حياتنا على هذه الموارد ونصبح أكثر اعتمادًا على الاستجابات الفورية. ومع دخولنا في عصر المركبات المتصلة وشبه المستقلة والمستقلة بالكامل ، فإن الأداء الحتمي في الوقت الحقيقي هو مطلب أساسي للسلامة.
كل هذه العوامل تزيد من متطلبات الطاقة لدينا ، وإن لم يكن بأي ثمن. من الأهمية بمكان تقليل حجم ووزن الأجهزة المحمولة – سواء كانت هاتفًا ذكيًا أو سيارة كهربائية – بينما تخضع مراكز البيانات لضغط مستمر لزيادة أداء الحوسبة بشكل كبير في ظل قيود صارمة على العقارات.
تبني فجوة الحزمة الواسعة
إن الطلب على أداء أكبر داخل نفس عامل الشكل أو أصغر يركز أذهان المصممين على تقنيات لزيادة كثافة الطاقة. مكنت تقنيات أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض (WBG) ، بما في ذلك كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) ، من إحداث تغيير تدريجي في كفاءة تحويل الطاقة. تُترجم قدرتها على الانتقال السريع بين الدول إلى خسائر تحويل منخفضة بشكل كبير وتعزز ترددات التحويل الأعلى. في المقابل ، يسمح هذا باستخدام أجزاء أصغر ، مثل المكثفات والمحاثات ، اللازمة لإدارة الطاقة التي تتدفق باستمرار عبر دوائر تحويل الطاقة.
يكمن دور KEMET في هذا الانتقال إلى مكونات أصغر وترددات تشغيل أعلى في تطوير مجموعات مواد جديدة تعمل على النحو الأمثل مع تقنيات SiC و GaN الجديدة.
عملت فرق هندسة التطبيقات لدينا في KEMET مع فرق إلكترونيات الطاقة الرائدة لإدخال تقنية SiC في محولات النماذج الأولية الجديدة. دفعت مثل هذه المشاريع إلى تطوير مكونات جديدة ومحسّنة للغاية ، مثل مكثفات السيراميك KC-LINK ، والتي تقلل من فقد الطاقة عند الترددات إلى نطاق ميغا هرتز المنخفض. هذه تستخدم عازل C0G عالي الجهد خاصًا يضمن سعة ثابتة للغاية على الجهد ودرجة الحرارة ، ومقاومة سلسلة منخفضة فعالة (ESR) ، وخصائص حرارية ممتازة. تسمح تقنية الترابط غير اللحام بالمرحلة السائلة العابرة (TLPS) ، والتي يمكن إعادة تدفقها ، بتكديس العديد من MLCCs الفردية لتوفير قيمة عالية من السعة في نفس البصمة مثل مكثف رقاقة قياسي واحد. يمكن وضع هذه المكثفات بالقرب من أشباه الموصلات سريعة التبديل في التطبيقات عالية الكثافة للطاقة. وهي متوفرة بجهد مصنّف من 500 فولت إلى 2000 فولت لتغطية التطبيقات بما في ذلك أنظمة بطاريات 400 فولت و 800 فولت.
وفي الوقت نفسه ، يعد نيتريد الغاليوم (GaN) أكثر تقنيات أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة استخدامًا في تطبيقات مركز البيانات. كان تردد التبديل النموذجي المستخدم في مصادر طاقة مركز البيانات مع أشباه موصلات طاقة السيليكون التقليدية حوالي 300 كيلو هرتز. تمكّن تقنية GaN المصممين من اعتماد تردد تحويل أعلى ، على الرغم من أن الحد الأقصى النموذجي هو حوالي 900 كيلو هرتز فقط بسبب قيود الأداء التي تفرضها المكونات المغناطيسية. للتغلب على هذا القيد ، قمنا بتطوير مادة نواة محث جديدة. لا تتمتع هذه المادة بنفاذية عالية لتقليل الخسائر الأساسية فحسب ، بل تسمح أيضًا بتحقيق قيمة تحريض معينة مع تشبع ناعم مع عدد أقل من لفات اللف ، وبالتالي تقليل خسائر المقاومة. تم تحسين هذه المادة الجديدة المصممة هندسيًا أيضًا لتقليل الخسائر في نطاق التردد 1-5 ميجاهرتز وتمكين محولات التحويل القائمة على GaN من العمل عند ترددات أعلى.
المزيد من علوم المواد
شارك قسم علوم المواد لدينا عن كثب في تطوير أول محولات الخزانات المحولة المستخدمة في مراكز البيانات فائقة الحجم. تقلل هذه المحولات بشكل كبير من أثر التحويل من ناقل 48V الشهير إلى مزود 12V المطلوب لتشغيل أجهزة نقطة التحميل الفردية التي توفر الفولتية المنطقية المختلفة. لقد اختاروا المكثفات الخزفية مع عازل U2J لزيادة الاستقرار الممتاز وقيم السعة العالية ، كما طوروا محاثات مخصصة بهندسة فريدة مصممة لتقليل فقد تبديل التيار المتردد. أدى هذا الاختيار إلى رفع كفاءة التحويل من 48 فولت إلى 12 فولت. بعد ذلك ، مع وصول الجيل التالي من أشباه موصلات الطاقة ، تمكنا من تغيير المكثفات الخزفية من عازل U2J إلى X7R وتحقيق مزيد من الانخفاض في البصمة.
تتضح آثار اعتماد WBG في جميع أنحاء النظام بأكمله بما في ذلك محولات نقطة التحميل (POL). تمثل هذه المرحلة الأخيرة من توصيل الطاقة للمعالجات و FPGAs التي تقوم بطحن الأرقام. في هذه الأجهزة ، يمكن أن تؤدي التغييرات المفاجئة في عبء العمل إلى تقلب الطلب الحالي بسرعة. يجب أن يستجيب مزود الطاقة بسرعة لهذه التغييرات ، ويتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام منظمات الجهد متعددة المراحل. ومع ذلك ، فإن هذه بعض العيوب ولا تدعم تكثيف الطاقة. لقد تغلبت Pulse Electronics ، وهي جزء من مجموعة YAGEO Group ، على هذا من خلال تطوير منظم الجهد عبر محث (TLVR) استنادًا إلى مغو ثنائي الملف ذي أربعة أطراف. يوفر TLVR استجابة عابرة سريعة وحلًا شديد الصغر كبديل للمنظم التقليدي متعدد المراحل.
يمكن لترددات التحويل العالية المرتبطة بتقنية WBG أن تقلل بشكل كبير من الاعتماد على سعة فصل الحمل العابر القريبة من مكونات وحدة المعالجة المركزية أو FPGA الموجودة على اللوحة. لقد كان تضمين مكثفات الفصل في ثنائي الفينيل متعدد الكلور هدفًا مقدسًا لعدة أجيال من المصممين الذين يسعون إلى توفير مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور وتمكين لوحات الدوائر الصغيرة – وفي النهاية – معدات أصغر لمراكز البيانات والمصانع والمنازل وأجهزة الكمبيوتر المكتبية. على الرغم من أن البعض قد حقق ذلك باستخدام مكثفات سيراميك صغيرة مدمجة ، فإن هذا النهج يقدم تعقيدات في التصنيع دون تحسين الأداء الكهربائي. نحن نعمل الآن مع العملاء في مشاريع لتضمين مكثفات فصل البوليمر الألومنيوم في ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو داخل حامل الرقائق لتكون أقرب ما يمكن إلى قالب المعالج الرئيسي. يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى زيادة تردد المحول إلى 10 ميجا هرتز أو أكثر خلال السنوات الخمس المقبلة.
السعي الدائم للتحسين
مع استمرار سعينا لتحسين خصائص المواد والمكونات ، نقوم بتقييم المحاثات التكيفية التي يمكنها تغيير قيمة الحث وفقًا لتدفق التيار وزيادة كفاءة التحويل وكثافة الطاقة.
إنها الحالة دائمًا أن التحسينات في جانب واحد من النظام تحفز وتتيح التحسينات في الجوانب ذات الصلة. يستمر دور أشباه الموصلات WBG في تحقيق قدر أكبر من الكفاءة والموثوقية وكثافة الطاقة في إلهام تطوير مجموعات مواد جديدة تكمل وتعظم مزايا الأداء.
