¿Por qué la densificación de potencia es un objetivo importante para los diseñadores de convertidores? Los circuitos de conversión de potencia que suministran a los sistemas que consumen mucha energía, como los servidores de los centros de datos y los vehículos cada vez más inteligentes que circulan por nuestras carreteras, tienen que ser capaces de gestionar más potencia, pero en un espacio más reducido. Así de sencillo.
A medida que exigimos más a estos sistemas, deben hacer más trabajo en el mismo o menor tiempo. Por definición, eso significa más potencia. Pero el espacio es muy importante, tanto en los centros de datos como en los vehículos. Construir circuitos más grandes para gestionar la potencia extra no suele ser una opción. De hecho, existe la presión de reducir significativamente el tamaño al tiempo que se incrementa la eficiencia energética y la potencia. De ahí que la densificación de la energía sea un objetivo primordial para los diseñadores. A esto se suma el aumento de la eficiencia para mitigar los retos térmicos de la disipación de calor. También es importante para conservar la energía, ya que el mundo depende cada vez más de la generación de electricidad a partir de fuentes renovables.
El efecto de banda ancha en el diseño de sistemas de potencia
Entre las opciones disponibles para ayudar a lograr la densificación de la energía, los semiconductores de banda ancha (WBG) han alcanzado rápidamente la adopción generalizada. Antes de la pandemia, por ejemplo, los advenedizos de los vehículos eléctricos eran los principales defensores de los semiconductores WBG en el espacio de la automoción. Ahora las cosas han cambiado, y las marcas establecidas se están moviendo rápidamente para garantizar un rendimiento comparable en sus próximas gamas de productos totalmente eléctricos.
Las tecnologías WBG -el carburo de silicio (SiC) en particular, así como el nitruro de galio (GaN) y otras- permiten aumentar significativamente la eficiencia de la conversión de energía, especialmente cuando se conmuta a una frecuencia significativamente superior al rango adecuado para sus homólogos de silicio. También pueden funcionar de forma fiable a temperaturas más altas, lo que alivia los problemas de gestión térmica y puede reducir el tamaño, el peso y la complejidad de cualquier sistema de refrigeración.
Una conmutación más rápida también permite que circuitos mucho más pequeños gestiónense la misma o mayor potencia. En concreto, el funcionamiento del conmutador a una frecuencia más alta permite que componentes asociados más pequeños, como condensadores e inductores, gestionen y suavicen el flujo de potencia en los circuitos de entrada y salida. Esto ya es ampliamente conocido, aunque los menores valores de capacitancia e inductancia necesarios son sólo una parte de la historia.
Las frecuencias de conmutación típicas de los convertidores basados en semiconductores de potencia de silicio ordinarios han estado en el rango de unas pocas decenas de kilohercios: digamos, 30-80kHz. A estas frecuencias, los condensadores de polipropileno son adecuados y ampliamente utilizados, ya que han sido probados, son fiables y, sobre todo, rentables. Sin embargo, por encima de esta gama de frecuencias, los efectos parasitarios provocan pérdidas resistivas excesivas y autocalentamiento.
Más ciencia sobre materiales
Hemos trabajado con la mayoría de los principales equipos de electrónica de potencia en el desarrollo de nuevos prototipos de convertidores en torno a transistores de potencia de SiC. La investigación de las nuevas exigencias que estos conmutadores de potencia imponen a los circuitos de soporte nos permitió desarrollar nuestros condensadores cerámicos KC-LINK, basados en un dieléctrico C0G propio de alta tensión que garantiza una resistencia efectiva en serie (ESR) extremadamente baja y una resistencia térmica muy reducida. Pueden funcionar con pérdidas mínimas a frecuencias en la gama baja de megahercios y controlar corrientes de rizado muy altas sin que cambie la capacitancia frente a la tensión continua. La capacitancia también es extremadamente estable a lo largo de la temperatura. La capacidad de trabajar hasta 150°C permite el montaje cerca de semiconductores de conmutación rápida en aplicaciones de alta densidad de potencia. Las series disponibles ofrecen tensiones nominales de 500V a 2000V para cubrir una amplia gama de aplicaciones, incluido el uso con sistemas de baterías para vehículos eléctricos de 400V y 800V.
También hemos desarrollado la sinterización en fase líquida transitoria (TLPS), una tecnología de interconexión sin soldadura que permite construir pilas de MLCC de alta capacidad sin plomo que ocupan poco espacio y aprovechan la estabilidad de temperatura del dieléctrico C0G de clase I para abordar aplicaciones de alta potencia que pueden alcanzar temperaturas de 150 °C y más sin refrigeración.
Por otro lado, la penetración de los WBG en las aplicaciones de servidores de centros de datos se basa normalmente en la tecnología GaN. Las frecuencias de conmutación típicas se han estancado en unos 300 kHz durante muchos años. Esto se ha incrementado con la llegada de GaN, aunque todavía se encuentra en torno a los 900kHz. En este caso, encontramos que el rendimiento de los componentes magnéticos es el principal factor limitante. Los inductores tienen dos mecanismos de pérdida, que comprenden las pérdidas resistivas debidas al bobinado, así como las pérdidas de energía experimentadas en forma de calentamiento del núcleo de ferrita o compuesto metálico. Lo ideal es minimizar las pérdidas del núcleo sin comprometer su permeabilidad magnética, que es la base de su capacidad para resistir los cambios de corriente dentro del circuito y para almacenar energía en el campo magnético.
Otro reto para la ciencia de los materiales es que nuestros equipos han asumido y están dispuestos a anunciar una solución. Al tiempo que conserva una alta permeabilidad magnética, este nuevo material está optimizado para obtener las menores pérdidas en el rango de frecuencias de 1-5MHz y permitir así el aumento de las frecuencias de conmutación de los convertidores basados en GaN. Al igual que en un convertidor de SiC, el aumento de la frecuencia de conmutación permite reducir los valores de capacitancia e inductancia, lo que en última instancia se traduce en una mayor densidad de potencia.
El aumento de la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación tiene otras ventajas. La capacitancia de desacoplamiento de cargas transitorias necesaria para proteger las partes críticas, como el procesador principal, puede reducirse en gran medida. Históricamente, estos condensadores han sido de tantalio o de polímero de aluminio. La reducción de la dependencia de la capacitancia de desacoplamiento permite colocar un pequeño conjunto de MLCC de clase II, como los dispositivos X5R, X6S o X7R, directamente junto al procesador. El siguiente objetivo en el que estamos trabajando es integrar condensadores de desacoplamiento de polímero de aluminio en el soporte del chip dentro del paquete, para que funcionen junto con los condensadores de silicio en el chip. Esto podría superar los problemas de desacoplamiento a los que se enfrentan los diseñadores de procesadores hoy en día y permitir frecuencias de convertidor más altas; posiblemente hasta 10MHz y más en el futuro. Podría requerir unos cinco años más de esfuerzos de ingeniería.
También nos hemos dado cuenta de que la mejora del rendimiento en una parte de un sistema puede llegar a un punto muerto, lo que hace que los diseñadores se fijen más en otras partes del sistema para seguir mejorando. Nuestro departamento de materiales formuló el dieléctrico cerámico U2J específicamente para ayudar a desarrollar los primeros convertidores de tanque conmutado. Con geometrías de inductores personalizadas añadidas a la mezcla para reducir la pérdida del núcleo magnético, estos convertidores desencadenaron un aumento drástico de la eficiencia de la conversión de 48V a 12V en los sistemas de potencia distribuida para servidores de centros de datos.
Estos convertidores definen el límite superior -por ahora- en términos de eficiencia de conversión de 48V-12V. Cuando se alcanzó ese límite, la atención se trasladó a los convertidores de punto de carga (POL). Aquí, los procesadores de alto rendimiento y las FPGAs funcionan con una combinación de baja tensión de alimentación digital y altas frecuencias de reloj que hacen que la demanda de corriente cambie rápidamente, alcanzando un alto valor de pico. Los reguladores de tensión multifásicos que se suelen utilizar para alimentar estos circuitos integrados obligan a los diseñadores a intercambiar la respuesta transitoria con la corriente de rizado. La respuesta transitoria es limitada, ya que todas las fases necesitan tiempo para asentarse en secuencia. Además, estos reguladores polifásicos impiden la densificación de la potencia, ya que no es posible reducir la anchura del inductor y mantener la estabilidad mecánica. Los inductores de doble bobinado y cuatro terminales han permitido el desarrollo del regulador de tensión transinductor (TLVR) en el que todas las fases responden simultáneamente para una respuesta transitoria más rápida. Pulse Electronics, que forma parte del Grupo Yageo, es líder en inductores TLVR.
WBG y emisiones de ruido
Las rápidas transiciones de conmutación de los semiconductores WBG crean un reto no deseado para los diseñadores: las emisiones de ruido eléctrico o EMI/EMC. Para hacer frente a este reto de diseño y conseguir que los convertidores e inversores cumplan con la normativa, el grupo de magnetismo de KEMET ha desarrollado materiales de núcleo nanocristalino para su uso en estranguladores de modo común EMI que ofrecen un rendimiento de banda ancha en un encapsulado más pequeño.
Lo que nos trae el futuro
Los desarrollos que estamos viendo, incluidos los materiales avanzados, las nuevas topologías de circuitos y las nuevas demandas de condensadores e inductores, están muy interrelacionados. Juntos, permiten un progreso continuo en el esfuerzo por aumentar la eficiencia energética y la densidad de potencia. ¿Quién sabe cuándo, o incluso si, llegaremos a un límite más allá del cual no sea posible ninguna otra mejora?
Autor: Peter A. Blaise, Director Senior de Ingeniería de Aplicaciones de KEMET, una empresa de YAGEO.
