Desafios da Mudança Tecnológica:
Desde o início da minha carreira, no final da década de 1980, testemunhei e participei em diversas transições importantes na tecnologia energética. Assisti à mudança da conversão linear para a comutação de potência, à transição dos transístores bipolares para os MOSFETs e, mais recentemente, à transformação do controlo analógico para o digital. Agora, enfrentamos o desafio e a oportunidade de adotar tecnologias WBG, como o GaN, mas, recordando as mudanças tecnológicas anteriores, cada uma trouxe os seus próprios obstáculos, e há sempre preocupações com as cadeias de abastecimento, a fiabilidade, a confiança dos clientes e a aceitação do novo.
GaN: Um grande avanço, não um pequeno passo.
O GaN oferece uma abordagem fundamentalmente diferente à conversão de energia. A sua elevada mobilidade eletrónica e resistência à rutura permitem que os dispositivos comutem mais rapidamente e suportem tensões e frequências mais elevadas do que o silício tradicional. Isto traduz-se numa maior eficiência do sistema, designs mais compactos com melhor desempenho térmico e frequências de operação mais elevadas, o que, por sua vez, reduz o tamanho do íman e melhora a resposta aos transitórios. Parece ótimo, mas usufruir destes benefícios não é tão simples como apenas trocar um dispositivo por outro... se ao menos fosse!
Desenhar a Transição: Barreiras Técnicas e Culturais.
A adoção de dispositivos GaN exige uma nova mentalidade de design. Os engenheiros têm de lidar com transições de comutação muito mais rápidas, restrições de design mais rigorosas e um controlo de EMI mais exigente. Embora estes problemas possam ser resolvidos com as ferramentas e a perícia certas, representam um afastamento das práticas tradicionais de design de silício. Para além dos desafios de projeto, o ecossistema como um todo ainda está em evolução. A disponibilidade de controladores compatíveis com GaN, encapsulamento robusto e diretrizes de aplicação claras continua a melhorar, mas ainda são percecionados como obstáculos, principalmente para organizações avessas ao risco. E, talvez o mais importante, certa ou erradamente, a fiabilidade continua a ser uma preocupação fundamental para muitos utilizadores finais. Muitos setores servidos pela eletrónica de potência — como o médico, o dos transportes e o da automação industrial (sem mencionar o aeroespacial e o da defesa) — exigem extrema fiabilidade, e qualquer nova tecnologia deve comprovar o seu valor ao longo do tempo, sob stress e no terreno. O setor da eletrónica de potência está empenhado em garantir uma transição tranquila e fiável, ao mesmo tempo que trabalha para mudar perceções, criando processos de transição fiáveis e seguros.
Construir confiança em processos de transição fiáveis com o IPC9592 em Mente:
Todos os fabricantes de fontes de alimentação desenvolvem meticulosamente os seus próprios processos para verificar a qualidade dos seus produtos antes de os lançarem no mercado. Isto faz parte do know-how e dos segredos comerciais das empresas, mas gostaria de recordar uma iniciativa que ocorreu há vinte anos e contribuiu muito para reduzir o fosso de comunicação entre os fabricantes de equipamento original (OEM) de telecomunicações e os fornecedores no que diz respeito às fontes de alimentação.
Em 2005, com a orientação do Printed Circuit Institute (IPC), um grupo de profissionais líderes em telecomunicações e OEMs de eletrónica de potência colaborou para estabelecer um conjunto de requisitos partilhados para dispositivos de conversão de energia. Estes esforços culminaram na formulação dos "Requisitos para Dispositivos de Conversão de Energia para as Indústrias de Computadores e Telecomunicações", que foram formalizados no final de 2008 como a norma IPC9592. O documento incluía orientações para o Design para Fiabilidade, Testes de Design e Qualificação e Testes de Conformidade de Processo de Qualidade e Fabrico (Figura 1). Tendo em conta parâmetros adicionais, a norma IPC9592A foi publicada em 2010, seguida da IPC9592B em novembro de 2012.
Várias empresas de fontes de alimentação utilizam a norma IPC9592B, parcial ou totalmente, mas, com o surgimento de novas tecnologias e condições de mercado na última década — como as técnicas de controlo digital, os semicondutores de banda larga (WBG) e a cibersegurança —, os utilizadores sentem naturalmente a necessidade de uma atualização da norma. Grupos de trabalho, como o Comité de Fiabilidade da Associação de Fabricantes de Fontes de Alimentação (PSMA), iniciaram atividades para retomar este processo, que, tal como na sua origem, envolverá muitos especialistas de diversas áreas.
É difícil prever quando será publicada a próxima revisão, mas, até lá, e como complemento à norma IPC9592B, os fabricantes de fontes de alimentação que desenvolvem produtos para aplicações exigentes trabalham em estreita colaboração com os fabricantes de semicondutores e também realizam as suas próprias avaliações de componentes WBG, conforme especificado pela norma JEDEC.
Figura 2: Deslocamento do RDS(on) do GaN EPC2045 em função da tensão de entrada e da temperatura, obtido a partir da projeção de fiabilidade e vida útil do GaN EPC: Fase 17. (Fonte: cortesia da Efficient Power Conversion - EPC)
JEDEC e JC-70:
Com uma longa história que começou em 1924 com a criação da Radio Manufacturers Association, que combinava um conselho para válvulas eletrónicas e semicondutores, a organização passou a ser conhecida como Joint Electronic Device Engineering Council (JEDEC) em 1958. A JEDEC tem sido a principal autoridade na indústria de semicondutores e, com o desenvolvimento de novas tecnologias, foi formado o comité JC-70 para Semicondutores de Conversão de Energia Eletrónica de Banda Larga em 2017, juntamente com dois subcomités: Nitreto de Gálio (GaN) e Carboneto de Silício (SiC). Em 2019, o JC-70 publicou o seu primeiro documento: JEP173: Guidelines for the Dynamic Resistance Test Method in GaN HEMT-Based Power Conversion Devices. Desde então, a JC-70 publicou vários documentos, como o JEP198: Guidelines for Reverse Polarization Reliability Procedures for Reverse Nitret Energy Conversion Devices, que é utilizado como referência na qualificação de semicondutores de GaN.
As normas JEDEC para WBG são, sem dúvida, importantes para os fabricantes de semicondutores, mas também para os fabricantes de fontes de alimentação, como parte do processo de desenvolvimento de novos produtos e da compreensão dos mecanismos de fiabilidade associados a esta tecnologia.
As aplicações mais exigentes, como as aplicações industriais ou aeroespaciais robustas, preocupam-se particularmente com a forma como os fabricantes de fontes de alimentação qualificam os novos componentes e exigem que realizem testes individuais ao nível dos componentes com base na norma JEDEC. Isto requer uma estreita colaboração com fabricantes de semicondutores que possuam um certo nível de especialização nesta área.
Figura 03 - Cálculo e verificação da vida útil do EPC2212, extraída da projeção de fiabilidade e vida útil do EPC GaN: Fase 17. (Fonte: Cortesia da Efficient Power Conversion (EPC))
Construir Confiança: Validar a Fiabilidade da EPC.
Como já apresentámos, a adoção de uma nova tecnologia é desafiante e, embora os transístores de GaN sejam utilizados há muito tempo em amplificadores de potência, a aplicação desta tecnologia na eletrónica de potência levanta consideráveis preocupações. Isto exige um esforço específico dos fabricantes de semicondutores para demonstrar não só as vantagens, mas também a fiabilidade a longo prazo da tecnologia.
Neste sentido, a Efficient Power Conversion (EPC) merece destaque. A EPC desenvolveu semicondutores de GaN num encapsulamento altamente inovador quando os semicondutores de potência de GaN ainda eram considerados por muitos apenas um conceito.
Desde a sua fundação em 2007, para superar o ceticismo, a EPC realizou extensos estudos de fiabilidade para validar o desempenho dos seus dispositivos. Os programas de ensaios da EPC incluíram ensaios de polarização de alta tensão, ciclos térmicos, ciclos de potência e ensaios de vida acelerados. Estes estudos demonstraram que os dispositivos de GaN, quando concebidos e integrados adequadamente, podem não só cumprir, mas superar os padrões de fiabilidade estabelecidos pelo silício, que foram apresentados em conferências como a Applied Power Electronics Conference (APEC).
Os resultados experimentais são interessantes, mas igualmente importante é que a EPC publicou as suas descobertas de forma aberta, contribuindo para a construção de uma base de confiança e compreensão da tecnologia GaN. Da Fase Um, publicada em 2019, à Fase Dezassete, publicada em 2025, os dados dos testes demonstram que os mecanismos de falha do GaN são bem compreendidos e geríveis, e que a degradação é previsível ao longo do tempo — duas características essenciais que os projetistas devem considerar ao garantir o desempenho em aplicações críticas (Figuras 2 e 3).
Este tipo de validação por terceiros é crucial para uma aceitação mais alargada. Preenche a lacuna entre as vantagens teóricas e a implementação no mundo real, especialmente para os engenheiros responsáveis por sistemas de longa duração.
COSEL: Aplicando o GaN para Oferecer Soluções Compactas e Eficientes.
Fundada no Japão em 1969, a fabricante de fontes de alimentação COSEL percorreu a longa cadeia da evolução tecnológica e foi uma das pioneiras na adoção da conversão de energia em modo comutado, lançando uma gama de produtos comerciais, incluindo fontes de alimentação comutada, em 1977. Como todos sabemos, os fabricantes japoneses são uma referência no desenvolvimento das melhores práticas de qualidade, pelo que não é surpresa que, quando surgiu uma nova tecnologia como o GaN, tenham dado prioridade à fiabilidade acima de qualquer vantagem técnica.
Figura 04 - 1000 horas de fiabilidade de polarização inversa a alta temperatura (HTRB), temperatura ambiente de 150°C e 650VDds (Fonte: PRBX/COSEL).
Na qualificação de semicondutores de GaN para uma nova geração de fontes de alimentação, a Cosel realizou diversos testes, incluindo o teste de fiabilidade de polarização inversa a alta temperatura (HTRB). O teste HTRB é um dos testes de fiabilidade mais comuns para fontes de alimentação. Como os testes HTRB submetem o chip a stress, podem provocar fugas de corrente na junção. As alterações paramétricas podem também ocorrer como resultado da libertação de impurezas iónicas na superfície do chip, quer da embalagem, quer do próprio chip. Durante um teste HTRB, as amostras do dispositivo são sujeitas a stress, normalmente até 80% ou 100% da tensão inversa repetitiva de pico (VRRM), à temperatura ambiente próxima da sua temperatura nominal máxima de junção (TJMAX) durante um período prolongado, normalmente 1.000 horas. (Figura 4) De seguida, após o transístor de potência GaN ser qualificado e integrado no estágio de potência da fonte de alimentação, foi realizado um teste de envelhecimento de 1000 horas para verificar a estabilidade térmica. (Figura 5).
Figura 05 - Teste de envelhecimento de 1000 horas para verificar a estabilidade térmica (Fonte: PRBX/COSEL).
O resultado é uma nova geração de fontes de alimentação que estabelecem novos padrões de desempenho, densidade e fiabilidade. Na sua investigação mais recente, a COSEL demonstrou que, através de um design integrado cuidadoso dos estágios magnéticos, de controlo e de comutação, os sistemas de energia podem atingir níveis revolucionários de densidade de potência, mantendo metas térmicas e de EMI rigorosas (Figura 06).
Figura 06 - Série COSEL TE alimentada por transístores GaN e transformadores de curto-circuito integrados (Fonte: PRBX/COSEL).
Inspirar a Próxima Geração:
O que mais me entusiasma é o entusiasmo e a inovação que impulsionam a próxima geração de engenheiros. Os jovens designers de hoje aprendem sobre o GaN, o SiC e o controlo digital como elementos fundamentais da sua formação em engenharia. Não entram neste campo com dúvidas, mas com um espírito explorador.
Não vêem a electrónica de potência como uma disciplina estática, mas como uma plataforma para a invenção onde convergem materiais, teoria de controlo, encapsulamento e pensamento sistémico. E a sua abertura às novas tecnologias será o catalisador para os avanços de amanhã.
Mesmo agora, a indústria está a olhar para além do GaN para os semicondutores à base de diamante, que oferecem propriedades térmicas e elétricas extraordinárias. Embora os dispositivos diamantados ainda estejam nos estágios iniciais de investigação, o seu potencial para redefinir a conversão de alta tensão e alta frequência é enorme. Isto não é ficção científica; é para onde a eletrónica de potência está a caminhar.
Conclusão: A Oportunidade Apresentada.
Adotar GaN e outras tecnologias WBG é mais do que uma mudança de materiais; é uma mudança de mentalidade. Requer uma comutação mais rápida, um controlo mais inteligente e uma integração mais precisa. Desafia os projetistas de sistemas elétricos, que têm de abandonar velhos hábitos e desenvolver novas competências. E abre as portas a eficiências e capacidades que antes estavam fora do nosso alcance.
Graças a empresas como a EPC e a COSEL, começamos a ver o impacto tangível do GaN no mundo real para aplicações exigentes. O seu trabalho valida a tecnologia, reduz a curva de aprendizagem e fornece aos projetistas de sistemas de energia as ferramentas necessárias para o sucesso.
Como alguém que testemunhou diversas ondas de inovação nesta área, acredito que estamos no início de um dos capítulos mais entusiasmantes até à data. As tecnologias estão aqui, os dados são encorajadores e a próxima geração de engenheiros está pronta para assumir a liderança.
O futuro da eletrónica de potência não só é mais promissor, como também será mais pequeno, mais frio, mais rápido e muito mais eficiente. Do GaN ao diamante, as possibilidades são ilimitadas.
Referências:
Powerbox (PRBX)
Associação de Fabricantes de Fontes de Alimentação (PSMA)
Conversão Eficiente de Energia (EPC)
Para mais informações
, visite www.prbx.com.
Contacte Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicações,
através do telefone +46 (0)158 703 00.
Referência: PRBX-A-070-ES
Sobre o autor:
Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicação da Powerbox, é um comunicador experiente e engenheiro qualificado com 40 anos de experiência no setor da eletrónica de potência. Foi pioneiro na comercialização de novas tecnologias, como a energia digital, e em iniciativas técnicas para reduzir o consumo de energia. Le Fèvre escreveu e apresentou numerosos artigos e documentos técnicos em importantes conferências internacionais de electrónica de potência. Estes trabalhos foram publicados mais de 450 vezes em órgãos de comunicação social de todo o mundo. Participa também em diversos fóruns ambientais, partilhando a sua experiência e conhecimento sobre energia limpa.
