При напряжении 800 В проблема с защитным слотом на передней панели практически не решена. Компания Menlo Micro утверждает, что решение проблемы заключается в использовании МЭМС с металлическим контактом.
Конструкция устройств переключения питания и защиты была определена путем выбора между электромеханическими реле (EMR) и твердотельными полупроводниковыми переключателями, например, SiC МОП-транзисторами и SiC полевыми транзисторами с управляющим p-n переходом. Требования к плотности мощности, эффективности и надежности, особенно в устройствах с большим током и высоким напряжением (400-1000 В), накладывают физические ограничения на обе технологии. Это приводит к снижению производительности в системах защиты цепей, где переключатель находится в нормальном включенном состоянии и главной заботой является эффективность проводимости.
С точки зрения теории коммутации, идеальный переключатель должен сочетать в себе преимущества всех существующих технологий коммутации, избегая при этом их недостатков. Идеальный переключатель должен иметь нулевое сопротивление во включенном состоянии (RDS(on)), что обеспечивает идеально эффективную проводимость без потерь в замкнутом состоянии, и бесконечное сопротивление в выключенном состоянии, обеспечивая гальваническую развязку с нулевым током утечки в разомкнутом состоянии.
«В конечном счете, физика и закон Ома гласят, что вы можете передавать энергию гораздо эффективнее с помощью металлического контакта, чем с помощью нелинейного устройства, такого как транзистор», - говорит Крис Кеймел, соучредитель и технический директор Menlo Micro, в интервью на выставке АРЕС-2026.
Причина, по которой этот идеальный переключатель остается недостижимым, заключается в том, что он предъявляет противоречивые требования к материаловедению и физике. Это вынуждает к компромиссу между двумя несовершенными решениями. Электромеханические реле приближены к двум идеальным характеристикам металлических контактов: проводящий путь с очень низким сопротивлением и физический воздушный зазор при размыкании для электрической изоляции. Твердотельные переключатели, с другой стороны, предотвращают механический износ и могут выдерживать большое количество циклов переключения.
МЭМС-подход к переключению с металлическими контактами
Компания Menlo Micro решает эту проблему с помощью собственной технологии идеального переключения, которая не является ни традиционным реле в уменьшенном размере, ни обычным твердотельным транзистором. Это микроэлектромеханическая система (МЭМС), в которой физические принципы работы механического переключателя сочетаются с точностью изготовления и масштабом производства полупроводников. В основе архитектуры лежит консольная балка с электростатическим приводом, которая создает физический контакт металл-металл.
Ключевым элементом архитектуры является контактная структура. На одной матрице параллельно изготавливаются сотни или тысячи микроскопических переключающих элементов. Каждый элемент имеет небольшую гибкую металлическую консольную балку, подвешенную над неподвижным контактом. Для приведения в действие выключателя подается постоянное напряжение, создающее электростатическое поле, которое опускает кантилевер вниз, устанавливая прямое соединение. Это энергосберегающее управление, при котором для поддержания выключенного состояния требуется очень небольшое усилие удержания.
Снижение потерь проводимости при обычном включении
МЭМС-переключатель от Menlo Micro разработан для устройств, где RDS (on) является основным параметром. Это обычные устройства, в которых переключатель остается замкнутым в течение большей части срока службы и размыкается только для обеспечения защиты или перенастройки схемы.
Электрические и тепловые характеристики – это количественные показатели, позволяющие оценить основные преимущества МЭМС-переключателя. RDS (on) полупроводника увеличивается с повышением температуры перехода, в то время как в Menlo утверждают, что его проводимость в металлическом контакте меньше зависит от температуры по сравнению с проводимостью на основе полупроводников.
«В нашем случае мы являемся металлическим контактом, поэтому, во-первых, у нас очень низкое сопротивление. Но наше сопротивление не меняется в зависимости от температуры. Оно остается постоянным, и, следовательно, мы остаемся холоднее», - заявил Кеймел.
Как показано на рис. 1 и 2, Кеймел представляет сравнение температурных характеристик во время демонстрации в реальном времени двух плат одинакового размера, подвергнутых одинаковой нагрузке в 40 А. Первая плата, использующая самые современные полевые транзисторы, достигла рабочей температуры ~118°C. Вторая плата, использующая МЭМС-переключатели Menlo Micro, работала при температуре ~45°C. Эта разница в более чем 70°C при одинаковой электрической нагрузке подчеркивает потенциальное тепловое воздействие более низкого и стабильного RDS(on).
Влияние технологии МЭМС-коммутации
Основными областями применения этой технологии в силовой электронике являются электронные предохранители (eFuses) и твердотельные выключатели (SSCB). Эти области применения отличаются высокой пропускной способностью по току, низкими потерями проводимости и надежностью срабатывания.
eFuse и SSCB, которые используют МОП-транзисторы в качестве основных переключающих элементов, часто ограничены характеристиками проводимости этих полупроводниковых устройств. Режим RDS(on) МОП-транзистора приводит к постоянным потерям мощности, выделяя значительное количество тепла при сильноточных нагрузках.
Сам по себе МЭМС-переключатель – это не полноценный предохранитель, а, скорее, важнейший компонент, обеспечивающий совершенно новый уровень производительности. Автоматический выключатель на основе МЭМС-технологии сочетает в себе МЭМС-переключатель, токочувствительный элемент и микроконтроллер для обнаружения неисправностей. При обнаружении перегрузки по току или короткого замыкания контроллер подает команду на размыкание МЭМС-переключателя.
Кеймел также пояснил, что МЭМС-переключение неприменимо к преобразователям, выпрямителям и другим высокочастотным топологиям, которые требуют слишком большого количества циклов переключения на слишком высокой скорости. «Мы можем выполнить около 3 миллиардов циклов, этого более чем достаточно, чтобы отсоединять и подключать платы или соблюдать любые требования безопасности, но для того, чтобы попытаться создать преобразователь или выпрямитель, вам придется переключаться слишком много раз и слишком быстро», - объяснил он. МЭМС-переключатели подходят для выполнения функций защиты и отключения, где RDS (on) является доминирующим параметром.
Программа ВМС США
До выхода на рынок центров обработки данных технология Menlo Micro была частью программы ВМС США по разработке усовершенствованных автоматических переключателей для микроядерных реакторов, предназначенных для систем мощностью 10 МВт. По словам Кеймела, из 118 участников первоначальной заявки были отобраны трое, и Menlo Micro была единственной компанией, прошедшей первый уровень квалификации.
В ходе реализации программы были пройдены две аппаратные стадии. Первой была плата напряжением 500 В и напряжением 100 А, разработанная для того, чтобы доказать, что МЭМС могут переключаться при таком уровне мощности. Второй, завершенный в декабре, представлял собой прототип мощностью 0,5 МВт: 1000 В, 500 А (рис. 3). «Это было сделано для того, чтобы доказать, что мы можем это сделать», - отметил Кеймел. «Его все еще нужно уменьшить в размерах, но этот [прототип] должен был доказать, что мы можем это сделать».
Позиционирование для высоковольтных серверных систем электропитания
Переход к более высоковольтным системам электропитания в центрах обработки данных для искусственного интеллекта предъявляет новые требования к компактным и эффективным устройствам защиты. Menlo Micro позиционирует свой МЭМС-переключатель для выполнения этой функции защиты на интерфейсе, где он может функционировать как встраиваемый предохранитель или автоматический переключатель.
«Если вы подумаете о типичном автоматическом переключателе, то в центре обработки данных происходит то, что каждая из этих серверных плат теперь подает на себя 800 В. Они должны защищать графические процессоры стоимостью в пару сотен тысяч долларов, а также должны иметь автоматический переключатель на передней панели. Теперь эти платы можно монтировать на поверхности», - объясняет Кеймел.
По словам Кеймела, во многих схемах преобразователей, представленных на выставке APEC 2026, слот для защиты внешнего интерфейса оставался пустым, и Infineon был одним из немногих производителей, предлагающих твердотельные решения eFuse, хотя они по-прежнему подвержены потерям проводимости, характерным для устройств на основе полевых транзисторов.
Промышленная автоматизация и управление зданиями
В то время как центры обработки данных являются ближайшим направлением применения, Кеймел выделил два более крупных рынка, где применяются те же тепловые преимущества и преимущества в размерах. В области промышленной автоматизации широкое распространение робототехники означает, что защита цепей каждого робота является реальным требованием, поскольку может оказаться полезной возможность изолировать неисправность на одном роботе, не передавая ее каскадом на другие устройства на той же линии.
При управлении зданиями тепловая нагрузка SSCB на основе МОП-транзистора или полевого транзистора имеет менее очевидное, но существенное последствие: для управления теплом требуются дополнительные разъемы на DIN-рейке, что сокращает количество управляемых цепей и интеллектуальные возможности, например, микропроцессоров, коммуникационного оборудования, линий электропередач, которые могут быть расположены в одном корпусе.
«Если мне приходится использовать больше разъемов для управления нагревом, у меня меньше возможностей управлять большим количеством цепей или подключать больше интеллектуальных устройств», - сказал Кеймел. Благодаря меньшему тепловому воздействию МЭМС-коммутации это пространство освобождается.
Что касается затрат, Кеймел утверждает, что Menlo Micro может достичь паритета с полевыми транзисторами при сопоставимых объемах, и что динамика масштабирования со временем благоприятствует МЭМС. По словам Кеймела, для повышения производительности полевого транзистора требуется увеличить площадь матрицы; он утверждает, что усовершенствования Menlo остаются на прежнем уровне благодаря более простому процессу изготовления. Кеймел также заявил, что долгосрочной целью является не обязательно достижение ценового паритета с твердотельными аналогами, а фактическое соответствие цен на электромеханические реле.
«Наша цель на самом деле заключается в замене электромеханических устройств, а не просто в начале конкуренции», - добавил Кеймел.
