Modernizarea industrială nu este doar o expresie la modă, iar odată cu implementarea noilor tehnologii necesare Industriei 4.0, multe companii migrează de la controlul proceselor și infrastructurile tradiționale la cele conectate în rețea, incluzând mai multă comunicație, iar în condițiile unei utilizări mai bune a energiei, trebuie să ia în considerare fie modernizarea echipamentelor existente, fie achiziționarea de echipamente noi.
Figura 1: Exemplu de sursă de alimentare industrială, care ar putea beneficia de noile tehnologii pentru a dubla puterea de ieșire de la 100W la 200W, respectând principiul 3F. (Sursă imagine: PRBX)
Atunci când se analizează parcul existent, ținând cont de costul unei noi instalații și de perioadele de inactivitate, actualizarea și recondiționarea sunt adesea considerate o soluție atractivă. Însă, adăugarea de noi funcționalități în echipamentele existente poate fi foarte dificilă. Este aproape imposibil să acoperim într-un singur articol marea varietate de cazuri de rentabilitate în ceea ce privește modernizarea echipamentelor industriale, dar este interesant să luăm în considerare o dilemă cu care se confruntă arhitecții de sisteme: să obțină mai multă putere într-un sistem 3F (form, fit & function) sau să îi adauge mai multă funcționalitate, menținând în același timp compatibilitatea deplină cu echipamentele instalate (figura 1). Așadar, care sunt cele mai recente soluții inovatoare de alimentare care fac posibil acest lucru?
Beneficiile oferite de tehnologia Wide Band Gap
De zeci de ani, îmbunătățirea nivelurilor de eficiență energetică ale surselor de alimentare a fost posibilă datorită evoluțiilor tehnologice. Trecerea de la tehnologia liniară la cea de comutație a fost, probabil, cea mai importantă, urmată de alte câteva salturi minore până la introducerea pe piață a puterii digitale, urmată de semiconductorii Wide Band Gap (WBG) (nitrură de galiu (GaN) și carbură de siliciu (SiC). Deși se află pe piață de mai mulți ani, odată cu apariția tehnologiei WBG și a posibilităților oferite de aceste componente, controlul digital devine o necesitate absolută și un element de bază major pentru proiectanții de putere atunci când dezvoltă produse noi, în special atunci când se abordează problema 3F asociată modernizării industriale. În ceea ce privește componentele, tranzistoarele WBG sunt, fără îndoială, cele care vor prevala în următorii ani.
Ceea ce este interesant în cazul semiconductorilor WBG este că asistăm la o situație similară cu cea în care au fost lansate primele MOSFET-uri de putere. Unele companii au luat imediat în considerare beneficiile WBG și, cu toate că primele produse nu erau foarte ușor de utilizat deoarece se bazau pe un mod de epuizare (depletion mode) care necesită drivere cu caracteristici foarte specifice, nu a durat prea mult până când producătorii de semiconductori de putere au furnizat versiuni și soluții “ușor de utilizat”.
Figura 2: Curba “camel-back” reflectă adoptarea de noi tehnologii și traversarea prăpastiei. (Sursă imagine: PRBX / Geoffrey A. Moore)
A trecut ceva timp de când producătorii promovează beneficiile acestei tehnologii, dar dacă lansarea pe piață este pregătită în ceea ce privește aplicațiile industriale, punerea în aplicare pentru publicul larg mai are nevoie de o anumită perioadă de timp. Știm cu toții curba “camel-back” care reflectă adoptarea noilor tehnologii și traversarea “prăpastiei” (figura 2). Proiectanții cu experiență în domeniul energetic au traversat această prăpastie tehnologică de multe ori, cea mai recentă fiind migrarea de la controlul analogic la cel digital; adoptarea tehnologiei WBG a urmat același tipar, dar, în primul rând, a fost determinată de aplicațiile de consum, de exemplu, încărcătoarele USB și de industria auto prin implementarea tehnologiei WBG în sistemele de propulsie, unde încărcătoarele de la bord și de la exterior au stimulat adoptarea în aceste segmente.
Tehnologia WBG oferă avantajul de a crește frecvența de comutare cu o eficiență ridicată, ceea ce face posibilă reducerea dimensiunii sursei de alimentare și concentrarea unei puteri mai mari într-un pachet similar, dar, în sine, acest lucru nu este suficient pentru a îndeplini cerințele 3F. Cu siguranță, evoluția semiconductorilor este foarte importantă, însă, în încercarea de a crește densitatea de putere, de a reduce pierderile de putere și de a oferi spațiu pentru mai multă funcționalitate, proiectanții de dispozitive de putere trebuie să ia în considerare aspectul transformatoarelor și să găsească soluții pentru a le face mai mici și mai bine integrate.
În acest sens, proiectanții de surse de alimentare au explorat potențialul transformatoarelor planare avansate cu tehnologie cu miezuri multiple dispuse intercalat. Nu toate sursele de alimentare necesită comutare la megahertzi, dar având în vedere potențialul semiconductorilor WBG și creșterea densității de putere, proiectanții de surse de alimentare vor trebui să ia în considerare noi tipuri de transformatoare și noi tehnici de bobinare. Acest lucru evidențiază nevoia de a continua cercetările, în loc să se treacă la producția de masă, dar situația este favorizată de producătorii de ferite care dezvoltă noi materiale și, de asemenea, de software-ul bazat pe inteligență artificială care scurtează timpul de proiectare și testare a noilor tipuri de transformatoare (de exemplu, Frenetic, Simba).
Figura 3: PSU cu densitate mare de putere care beneficiază de magnetică planară, WBG și control digital. (Sursă imagine: PRBX)
Un exemplu specific în acest sens este cercetarea pe care am efectuat-o la PRBX, îmbinând controlul digital, WBG-GaN și transformatoare cu mai multe miezuri, cu cablare avansată și performanțe reglate automat într-un interval operațional larg, pe care îl întâlnim în unele aplicații industriale care necesită plaje de tensiune de intrare extrem de largi, precum și ieșiri supuse unor sarcini de vârf repetitive. Produsele finale sunt, în acest moment, în faza de proiectare, deși rezultatele preliminare pe care le-am obținut sunt foarte încurajatoare și nu ar fi fost posibile fără combinația de control digital, tehnologie WBG și magnetică avansată (figura 3).
În acest moment, ne putem gândi cu bucurie la nivelul de integrare și la cât de mult s-ar putea obține prin combinarea celor trei tehnologii menționate anterior: control digital, WBG și transformatoare integrate. Pentru a ilustra acest lucru, modulul EPC9159 proiectat de Efficient Power Conversion (EPC), care utilizează dispozitivul GaN EPC2067 de 40V, este foarte interesant, iar combinația celor trei tehnologii a făcut posibilă micșorarea unui convertor de putere la o dimensiune fără precedent, de 22,9 × 17,5 mm, atingând o densitate de putere de 5kW/inch³ (5kW într-un volum de aproximativ 16,39 cm³) într-un format mic, cât o cutie de chibrituri (figura 4).
Figura 4: Convertor de putere EPC. (Sursă imagine: PRBX)
De la cercetare la aplicații
Profitând de avantajele celor trei tehnologii menționate mai sus, încă de acum cinci ani, producătorii de încărcătoare USB au fost primii care au adoptat tehnologia, dezvoltând și comercializând surse de alimentare cu densitate mare de putere, pe care, probabil, mulți le folosesc, deja, atunci când își încarcă telefoanele sau laptopurile. În curba de adoptare a pieței, segmentul industrial este mai conservator și are nevoie de mai mult timp pentru a evalua noile tehnologii, pentru a verifica nivelurile de performanță și fiabilitatea în condiții de operare (care sunt în mod clar mai exigente decât un încărcător USB), verificând robustețea, asigurând lanțurile de aprovizionare și sustenabilitatea pe termen lung.
Figura 5: Exemplu dezvoltat de COSEL pentru reducerea dimensiunii unei surse de alimentare de 50W, cu ajutorul noilor tehnologii de alimentare care combină WBG, controlul digital și magnetica integrată. (Sursă imagine: PRBX)
Nu este posibil să acoperim toate exemplele, dar este interesant de menționat modernizarea unei fabrici din domeniul microelectronicii care utilizează numeroase surse de energie pentru a alimenta senzorii, sistemele de transmisie și alarmele. Având, inițial, o sursă de alimentare de 50W într-un format convențional de tip “open frame”, arhitectura modernizată necesita o soluție de alimentare foarte compactă, de trei ori mai mică decât cea a produselor convenționale, pentru a încăpea într-o carcasă mai mică, care găzduia, inițial, o sursă de alimentare de 25W. Pentru simplificare, managerul responsabil cu actualizarea proiectului a solicitat ca soluția de alimentare de 50W să respecte pe deplin cele cerințe 3F ale soluției lor de referință, niciun compromis posibil și, obligatoriu, să fie certificată.
Pe baza legilor fizicii, singura modalitate de a atinge o astfel de densitate de putere a fost de a crește frecvența de comutare, de a încorpora elemente magnetice și de a utiliza o topologie de alimentare optimizată (figura 5), toate acestea contribuind la reducerea consumului de energie al întregului sistem.
Concluzie
Exemplul dat este unul dintre multe altele, dar, la fel ca în segmentele de consum și auto, punerea în aplicare a celor trei tehnologii combinate: Control digital, WBG și magnetică integrată va deveni preponderentă în dezvoltarea soluțiilor de alimentare pentru aplicații industriale. Este un moment important pentru proiectanții de dispozitive de putere să contribuie la modernizarea industriei și să implementeze tehnologii menite să reducă consumul de energie.
Referințe
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
COSEL: https://en.cosel.co.jp/
Efficient Power Conversion (EPC): https://epc-co.com/epc/
Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Despre autor
Patrick Le Fèvre este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoștințele despre energia curată.
Powerbox – A Cosel Group Company
https://www.prbx.com
