Subiectele legate de tranziția energetică și reducerea emisiilor de carbon sunt în atenția tuturor, iar interesul inginerilor electroniști din domeniul energiei se concentrează asupra soluțiilor de alimentare pentru vehiculele electrice, a energiei regenerabile și a utilizării celor mai recente tehnologii, cum ar fi semiconductorii Wide Band Gap. Nu există nicio îndoială că ne aflăm într-un punct de cotitură în industria electronicii de putere și că multe lucruri se întâmplă în paralel cu conversia de la combustibilii fosili la energia regenerabilă, dar există multe alte domenii interesante de explorat. Am participat recent la un atelier de lucru cu un grup de studenți și investitori în afaceri (Business Angels) unde am discutat despre un subiect pe care ei l-au numit “FAȚA ASCUNSĂ a industriei de putere”. Scopul acestui atelier a fost de a analiza schimbările în compoziția pieței de surse de alimentare în ceea ce privește produsele standard și cele nestandardizate din ultimele două decenii și ce s-ar putea schimba în următorul deceniu. Nu este posibil să acoperim totul într-un articol scurt, dar haideți să aruncăm o privire asupra principalelor tendințe.
Schimbarea!
Figura 1: Repartizarea și dezvoltarea pieței 2000 – 2023 (Sursa: PRBX/PLF)
Sursele de alimentare sunt folosite peste tot și, de la un încărcător USB până la soluția de putere care alimentează telescopul James Webb al NASA, gama de produse și soluții este uimitor de largă. Se estimează că, în 2023, piața globală a surselor de alimentare cu comutație (AC/DC și DC/DC) va reprezenta o afacere de 58 de miliarde USD și este compusă din produse comerciale (45B), cunoscute și sub numele COTS (Commercial off-the-shelf) și produse captive (13B) dezvoltate de OEM-uri pentru uzul lor intern. Ca în orice industrie, este complex și dificil să cunoști totul, așa că ne bazăm pe studiile analiștilor de piață, cum ar fi Micro-Tech Consultants sau Wired & Wireless Technologies (WAWT), care publică rapoarte detaliate privind segmentarea și previziunile pieței, dar, în paralel cu aceste studii, este interesant să detaliem puțin pentru a analiza “fața ascunsă” a industriei energetice.
Timp de peste 100 de ani, industria electronică de putere a fost extrem de dinamică și inovatoare, traversând de multe ori granița noilor tehnologii. Așa cum am prezentat într-o carte albă (WP022): “1980 – un punct de cotitură în industria energetică!”, printre toate acestea, trecerea de la tehnologia liniară la cea cu comutație nu a însemnat doar un moment foarte important, ci și nașterea surselor de alimentare COTS de masă. Multe companii de surse de alimentare și OEM-uri au început să vândă sau să implementeze produse de volum în anii ’80, de exemplu, Delta Electronics livrând produse de serie în 1983, producătorii de telecomunicații AT&T lansând la nivel comercial switch-ul 5ESS cu o nouă arhitectură de alimentare dezvoltată de Bell Labs Power Systems în 1982, Ericsson dezvoltând o arhitectură avansată de alimentare distribuită bazată pe un singur bus pentru tensiune și module și RIFA Power (Ericsson Power Modules) introducând linia sa de convertoare DC/DC PKA de 25W în 1983, în timp ce, în Japonia, COSEL începea să livreze în serie sursele sale de alimentare cu comutație lansate în 1977, fără să-l menționăm pe Patrizio Vinciarelli care a fondat VICOR în 1981.
Anii ’80 au fost martorii nu numai a unei schimbări tehnologice, ci și a unei schimbări fundamentale în modul în care sursele de alimentare erau proiectate, fabricate și vândute clienților. De remarcat, de asemenea, că în acea periodă sistemele “captive”, care reprezentau mai mult de 70% din piață, începeau să migreze, încet, către cele comerciale.
Pentru cei care nu s-au născut pe vremea când “dinozaurii încă vorbeau”, trebuie să ne amintim că, în anii ’80, majoritatea surselor de alimentare erau fabricate în interiorul companiei, de exemplu, PHILIPS, ALCATEL, AT&T, ERICSSON, THOMSON. Pe măsură ce oferta comercianților a crescut, iar producătorii OEM erau nevoiți să investească în activitatea lor de bază, treptat, departamentele de alimentare au fost cesionate, devenind parte a pieței comerciale.
Având în vedere trecerea de la producția captivă la cea comercială și oferta vastă, de la convertoare DC/DC de mică putere la convertoare AC/DC de mare putere, am putea să ne întrebăm care este rațiunea din spatele “FEȚEI ASCUNSE” a industriei energetice? Ce lipsește din oferta producătorilor de surse de alimentare care să motiveze interesul pentru altceva?
Când standardul nu este suficient!
Deoarece electronica de putere este peste tot, există o serie de cazuri în care achiziționarea unui produs COTS nu este suficientă pentru arhitecții de sisteme atunci când își dezvoltă aplicațiile. Din diverse motive, aceștia pot avea nevoie de ceva foarte specific sau atât de unic încât producătorii de surse de alimentare OEM să nu le considere suficient de viabile sau în afara strategiei lor de afaceri pentru a se angaja în cercetare și dezvoltare.
Înainte de a intra în detalii, este important să menționăm că producătorii OEM de surse de alimentare au oferit întotdeauna “standarde modificate” atunci când clienții solicitau mici modificări în conformitate cu procesul lor sau în cazul în care era nevoie de o investiție mică.
Acest lucru ne poartă către o scurtă explicație a diferitelor segmente de produse non-standard și spre o descriere a schimbărilor pe care le-am observat în studiul nostru între 2000 și 2023 (Figura 1).
Standard modificat
Atunci când proiectează surse de alimentare COTS, producătorii iau în considerare segmentele și aplicațiile finale, dar clienții ar putea avea nevoie de mici adaptări. Modificările ar putea fi la fel de simple cum ar fi un reglaj special sau ceva mai complex, care necesită o modificare mecanică, un anumit cablaj sau programare suplimentară în firmware. În 2000, numărul de unități vândute “standard modificate” a reprezentat 6% din volumul total. Acest număr a scăzut la 4% în 2023. Unul dintre posibilele motive este modernizarea ofertei de produse în această perioadă și adăugarea de noi funcționalități, cum ar fi o interfață digitală care facilitează profilarea produsului de către utilizator pentru a răspunde mai exact nevoilor sale. De asemenea, cantitatea impresionantă de produse noi lansate de producătorii de surse de alimentare acoperă o gamă mai largă de aplicații și, în consecință, observăm o oarecare suprapunere între această categorie și cea semi-personalizată.
Semi-personalizat
Figura 2: Exemplu de concept din 1990 pentru o soluție de alimentare semi-personalizată (Sursa: PRBX/PLF)
Există probabil la fel de multe definiții ale soluțiilor de alimentare semi-personalizate ca numărul de producători, dar interesant este că această categorie a crescut semnificativ de la 3% în 2000 până la 7% în 2023.
Fiind unul dintre acei dinozaurii despre care am vorbit mai devreme, îmi amintesc că am proiectat primul produs semi-personalizat în 1986, dezvoltând un ansamblu de module de alimentare PWM pe un PCB complet cu conectori, filtre, potențiometru și indicator luminos (similar cu cel prezentat în figura 2) pentru a înlocui o sursă de alimentare liniară în cadrul unui echipament industrial. Un lucru interesant de observat este că o astfel de combinație și practică de construcție a fost adoptată ulterior de industrie, lansând o versiune standard a ceea ce era o unitate semipersonalizată (figura 3).
Figura 3: Exemplu de tranziție a unui produs de la o platformă semi-personalizată care devine parte a unei oferte COTS standard (sursa PRBX/COSEL)
Deoarece oferta unei combinații de module de putere foarte eficiente pentru a construi o soluție finală a reprezentat nucleul segmentului semi-personalizat (figura 4), în cadrul industriei de electronice de putere, modelul de afaceri dezvoltat de VICOR împreună cu o rețea de comercianți cu valoare adăugată a contribuit la dezvoltarea soluțiilor semi-personalizate, canibalizând o parte din ceea ce înainte era complet personalizat. În urma analizei acestui segment, am constatat o mică migrare de la standard modificat la semi-personalizat și o migrare semnificativă de la o personalizare completă către soluții de putere de complexitate medie.
Complet personalizat
Figura 4: Exemplu de soluție de alimentare semi-personalizată, care combină un modul și componente suplimentare pentru filtrare, protecție, reglaj de tensiune și conectori (sursa PRBX)
Pentru proiectanții de sisteme de alimentare,”full-custom” este un domeniu foarte interesant, în care dezvoltarea produsului necesită o cooperare multidisciplinară (figura 5). Nu este vorba doar de proiectarea celui mai bun etaj de putere, ci și de realizarea unei soluții complete, care poate fi extrem de complexă. Acest segment a scăzut de la 22% în 2000 la 15% în 2023, dar rămâne totuși puternic și stabil. După cum am bănuit, o parte din ceea ce a fost “full-custom” a fost capturată de zona “semi-custom”, dar linia de demarcație dintre cele două segmente nu este atât de clară pe cât pare pe grafic. De fapt, există o margine fină între cele două segmente, unde sectorul “full-custom” integrează module, iar cel “semi-custom” implementează o serie de tehnologii dezvoltate de industria “full custom” – polenizare încrucișată.
Figura 5: Soluția complet personalizată este un domeniu foarte interesant, în care dezvoltarea produsului necesită o cooperare multidisciplinară (sursa PRBX)
În acest segment, se întâmplă foarte des ca proiectanții de putere să fie nevoiți să exploreze domenii care nu fac parte din electronica de putere convențională, iar, în final, aș dori să ilustrez acest lucru prin intermediul unei surse de alimentare fără miez, creată pentru a alimenta un scaner de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN). În acest caz, proiectanții de putere au trebuit să ia în considerare nu numai conversia de putere, ci și mediul specific, cu o frecvență de comutație care să nu interfereze cu semnalul RMN, precum și alte probleme (figura 6). Aceasta ar putea părea o aplicație exotică, dar proiectarea unui astfel de tip de produs este exact ceea ce nu puteți găsi într-un catalog COTS.
Exclusivitatea
Când am efectuat cercetări despre “FAȚA ASCUNSĂ a industriei surselor de alimentare”, am descoperit o nișă care a primit numele de “Exclusive”! Aici se proiectează o soluție de alimentare pentru cele mai extreme dintre aplicațiile extreme. Vorbim de produse care sunt utilizate în explorarea spațiului cosmic, în medii cu radiații și temperaturi foarte ridicate, în reactoare nucleare și altele. Acesta este, de asemenea, un domeniu în care un proiect poate necesita componente care nu există încă. Am estimat acest segment la 1%, dar este mai degrabă o agregare de soluții de alimentare decât de produse ca atare.
Care este viitorul FEȚEI ASCUNSE a industriei de putere?
Figura 6: Exemplu de soluție de alimentare complet personalizată pentru un echipament RMN (Sursa PRBX)
Probabil că vom aborda acest aspect mai detaliat într-un articol viitor, dar având în vedere regulamentul european de prelungire a duratei de viață a produselor, credem că vor exista numeroase sisteme care vor necesita recondiționare, actualizare și modernizare. Multe dintre aceste produse vor necesita o combinație de la “standard” la “full-custom”. După cum am învățat din linia de demarcație fină dintre “semi” și “full-custom”, preconizăm că aceste segmente vor rămâne solide și stabile. În ceea ce privește modernizarea, vedem o mare oportunitate pentru semiconductoarele cu bandă interzisă largă, care contribuie la posibilitatea de a împacheta mai multă putere în același volum. În concluzie, FAȚA ASCUNSĂ a industriei de putere este strălucitoare și va permite proiectanților din domeniu să împingă limitele.
Referințe:
POWERBOX (PRBX): https://www.prbx.com/
POWERBOX (PRBX) White Papers Library: https://www.prbx.com/literature/white-papers/
COSEL: https://en.cosel.co.jp/
Micro-Tech Consultants (Global Switching Power Supply Report): https://mtcpower.com/
Wired & Wireless Technologies (WAWT): https://www.wawt.tech/
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
