La fel ca în cazul multor industrii, electronica de putere a fost afectată de pandemia Covid-19, deși am remarcat o creștere a noilor tehnologii precum și apariția unor oportunități pentru proiectanții de aplicații de putere care pot profita de avantajele E-learning-ului.
Figura 1: Funcționarea Smart Power într-o fabrică inteligentă cu comunicație “machine-to-machine”. (Sursa: PRBX) ▶
Întotdeauna este dificil să extragem tendințe din industriile mari, dar ca inginer specializat în domeniul alimentării cu energie, precum și din perspectiva APEC-2022, am putem să ne gândim la aspectele care vor contribui la eficientizarea surselor de putere, la creșterea fiabilității și la crearea unor proiecte interesante.
Tendințe generale și tehnologie
Figura 2: Banc de supercondensatori PRBX S-CAP BOOST cu control digital și interfață de comunicație, capabil să livreze energie de vârf către sarcină și să stocheze energia înapoi. (Sursa: PRBX)
Cu siguranță, așa-numita “electrificare” și tranziția de la combustibilii fosili la energia regenerabilă este o tendință majoră pe care o cunoaștem cu toții. Acest segment va necesita o mulțime de inovații tehnologice pentru a atinge nivelul de neutralitate a emisiilor de dioxid de carbon preconizat de Comisia Europeană, de DOE din SUA și de inițiative similare din Asia. Dacă ne concentrăm din nou asupra a ceea ce dezvoltă majoritatea companiilor producătoare de surse de alimentare, prevăd că patru tendințe și o dezvoltare tehnologică vor influența industria energetică în 2022: Reducerea consumului de energie; Sursele de alimentare vor deveni parte a ecosistemului Machine-to-Machine; Soluții îmbunătățite de stocare a energiei; Accelerarea soluțiilor de recoltare a energiei, iar toate acestea vor beneficia de pe urma implementării semiconductorilor de bandă interzisă largă (Wide Band Gap).
În căutarea unui consum redus de energie, de la recoltarea energiei până la rețea, industria electronicii de putere caută permanent noi modalități de îmbunătățire a eficienței. Reglementările internaționale și locale au forțat producătorii de surse de alimentare să inoveze, dar vedem că se discută despre reglementări mai stricte care ar putea obliga industria de putere să exploreze noi topologii, componente și materiale.
Aș dori să ilustrez această tendință cu un exemplu care va profita de pe urma ei: comerțul electronic (E-commerce).
Comerțul electronic era deja în creștere înainte de Covid-19, dar, ca urmare a restricțiilor, a lucrului la domiciliu și a reducerii drastice a interacțiunii fizice, a crescut exponențial, punând o cerere mare pe hub-urile de transport maritim, pe stocarea computerizată și pe întregul lanț de aprovizionare. Înainte chiar de a menționa centrele de date asociate necesare pentru a gestiona procesul de comerț electronic, hub-urile de expediere și depozitele au devenit gigantice și consumă foarte multă energie. Eficientizarea energetică a centrelor de manipulare și de expediere a fost pe agenda tuturor actorilor importanți, deși vârful de cerere din 2020-2021 a fost un semnal puternic pentru aceștia de a reconsidera modul de utilizare și gestionare a energiei.
Figura 3: Convertoare de putere PRBX multi-core, autoreglabile, cu control digital avansat și tranzistoare GaN FET (Sursa: PRBX)
Sursele de alimentare, ca atare, nu consumă cea mai mare parte a energiei, dar, dacă se ia în considerare poziția lor strategică în lanțul operațional, acestea devin un punct-cheie în procesul general de optimizare a modului de utilizare a energiei în întregul lanț. În 2022, vom vedea surse de alimentare foarte avansate utilizate în centrele de manipulare și de expediere ale comerțului electronic. Acestea nu numai că vor integra niveluri mai ridicate de comunicație, dar vor putea să stocheze și să recupereze energia din bancurile de supercondensatori, reducând perturbațiile de vârf din rețea și consumul. Experimentate deja în 2021, sursele de alimentare au fost integrate într-un ecosistem complet cu comunicație M2M (Machine-to-Machine) (Figura 1). Acestea nu numai că livrează energie către o sarcină, de exemplu, motoare pentru benzile transportoare, dar sunt capabile să detecteze și să ajusteze nivelul de energie pentru a o stoca în bancul local de supercondensatori (Figura 2).
Aproape invizibile, de la RFID-ul inserat în cutia de transport care va primi energie de la semnalele de radiofrecvență, la senzorii plasați pe motoare sau elemente mobile alimentate de vibrații, microsistemele alimentate de energia recoltată se dezvoltă foarte rapid. Și în acest caz, nanotehnologiile, cum ar fi nanotuburile, fac posibilă dezvoltarea unor supercondensatori foarte mici care stochează suficientă energie pentru a alimenta senzori și transmițătoare.
Pentru ca acest lucru să fie posibil, este necesară implementarea puterii digitale și a comunicațiilor, dar nivelul de performanță va impune inginerilor din domeniul electronicii de putere să proiecteze noi soluții de alimentare bazate pe semiconductori de bandă interzisă largă (WBG). În funcție de aplicație și de tensiune, aceștia vor alege tipurile GaN sau SiC, dar beneficiile WBG vor contribui la creșterea eficienței energetice a comerțului electronic și la reducerea emisiilor de CO2.
Elemente esențiale!
De zeci de ani, îmbunătățirea nivelurilor de eficiență energetică a surselor de alimentare a fost posibilă datorită evoluțiilor tehnologice. Trecerea de la tehnologia liniară la cea în comutație a fost probabil cea mai importantă, urmată de o serie de salturi mai mici până la apariția pe piață a puterii digitale.
Figura 4: Proiectanții experimentați din domeniul aplicațiilor de putere au traversat această prăpastie tehnologică de multe ori, cea mai recentă fiind migrarea de la controlul analogic la cel digital (Sursa: PRBX)
În ciuda faptului că este prezentă pe piață de câțiva ani, odată cu tehnologia WBG emergentă și posibilitățile oferite de aceste componente, controlul digital devine o necesitate absolută și cred cu tărie că acesta va fi un element de bază important pentru proiectanții de surse de alimentare atunci când dezvoltă noi produse.
În ceea ce privește componentele, tranzistoarele WBG sunt fără îndoială cele care vor prevala în 2022. Acestea fiind spuse, FET-urile de putere convenționale fac, de asemenea, progrese mari, iar proiectanții de echipamente de putere vor trebui să atingă noi niveluri de evaluare și perspicacitate în afaceri atunci când selectează cea mai potrivită tehnologie pentru aplicațiile lor.
Al treilea element constitutiv pe care îl prevăd ca fiind important este transformatorul planar avansat cu tehnologie multi-core intercalată. Nu toate sursele de alimentare necesită comutare la nivel de MHz, dar având în vedere căutarea constantă a unor surse de alimentare mai mici și cu eficiență mai mare, proiectanții de surse de putere vor trebui să ia în considerare noi tipuri de transformatoare și noi tehnici de înfășurare. În acest sens, ei vor fi ajutați de producătorii de ferite care dezvoltă noi materiale, dar și de software-ul de inteligență artificială care scurtează timpul de proiectare și testare a noilor tipuri de transformatoare (de exemplu, Frenetic, Simba).
Un exemplu specific, în acest sens, este cercetarea pe care o desfășurăm în prezent la PRBX, care combină controlul digital, GaN și transformatoarele multicore cu cablare avansată și performanțe autoreglabile într-un interval operațional vast, întâlnit în unele aplicații industriale care necesită intervale de tensiune de intrare extrem de largi, precum și ieșiri supuse unor sarcini de vârf repetitive. Produsele finale nu sunt încă gata, dar nu vor fi posibile fără combinația dintre controlul digital, WBG și magnetica avansată (Figura 3).
Cred că multe dintre noile produse pe care le vom vedea în 2022 și în continuare se vor baza pe aceste trei elemente constitutive, care sunt sigur că vor include și mai multă comunicație pentru a deveni parte a unui ecosistem Machine-to-Machine.
Avem încredere în WBG!
Figura 5: Circuitul integrat de putere GaNFast de ultimă generație de la Navitas care va controla încărcătorul ultra-rapid de 120 W, contribuie la reducerea dimensiunii acestuia cu 26% (Sursa PRBX/Navitas)
Ceea ce este interesant în cazul semiconductorilor Wide Band Gap este că asistăm la o situație similară cu cea de la lansarea primelor MOSFET-uri de putere. Unii au luat imediat în considerare beneficiile WBG și că, în ciuda faptului că primele produse nu erau foarte ușor de utilizat deoarece se bazau pe un mod de golire (depletion mode) care necesitau drivere foarte specifice, nu a durat prea mult pentru ca producătorii de semiconductori de putere să ofere soluții “ușor de utilizat”.
Au trecut mai bine de cinci ani de când producătorii promovau beneficiile acestei tehnologii, dar dacă “Go To Market” este gata, “Go To Application” pentru utilizatorii de masă necesită o anumită perioadă de timp.
Cunoaștem cu toții curba “camel-back” care reflectă adoptarea noilor tehnologii și traversarea “prăpastiei”. Proiectanții experimentați în domeniul aplicațiilor de putere au traversat această prăpastie tehnologică de mai multe ori, cea mai recentă fiind migrarea de la controlul analogic la cel digital și a fost nevoie de mai mult de 10 ani pentru a ajunge la un nivel semnificativ de adoptare (Figura 4).
În cazul WBG – și în special al nitridei de galiu (GaN) – cei care au adoptat-o timpuriu au intrat în scenă mult mai repede decât au prezis unii în urmă cu câțiva ani. Nu este surprinzător că industriile de PC-uri și de telefoane mobile/Nomad au fost printre primele care au adoptat acest tip de tehnologie. Numărul de încărcătoare USB-C care utilizează semiconductori GaN anunțate în 2020-2021 este impresionant. Merită menționat în mod special circuitul integrat de alimentare GaNFast de ultimă generație de la Navitas, care va acționa încărcătorul ultra-rapid de 120 W furnizat “in-box” cu telefonul mobil iQOO 9 Pro, nava amiral a mărcii vivo iQOO, demonstrând adoptarea rapidă a tehnologiei GaN de către industria “nomadă”. Dar nu este vorba doar de performanțele sale electrice, utilizarea GaN reduce dimensiunea fizică cu 26%, atingând o densitate de putere uimitoare de 1,3 W/cc, ceea ce este de-a dreptul incredibil (Figura 5).
Figura 6: Abordarea Efficient Power Conversion (EPC) este foarte interesantă, minimizând pierderile de interconectare și făcând posibilă reducerea unui convertor de putere la o dimensiune fără precedent (Sursa: PRBX/EPC)
Dacă a fost nevoie de 10 ani pentru ca puterea digitală să devină o tehnologie de facto, a fost nevoie de numai cinci ani pentru ca WBG să ajungă la un nivel similar.
Ceea ce este interesant în dezvoltarea semiconductorilor WBG este faptul că, datorită specificității acestei tehnologii și anume rezistența internă foarte scăzută și capacitatea de a comuta foarte rapid, încapsularea este foarte importantă și vedem multă inovație din partea producătorilor pentru a oferi soluții optimizate. Din punct de vedere tehnologic, abordarea Efficient Power Conversion (EPC) este foarte interesantă, reducând la minimum pierderile de interconectare și făcând posibilă micșorarea unui convertor de putere la o dimensiune fără precedent (Figura 6).
Un aspect care trebuie menționat este numărul uimitor de webinarii tehnice propuse în perioada Covid-19, ca să nu mai vorbim de conferința virtuală APEC-2021. Multe companii au profitat de această ocazie pentru ca proiectanții lor din domeniul puterii să participe la cursuri de formare online și, ca urmare, unele companii producătoare de semiconductori de putere au raportat că au expediat de până la 10 ori mai multe kituri de evaluare decât înainte de zilele pandemiei.
Dacă ar fi să reducem piața la două segmente: Înaltă tensiune (care utilizează SiC) și Joasă tensiune (care utilizează GaN), observăm două modele diferite. Aplicațiile de înaltă tensiune, de exemplu vehiculele electrice și cele solare, sunt familiarizate cu tranzistoarele SiC, iar pentru inginerii din acest domeniu, trecerea printr-o fază de învățare a tehnologiei relativ noi – cea de joasă tensiune – nu ar însemna o mare provocare.
În concluzie
Pandemia ne-a afectat pe toți, în diferite moduri, deși, dacă privim retrospectiv, aceasta a contribuit la stimularea învățării noilor tehnologii și la accelerarea inovării. Având în vedere toate acestea, 2022 va fi un an foarte important pentru WBG și ne putem aștepta ca multe surse de alimentare noi (AC/DC și DC/DC) să fie anunțate pe parcursul anului. 2022 va fi un an foarte interesant pentru noi toți cei care proiectăm soluții de alimentare.
Referințe:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
Navitas Semiconductors: https://navitassemi.com/
Efficient Power Conversion (EPC): https://epc-co.com/epc
Frenetic: https://frenetic.ai/
SIMBA: https://simba.io/
Applied Power Electronics Conferences (APEC): https://apec-conf.org/
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox – A Cosel Group Company| www.prbx.com
