Per molti di noi, Albert Einstein ha influenzato il nostro destino, e non posso nominarlo senza citarlo: è anche il mio mantra: "L'importante è non smettere mai di porsi domande. La curiosità ha una sua ragion d'essere". Ecco perché, per oltre 120 anni, i progettisti di impianti energetici hanno compiuto miracoli e continueranno a infrangere limiti apparentemente invalicabili.

Passione e curiosità per la scoperta:
ciò che spinge un giovane a studiare elettronica di potenza dipende da molti fattori, ma personalmente, sono stato influenzato dalla luce blu emessa da una coppia di tiratroni [1] quando, all'università nel 1974, visitai il Palais de la Découverte a Parigi e incontrai un ingegnere ricercatore che, condividendo la sua passione per l'elettronica, mi spiegò come questa tecnologia avrebbe cambiato il nostro futuro. Fu semplicemente affascinante, e quasi certamente, fu il giorno in cui nacque la mia curiosità per la scoperta!
Per molti giovani ingegneri, la parola "tiratrone" potrebbe evocare un'epoca in cui i dinosauri vagavano ancora per la Terra, ma per l'industria dell'elettronica di potenza, rappresentò un significativo passo avanti per l'epoca (Figura 1).
Bisogna anche ricordare che, nello stesso periodo in cui il campo dell'elettronica di potenza stava impiegando le valvole termoioniche, nel 1926 l'inventore Julius Edgar Lilienfeld brevettò il principio di quello che oggi è noto come transistor a effetto di campo. Nel suo brevetto, "Metodo e apparato per il controllo delle correnti elettriche", propose una struttura a tre elettrodi utilizzando un materiale semiconduttore a base di solfuro di rame. La ricerca di Julius Edgar era molto interessante, ma, come molti ingegneri ricercatori appassionati, non comprese l'importanza di pubblicare e condividere i suoi risultati. Di conseguenza, la sua scoperta divenne oggetto di dibattito all'interno della comunità scientifica e, di conseguenza, ricevette scarso riconoscimento.
A questo punto, è opportuno menzionare l'alto livello di ricerca intrapreso per sostituire le valvole termoioniche con qualcosa di più piccolo, più efficiente e più facile da controllare. Pertanto, è rilevante e giusto citare Russell Ohl, che nel 1930 sperimentò l'utilizzo di raddrizzatori al silicio come rivelatori radar. Questa scoperta fu seguita da una domanda di brevetto per il principio fotovoltaico (brevetto statunitense 2.402.662), ma la scoperta di Ohl gettò le basi per quello che sarebbe diventato il transistor.
Nel 1947, John Bardeen e Walter Brattain sperimentarono il primo amplificatore a semiconduttore, che presentarono il 23 dicembre al Gruppo di Fisica dello Stato Solido dei Bell Laboratories. A questa presentazione riservata seguì l'annuncio pubblico del deposito del brevetto il 17 giugno 1948 (2.524.035) e, un paio di settimane dopo, in una conferenza stampa a New York il 30 giugno, l'annuncio del "transistor" da parte dell'ingegnere elettronico John Pierce. Tutti conosciamo la storia e abbiamo visto la copertina del numero di settembre 1948 della rivista "Electronics".

Dalle valvole termoioniche al silicio:
l'invenzione del transistor rappresentò una vera rivoluzione, implementata nelle apparecchiature di consumo all'inizio degli anni '50, ad esempio nelle radio a transistor (1954, la Regency TR-1 negli Stati Uniti; 1955, la Sony TR-52 in Giappone). I transistor al germanio divennero lo standard e gli ingegneri dell'elettronica di potenza iniziarono a sviluppare soluzioni di alimentazione basate su questa tecnologia. Contemporaneamente, la crescente domanda di macchine più veloci da parte della comunità informatica stimolò lo sviluppo di una nuova generazione di transistor al silicio. Nel luglio del 1961, Fairchild Semiconductor lanciò il primo transistor NPN al silicio che superava la velocità dei transistor al germanio: il 2N709.
Il lancio del transistor al silicio accelerò lo sviluppo della moderna elettronica di potenza e quelli che oggi conosciamo come alimentatori "a regolazione lineare" (trasformatore CA/CA, raddrizzatore, stadio di regolazione analogica) sostituirono le valvole termoioniche. Allo stesso tempo, la corsa alla conquista dello spazio e all'invio di un uomo sulla Luna richiedeva maggiore efficienza, riduzione del peso e dimensioni più compatte, e queste esigenze stimolarono la ricerca di nuove tecnologie di alimentazione. In segreto, la NASA e l'industria militare svilupparono una nuova generazione di alimentatori basati sulla "tecnologia di commutazione". Sebbene all'epoca fosse altamente classificata, in seguito si scoprì che questa tecnologia era stata utilizzata nel satellite Telstar nel 1962.
Chi abbia lanciato il primo alimentatore a commutazione disponibile in commercio è oggetto di dibattito, ma va menzionata la RO Associates, che introdusse un commutatore di potenza a 20 kHz nel 1967, seguita da Robert Boschert, che condusse ricerche sulle moderne topologie di commutazione nel 1970. Boschert richiese diversi brevetti, ma i due più noti sono il 4.037.271 e il 4.061.931, concessi nel 1977. Da quella data, lo sviluppo delle topologie di commutazione di potenza accelerò e, con l'introduzione dei semiconduttori MOSFET e del circuito integrato di controllo PWM, divenne lo standard.

La curiosità inesauribile è fondamentale.
Poiché gli alimentatori trovano impiego in applicazioni che spaziano dal mare allo spazio profondo, i progettisti di alimentatori si trovano ad affrontare numerose sfide, alcune delle quali sembrano quasi insormontabili. Le normative e la domanda dei consumatori di apparecchiature più piccole e leggere hanno imposto ai progettisti di alimentatori di aumentarne l'efficienza. Negli anni '80, con grande curiosità, i progettisti di alimentatori hanno esplorato le topologie di commutazione risonante ad alta frequenza, e una delle più riuscite commercialmente è stata Vicor, fondata da Patrizio Vinciarelli nel 1981. Contemporaneamente, la comunità della commutazione rigida ha esplorato una nuova strada, sostituendo i diodi con i MOSFET di potenza. Sono stati presentati articoli a numerose conferenze, ad esempio PESC-1988 e APEC-1989, ma il principale artefice dell'adozione sul mercato è stato senza dubbio James Blanc di Siliconix Inc., che ha promosso con passione ed entusiasmo la tecnologia di rettifica sincrona.
Nuovi componenti e topologie hanno reso gli alimentatori più efficienti e, seguendo le orme di Trey Burns, Chris Henze e altri che lavorarono instancabilmente alla fine degli anni '70 per sviluppare il controllo digitale degli alimentatori, fu nel 2000 che i progettisti di alimentatori e i produttori di semiconduttori riuscirono finalmente a superare una nuova barriera, apparentemente invalicabile. Nacque così l'"alimentazione digitale", ed era ormai possibile controllare le prestazioni di un alimentatore bit per bit.
Ma la curiosità dei progettisti di alimentatori è forte e inarrestabile e, con la domanda del mercato di componenti ancora più piccoli ed efficienti, ora sono impegnati a esplorare oltre il silicio, studiando nuovi materiali con livelli di prestazioni superiori: i cosiddetti semiconduttori Wide Band Gap (WBG). A questo proposito, le applicazioni ad alta tensione hanno beneficiato principalmente dell'uso del carburo di silicio, seguito dal nitruro di gallio (Figura 2).
Ciò che è notevole dei WBG è la rapida adozione di questa tecnologia nelle applicazioni commerciali. Ho menzionato in precedenza James Blanc, che per anni ha promosso l'uso della rettifica sincrona. Con la stessa passione, devo ora menzionare Alex Lidow (Efficient Power Conversion), che ha fortemente promosso l'utilizzo del GaN, rendendo questa tecnologia facile da apprendere e applicare.

Più piccoli, più veloci, più leggeri e più efficienti.
Ogni decennio ha visto grandi passi avanti nella riduzione del consumo energetico, del peso, dell'ingombro e del prezzo. Combinando tutti questi elementi, i progettisti di dispositivi di alimentazione sono riusciti a concentrare più potenza in spazi più ridotti, e tutti ne vediamo i benefici nell'ultima generazione di caricabatterie USB, ad esempio. Anno dopo anno, ci avviciniamo sempre di più alla mitica efficienza del 99,99%, e questo è il risultato di progettisti curiosi che non smettono mai di porsi domande.
All'inizio di questo articolo ho citato Albert Einstein, quindi è appropriato concludere con le sue parole:
"L'importante è non smettere mai di interrogarsi. La curiosità ha un suo scopo. Non si può fare a meno di rimanere stupiti contemplando i misteri dell'eternità, della vita, della meravigliosa struttura della realtà. È sufficiente cercare di comprendere anche solo un po' di questo mistero ogni giorno".
Questo è ciò che i progettisti di dispositivi di alimentazione fanno da secoli, ed è ciò che motiva tutti gli utenti a superare i "limiti invalicabili".

Riferimenti:
[1] Alimentatore a tiratron REC-30 per la telescrivente del 1940: https://youtu.be/WX74GoHuwHk

Autore: Patrick Le Fèvre, PRBX