Tendenze generali e tecnologia
Indubbiamente, la cosiddetta "elettrificazione" e la transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili rappresentano una tendenza fondamentale che tutti conosciamo. Questo settore richiederà numerose innovazioni tecnologiche per raggiungere il livello di neutralità carbonica previsto dalla Commissione Europea, dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e da iniziative simili in Asia. Concentrandomi su ciò che la maggior parte delle aziende di fornitura di energia sta sviluppando, prevedo quattro tendenze e uno sviluppo tecnologico che influenzeranno il settore energetico nel 2022: riduzione del consumo energetico; integrazione delle forniture di energia nell'ecosistema Machine-to-Machine; miglioramento delle soluzioni di accumulo energetico; e accelerazione delle soluzioni di energy harvesting. Tutti questi aspetti trarranno vantaggio dalla diffusione dei semiconduttori a banda larga.
Nell'ottica di ridurre il consumo energetico, dall'energy harvesting alla rete, l'industria dell'elettronica di potenza è costantemente alla ricerca di nuove soluzioni per migliorare l'efficienza. Le normative internazionali e locali hanno spinto i produttori di forniture di energia a innovare, ma stiamo assistendo a discussioni su normative più severe che potrebbero obbligare il settore energetico a esplorare nuove topologie, componenti e materiali.
Vorrei illustrare questa tendenza con un esempio che la include e ne trae vantaggio: l'e-commerce.
L'e-commerce era già in crescita prima del Covid-19, ma a seguito dei lockdown, del lavoro da casa e della drastica riduzione delle interazioni fisiche, è cresciuto esponenzialmente, esercitando un'enorme pressione sui centri di distribuzione, sullo storage IT e sulla catena di approvvigionamento in generale. Prima ancora di menzionare i data center necessari per gestire il processo di e-commerce, i centri di distribuzione e i magazzini sono diventati giganteschi e ad alta intensità energetica. Tutti i principali operatori hanno pianificato di aumentare l'efficienza energetica dei propri centri di distribuzione e spedizione, sebbene il picco di domanda del 2020-2021 sia stato un forte segnale per riconsiderare il modo in cui utilizzano e gestiscono l'energia.
Gli alimentatori di per sé non consumano la maggior parte dell'energia, ma data la loro posizione strategica nella catena operativa, diventano un elemento chiave nel processo complessivo di ottimizzazione del consumo energetico lungo tutta la catena. Nel 2022, assisteremo all'utilizzo di alimentatori altamente avanzati nei centri di distribuzione e spedizione dell'e-commerce. Questi sistemi non solo integreranno livelli di comunicazione più elevati, ma saranno anche in grado di immagazzinare e ripristinare energia da banchi di supercondensatori, riducendo le interruzioni di rete e i picchi di consumo. Già testati nel 2021, questi alimentatori sono stati integrati in un ecosistema completo con comunicazione machine-to-machine (Figura 1). Non solo forniscono energia a un carico, come ad esempio i motori dei nastri trasportatori, ma sono anche in grado di rilevare e regolare il livello di energia immagazzinata nel banco di supercondensatori locale (Figura 2).
Quasi invisibili, dai tag RFID incorporati nelle scatole di spedizione che traggono energia da segnali a radiofrequenza, ai sensori posizionati su motori o parti mobili alimentati da vibrazioni, i microsistemi alimentati da energia immagazzinata si stanno sviluppando molto rapidamente. Anche in questo caso, la nanotecnologia, come i nanotubi, consente lo sviluppo di supercondensatori molto piccoli in grado di immagazzinare energia sufficiente ad alimentare sensori e trasmettitori.
Tuttavia, il livello di prestazioni richiederà agli ingegneri dell'elettronica di potenza di progettare nuove soluzioni di alimentazione utilizzando i cosiddetti semiconduttori "a banda larga". A seconda dell'applicazione e della tensione, verranno selezionati i tipi GaN o SiC, ma i vantaggi dei semiconduttori a banda larga contribuiranno a rendere l'e-commerce più efficiente dal punto di vista energetico, riducendone l'impronta di carbonio.
Elementi critici!
Per decenni, i miglioramenti nell'efficienza energetica degli alimentatori sono stati resi possibili dall'evoluzione tecnologica. Il passaggio dalla tecnologia lineare a quella switching è stato probabilmente il più significativo, seguito da altri piccoli passi avanti fino all'arrivo sul mercato degli alimentatori digitali.
Nonostante siano sul mercato da diversi anni, con l'emergere della tecnologia WBG e le possibilità offerte da questi componenti, il controllo digitale sta diventando una necessità assoluta e credo fermamente che sarà un elemento fondamentale per i progettisti di alimentatori nello sviluppo di nuovi prodotti.
Per quanto riguarda i componenti, i transistor WBG saranno senza dubbio quelli che prevarranno nel 2022. Detto questo, anche i FET di potenza convenzionali stanno facendo grandi progressi e i progettisti di alimentatori dovranno raggiungere nuovi livelli di valutazione e acume commerciale nella scelta della tecnologia più adatta alle loro applicazioni.
Il terzo elemento che prevedo come importante è il trasformatore planare avanzato con tecnologia multi-core interlacciata. Non tutti gli alimentatori richiedono la commutazione a megahertz, ma data la costante ricerca di alimentatori più piccoli ed efficienti, i progettisti di alimentatori dovranno prendere in considerazione nuovi tipi di trasformatori e nuove tecniche di avvolgimento. A questo proposito, i produttori di ferrite che sviluppano nuovi materiali saranno di grande aiuto, così come i software di intelligenza artificiale che riducono i tempi di progettazione e collaudo per i nuovi tipi di trasformatori (ad esempio, Frenetic, Simba).
Un esempio concreto è la ricerca che stiamo conducendo presso PRBX, che combina controllo digitale, GaN e trasformatori multicore con cablaggio avanzato e prestazioni di auto-regolazione nell'ampio intervallo operativo che riscontriamo in alcune applicazioni industriali che richiedono intervalli di tensione di ingresso estremamente ampi, nonché uscite soggette a carichi di picco ripetitivi. Il prodotto finale non è ancora pronto, ma non sarà possibile senza la combinazione di controllo digitale, WBG e magnetismo avanzato (Figura 03).
Credo che molti dei nuovi prodotti che vedremo nel 2022 e oltre saranno basati su questi tre elementi, che sono sicuro includeranno anche una maggiore comunicazione per formare parte di un ecosistema Machine-to-Machine.
Abbiamo fiducia nel WBG!
La cosa interessante dei semiconduttori a banda proibita ampia (WBG) è che stiamo assistendo a una situazione simile a quella del lancio dei primi MOSFET di potenza. Alcuni hanno subito riconosciuto i vantaggi del WBG e, sebbene i primi prodotti non fossero molto intuitivi perché si basavano su una modalità di svuotamento che richiedeva driver molto specifici, i produttori di semiconduttori di potenza non hanno impiegato molto tempo per offrire soluzioni "facili da usare".
I produttori promuovono i vantaggi di questa tecnologia da oltre cinque anni, ma mentre il Go-To-Market è pronto, il Go-To-Application per gli utenti di massa richiede del tempo.
Conosciamo tutti la curva a "gobba di cammello" che riflette l'adozione di nuove tecnologie e il superamento del divario tecnologico. I progettisti di sistemi di potenza esperti hanno superato questo divario tecnologico molte volte, la più recente delle quali è stata la migrazione dal controllo analogico a quello digitale, che ha richiesto più di 10 anni per raggiungere un livello di implementazione significativo (Figura 4).
Nel caso del WBG (Wave Bagnable GaN), e in particolare del nitruro di gallio (GaN), i primi utilizzatori sono entrati in scena molto prima di quanto previsto da alcuni anni fa. Non sorprende che i settori informatico e della telefonia mobile/nomade digitale siano stati tra i primi ad adottarlo. Il numero di caricabatterie USB-C che utilizzano semiconduttori GaN annunciati nel 2020-2021 è davvero notevole. In particolare, spicca il circuito integrato di potenza GaNFast di nuova generazione di Navitas, che alimenterà il caricabatterie ultraveloce da 120 W incluso con lo smartphone di punta iQOO 9 Pro di Vivo, a dimostrazione della rapida adozione del GaN da parte del settore nomade digitale. Ma non si tratta solo di prestazioni elettriche: l'utilizzo del GaN riduce le dimensioni fisiche del 26%, raggiungendo una sorprendente densità di potenza di 1,3 W/cc, un risultato davvero notevole (Figura 5).
Mentre l'alimentazione digitale ha impiegato 10 anni per diventare una tecnologia di fatto, il WBG ha raggiunto un livello simile in soli cinque anni.
Ciò che è interessante nello sviluppo dei semiconduttori WBG è che, a causa delle caratteristiche specifiche di questa tecnologia — ovvero, bassissima resistenza interna e capacità di commutazione molto rapida — il packaging è cruciale e stiamo assistendo a una grande innovazione da parte dei produttori per offrire soluzioni ottimizzate. Dal punto di vista tecnologico, l'approccio Efficient Power Conversion (EPC) è particolarmente interessante, in quanto minimizza le perdite di interconnessione e consente una riduzione senza precedenti delle dimensioni di un convertitore di potenza (Figura 06).
Vale la pena menzionare l'incredibile numero di seminari tecnici online offerti durante l'era COVID-19, per non parlare dell'APEC-2021 virtuale. Molte aziende hanno sfruttato questa opportunità per far partecipare i propri progettisti di sistemi di potenza a corsi di formazione online e, di conseguenza, alcune aziende produttrici di semiconduttori di potenza hanno segnalato di aver spedito fino a 10 volte più kit di valutazione rispetto a prima della pandemia.
Se semplifichiamo il mercato in due segmenti: Alta Tensione (con SiC) e Bassa Tensione (con GaN), osserviamo due modelli diversi. Le applicazioni ad alta tensione, come i veicoli elettrici e l'energia solare, hanno già familiarità con i transistor SiC e, per questo segmento, non rappresenta una grande rivoluzione per gli ingegneri del settore energetico dover affrontare una fase di apprendimento per la tecnologia a bassa tensione, relativamente nuova.
In conclusione,
la pandemia ci ha colpiti tutti in modi molto diversi, ma, a posteriori, ha contribuito ad accelerare l'apprendimento di nuove tecnologie e a promuovere l'innovazione. Tenendo conto di tutto ciò, il 2022 sarà un anno molto importante per il Gruppo Banca Mondiale e possiamo aspettarci l'annuncio di molti nuovi alimentatori (AC/DC e DC/DC) nel corso dell'anno. Il 2022 sarà un anno molto entusiasmante per tutti coloro che sono coinvolti nella progettazione di soluzioni energetiche.
Autore: Patrick Le Fèvre, PRBX, Direttore Marketing e Comunicazione
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Riferimenti:
Powerbox (PRBX)
Navitas Semiconductors
Efficient Power Conversion (EPC)
Frenetic
SIMBA
Applied Power Electronics Conferences (APEC)
