Considerando la base installata esistente, il costo di una nuova installazione e i tempi di inattività, l'aggiornamento e il rinnovo sono spesso visti come soluzioni interessanti. Tuttavia, l'aggiunta di nuove funzionalità ad armadi e contenitori esistenti può essere molto complessa. È quasi impossibile trattare l'ampia varietà di scenari aziendali che si presentano quando si aggiornano le apparecchiature industriali in un singolo articolo, ma vale la pena considerare un dilemma che si presenta agli architetti di sistema: ottenere maggiore potenza in un pacchetto che mantenga la stessa forma, dimensione e funzione (3F), oppure aggiungere più funzionalità mantenendo la piena compatibilità con le apparecchiature installate (Figura 1). Quali sono le ultime soluzioni innovative che rendono possibile tutto ciò?

Cosa si cela dietro le più recenti soluzioni energetiche innovative?

Per decenni, il miglioramento dei livelli di efficienza energetica degli alimentatori è stato reso possibile dall'evoluzione tecnologica. Il passaggio dalla tecnologia lineare a quella switching è stato probabilmente il più significativo, seguito da diversi piccoli passi avanti fino all'arrivo sul mercato degli alimentatori digitali, seguiti dai semiconduttori a banda larga (WBG) (nitruro di gallio (GaN) e carburo di silicio (SiC)). Nonostante siano presenti sul mercato da diversi anni, con l'avvento della tecnologia WBG e le possibilità offerte da questi componenti, il controllo digitale sta diventando una necessità assoluta e un elemento fondamentale per i progettisti di alimentatori nello sviluppo di nuovi prodotti, soprattutto in vista della terza fase (3F) associata alla modernizzazione industriale. Per quanto riguarda i componenti, i transistor WBG sono senza dubbio quelli che prevarranno nei prossimi anni.
La cosa interessante dei semiconduttori WBG è che stiamo assistendo a una situazione simile a quella dei primi MOSFET di potenza. Alcuni hanno subito riconosciuto i vantaggi del WBG e, sebbene i primi prodotti non fossero molto intuitivi perché basati su una modalità di svuotamento che richiedeva driver molto specifici, i produttori di semiconduttori di potenza hanno rapidamente offerto versioni e soluzioni "facili da usare".
I produttori hanno iniziato a promuovere i vantaggi di questa tecnologia un paio di anni fa, ma mentre la fase di "Go-To-Market" è pronta, la fase di "Go-To-Application" per gli utenti di massa nelle applicazioni industriali richiede ancora del tempo. Tutti conosciamo la curva a "gobba di cammello" che riflette l'adozione di una nuova tecnologia e il superamento del divario iniziale (Figura 02). Progettisti esperti nel settore energetico hanno superato questo divario tecnologico molte volte, l'esempio più recente è la migrazione dal controllo analogico a quello digitale. L'adozione della tecnologia WBG ha seguito lo stesso schema, ma inizialmente è stata trainata dalle applicazioni di consumo, come i caricabatterie USB, e dall'industria automobilistica, che ha implementato la WBG nei sistemi di propulsione, dove i caricabatterie di bordo ed esterni hanno incrementato l'adozione in questi segmenti.

Figura 02: La curva a "dorso di cammello" che riflette l'adozione di nuove tecnologie e il superamento del divario (Fonte: PRBX / Geoffrey A. Moore)

La tecnologia WBG offre il vantaggio di aumentare la frequenza di commutazione con elevata efficienza, consentendo la realizzazione di alimentatori più piccoli e una maggiore potenza in un contenitore di dimensioni simili, ma da sola non è sufficiente a soddisfare i requisiti 3F. Sebbene l'evoluzione dei semiconduttori sia indubbiamente molto importante, nella ricerca di una maggiore densità di potenza, di una riduzione delle perdite e di uno spazio per maggiori funzionalità, i progettisti di alimentatori devono considerare l'aspetto dei trasformatori e come renderli più piccoli e meglio integrati.
A questo proposito, i progettisti di alimentatori hanno esplorato il potenziale dei trasformatori planari avanzati con tecnologia multicore interlacciata. Non tutti gli alimentatori richiedono la commutazione a megahertz, ma considerando il potenziale dei semiconduttori WBG e il guadagno in densità di potenza, i progettisti di alimentatori dovranno prendere in considerazione nuovi tipi di trasformatori e nuove tecniche di avvolgimento. Ciò indica una situazione in cui è necessaria ulteriore ricerca piuttosto che essere pronti per la produzione di massa, ma la situazione è agevolata dallo sviluppo di nuovi materiali da parte dei produttori di ferrite e anche da software di intelligenza artificiale che riducono i tempi di progettazione e test di nuovi tipi di trasformatori (ad esempio, Frenetic, Simba).
Un esempio concreto di ciò è la ricerca che stiamo conducendo presso PRBX, che combina il controllo digitale, il GaN WBG e i 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. I prodotti finali sono attualmente in fase di progettazione, sebbene i risultati preliminari che abbiamo ottenuto siano molto incoraggianti e non sarebbero stati possibili senza la combinazione di controllo digitale, tecnologia WBG e magnetismo avanzato (Figura 03).

Figura 03: Alimentatore ad alta densità di potenza con magnetismo planare, WBG e controllo digitale (Fonte: PRBX).

A questo punto, possiamo riflettere con soddisfazione sul livello di integrazione e su quanto si possa ottenere combinando le tre tecnologie menzionate: controllo digitale, WBG e trasformatori integrati. A titolo di esempio, è molto interessante il modulo presentato da Efficient Power Conversion (EPC), che utilizza il GaN EPC2067 da 40 V. La combinazione delle tre tecnologie ha permesso di ridurre un convertitore di potenza a dimensioni senza precedenti di 22,9 x 17,5 mm, raggiungendo una densità di potenza di 5 kW/pollice cubo in un piccolo formato delle dimensioni di una scatola di fiammiferi (Figura 04).

Figura 04: Convertitore di potenza a conversione efficiente (Fonte: PRBX/EPC)

Dalla ricerca alle applicazioni:
sfruttando i vantaggi delle tre tecnologie menzionate, i produttori di caricabatterie USB sono stati i primi ad adottarle cinque anni fa, sviluppando e commercializzando alimentatori ad alta densità di potenza, che molti di noi probabilmente già utilizzano per caricare telefoni o laptop. Nella curva di adozione del mercato, il segmento industriale è più conservatore e impiega più tempo per valutare le nuove tecnologie, verificarne le prestazioni e l'affidabilità in condizioni operative (che sono chiaramente più impegnative di quelle di un caricabatterie USB), verificarne la robustezza e garantire le catene di approvvigionamento e la sostenibilità a lungo termine.
Non è possibile citare tutti gli esempi, ma vale la pena menzionare la modernizzazione di una fabbrica di microelettronica che utilizza numerosi alimentatori per alimentare sensori, sistemi di trasmissione e allarmi. Originariamente alimentata da un'unica uscita da 50 W in un formato open-rack convenzionale, l'architettura modernizzata ha richiesto una soluzione di alimentazione estremamente compatta, tre volte più piccola dei prodotti convenzionali, per adattarsi a un involucro più piccolo che originariamente ospitava un alimentatore da 25 W. Per semplificare le cose, il responsabile dell'aggiornamento incaricato del progetto ha richiesto che la soluzione di potenza da 50 W rispettasse pienamente i 3F della soluzione di riferimento, senza possibilità di compromessi, e che tale requisito fosse obbligatorio per la qualificazione.
In base alle leggi della fisica, l'unico modo per raggiungere tale densità di potenza era aumentare la frequenza di commutazione, integrare componenti magnetici e utilizzare una topologia di potenza ottimizzata (Figura 05), riducendo al contempo il consumo energetico complessivo del sistema.

Figura 05 - Esempio di riduzione delle dimensioni in un alimentatore da 50 W, offerta dalle nuove tecnologie di alimentazione che combinano WBG, controllo digitale e magnetismo integrato, sviluppate da COSEL. (Fonte: PRBX/COSEL)

Conclusione:
L'esempio citato è solo uno dei tanti, ma, come nei settori dei beni di consumo e dell'automotive, l'applicazione combinata delle tre tecnologie – controllo digitale, WBG e magnetismo integrato – diventerà fondamentale nello sviluppo di soluzioni energetiche per applicazioni industriali. Questo è un momento molto stimolante per i progettisti di sistemi energetici, che possono partecipare alla modernizzazione industriale e implementare tecnologie che contribuiscono alla riduzione del consumo energetico.

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Riferimenti:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

COSEL
https://en.cosel.co.jp/

Conversione Efficiente dell'Energia (EPC)
https://epc-co.com/epc/

Informazioni sull'autore:
Patrick Le Fèvre, Direttore Marketing e Comunicazione di Powerbox, è un esperto di business e ingegnere qualificato con 40 anni di esperienza nel settore dell'elettronica di potenza. È stato un pioniere nella commercializzazione di nuove tecnologie come l'energia digitale e nelle iniziative tecniche per la riduzione del consumo energetico. Le Fèvre ha scritto e presentato numerosi white paper e articoli in importanti conferenze internazionali sull'elettronica di potenza. Questi sono stati pubblicati oltre 450 volte da testate giornalistiche di tutto il mondo. Partecipa inoltre a diversi forum ambientali, condividendo la sua esperienza e conoscenza sulle energie pulite.

Patrick Le Fèvre
Direttore Marketing e Comunicazione