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Tendencias del sector de la electrónica de potencia en 2022

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Como ocurre en muchas industrias, la electrónica de potencia se ha visto afectada por la pandemia de Covid-19, aunque hemos visto un impulso en las nuevas tecnologías y las oportunidades para que los diseñadores de potencia aprovechen las ventajas del E-learning. Siempre es difícil deducir las tendencias de las grandes industrias, pero como la mayor convención de electrónica de potencia, la Conferencia de Electrónica de Potencia Aplicada (APEC), tuvo lugar en Houston, U.S.A., como ingeniero de potencia es interesante tomarse un minuto para reflexionar y considerar lo que contribuirá a que las fuentes de alimentación sean más eficientes, más fiables y emocionantes de diseñar.

Tendencias generales y tecnología
Sin duda, la llamada "electrificación" y la transición de los combustibles fósiles a las energías renovables es una tendencia importante que todos conocemos. Este segmento requerirá muchas innovaciones tecnológicas para alcanzar el nivel de neutralidad de carbono que esperan la Comisión Europea, el DOE estadounidense e iniciativas similares en Asia. Si nos centramos en lo que están desarrollando la mayoría de las empresas de fuentes de alimentación, preveo que cuatro tendencias y un desarrollo tecnológico influirán en la industria de la potencia en 2022: reducción del consumo de energía; las fuentes de alimentación pasan a formar parte del ecosistema Machine-to-Machine; mejora de las soluciones de almacenamiento de energía; aceleración de las soluciones de captación de energía, y todas ellas se beneficiarán de la implantación de los semiconductores de banda ancha.
 
En la búsqueda de la reducción del consumo de energía, desde la recolección de energía hasta la red, la industria de la electrónica de potencia busca permanentemente nuevas formas de mejorar la eficiencia. Las normativas internacionales y locales han obligado a los fabricantes de fuentes de alimentación a innovar, pero estamos viendo que se están debatiendo normativas más estrictas que podrían obligar a la industria de potencia a explorar nuevas topologías, componentes y materiales.
 
Me gustaría ilustrar esta tendencia con un ejemplo que incluirá y se beneficiará de ellas, el comercio electrónico.
 
El comercio electrónico ya crecía antes de Covid-19, pero como consecuencia de los toques de queda, el trabajo en casa y la drástica reducción de la interacción física, ha crecido exponencialmente, poniendo una gran demanda en los centros de envío, el almacenamiento informático y la cadena de suministro en general. Antes de mencionar los centros de datos asociados necesarios para gestionar el proceso de comercio electrónico, los centros de envío y los almacenes se han vuelto gigantescos y consumen mucha energía. Todos los grandes actores han previsto aumentar la eficiencia energética de los centros de manipulación y envío, aunque el pico de demanda de 2020-2021 ha sido una fuerte señal para que reconsideren la forma de utilizar y gestionar la energía.
 
Las fuentes de alimentación como tales no consumen la mayor parte de la energía, pero si se tiene en cuenta su posición estratégica en la cadena operativa, se convierten en un punto clave en el proceso global para optimizar el uso de la energía en toda la cadena. En 2022 veremos el uso de fuentes de alimentación muy avanzadas en los centros de manipulación y envío del comercio electrónico. No sólo integrarán mayores niveles de comunicación, sino que serán capaces de almacenar y restaurar la energía de los bancos de supercondensadores, reduciendo los picos de perturbación en la red y el consumo. Ya experimentadas en 2021, las fuentes de alimentación se han integrado en un ecosistema completo con comunicación de máquina a máquina (figura 01). No sólo suministran energía a una carga, por ejemplo, a los motores de las cintas transportadoras, sino que son capaces de detectar y ajustar el nivel de energía que se almacena en el banco de supercondensadores local (figura 02).
 
Casi invisibles, desde el RFID insertado en la caja de envío que obtendrá energía de las señales de radiofrecuencia, hasta los sensores colocados en motores o elementos móviles alimentados por vibración, los microsistemas alimentados por energía acumulada se están desarrollando muy rápidamente. También en este caso, la nanotecnología, como los nanotubos, permite desarrollar supercondensadores muy pequeños que almacenan suficiente energía para alimentar sensores y transmisores.
 
Sin embargo, el nivel de rendimiento requerirá que los ingenieros de electrónica de potencia diseñen nuevas soluciones de alimentación con los llamados semiconductores de "banda ancha". Dependiendo de la aplicación y el voltaje, seleccionarán tipos de GaN o SiC, pero las ventajas de la WBG contribuirán a que el comercio electrónico sea más eficiente desde el punto de vista energético y a que se reduzca la huella de CO2.
 
¡Elementos críticos!
Durante décadas, las mejoras en los niveles de eficiencia energética de las fuentes de alimentación han sido posibles gracias a la evolución tecnológica. El paso de la tecnología lineal a la de conmutación fue probablemente el más importante, seguido de otros saltos menores hasta que la alimentación digital llegó al mercado.
 
A pesar de que lleva varios años en el mercado, con la tecnología WBG emergente y las posibilidades que ofrecen estos componentes, el control digital se convierte en una necesidad absoluta y creo firmemente que será un elemento fundamental para los diseñadores de fuentes de alimentación a la hora de desarrollar nuevos productos.
 
En cuanto a los componentes, los transistores WBG son sin duda los que se impondrán en 2022. Dicho esto, los FET de potencia convencionales también están haciendo grandes progresos y los diseñadores de potencia tendrán que alcanzar nuevos niveles de evaluación y perspicacia comercial a la hora de seleccionar la tecnología más adecuada para sus aplicaciones.
 
El tercer elemento que preveo importante es el transformador planar avanzado con tecnología multinúcleo intercalada. No todas las fuentes de alimentación requieren una conmutación de megahercios, pero teniendo en cuenta la búsqueda constante de fuentes de alimentación más pequeñas con mayor eficiencia, los diseñadores de potencia tendrán que considerar nuevos tipos de transformadores y nuevas técnicas de bobinado. A este respecto, les ayudarán los fabricantes de ferrita que están desarrollando nuevos materiales, pero también el software de inteligencia artificial que acorta el tiempo de diseño y prueba de nuevos tipos de transformadores (por ejemplo, Frenetic, Simba).
Un ejemplo concreto de ello es la investigación que estamos llevando a cabo en PRBX, que combina el control digital, el GaN y los transformadores multinúcleo con un cableado avanzado y un rendimiento autoajustado dentro del amplio rango operativo que vemos en algunas aplicaciones industriales que requieren rangos de tensión de entrada extremadamente amplios, así como salidas sujetas a cargas de pico repetitivas. El producto final aún no está listo, pero no será posible sin la combinación de control digital, WBG y magnetismo avanzado (Figura 03).
 
Creo que muchos de los nuevos productos que veremos en 2022 y en adelante se basarán en esos tres elementos, que estoy seguro de que también incluirán más comunicación para formar parte de un ecosistema Machine-to-Machine.
 
¡Confiamos en el WBG!
Lo interesante de los semiconductores Wide Band Gap es que vemos una situación similar a la de cuando se lanzaron los primeros MOSFET de potencia. Algunos consideraron inmediatamente las ventajas del WBG, y a pesar de que los primeros productos no eran muy fáciles de usar debido a que se basaban en un modo de agotamiento que requería controladores muy específicos, los fabricantes de semiconductores de potencia no tardaron demasiado en ofrecer soluciones "fáciles de usar".
 
Hace ya más de cinco años que los fabricantes promocionan las ventajas de esa tecnología, pero si el Go To Market está listo, el Go To Application para los usuarios masivos requiere cierto tiempo.
 
Todos estamos familiarizados con la curva de "espalda de camello" que refleja la adopción de nuevas tecnologías y el cruce del abismo. Los diseñadores de potencia experimentados han cruzado ese abismo tecnológico muchas veces, siendo la última la migración del control analógico al digital, y tardando más de 10 años en alcanzar un nivel de implementación significativo (Figura 04).
 
En el caso del WBG -y especialmente del nitruro de galio (GaN)- los primeros en adoptarlo entraron en escena mucho antes de lo que algunos preveían hace unos años. No es de extrañar que las industrias de los ordenadores y los móviles/nómadas fueran algunas de las primeras en adoptarlo. El número de cargadores USB-C que utilizan semiconductores GaN anunciados en 2020-2021 es muy impresionante. Cabe destacar especialmente el CI de potencia GaNFast de próxima generación de Navitas, que impulsará el cargador ultrarrápido de 120 W suministrado "en caja" con el teléfono móvil iQOO 9 Pro, buque insignia de la marca Vivo, lo que demuestra la rápida adopción de GaN por parte de la industria "nómada". Pero no sólo su rendimiento eléctrico, sino que el uso de GaN reduce el tamaño físico en un 26%, alcanzando una asombrosa densidad de potencia de 1,3W/cc, lo cual es bastante increíble (Figura 05).
 
Si la potencia digital tardó 10 años en convertirse en una tecnología de facto, el WBG sólo tardó cinco años en alcanzar un nivel similar.
 
Lo interesante del desarrollo de los semiconductores WBG es que, debido a la especificidad de esta tecnología, es decir, una resistencia interna muy baja y la capacidad de conmutación muy rápida, el embalaje es muy importante y vemos mucha innovación por parte de los fabricantes para ofrecer soluciones optimizadas. Desde el punto de vista tecnológico, es muy interesante el enfoque de la Conversión de Potencia Eficiente (EPC), que minimiza las pérdidas de interconexión y permite reducir el tamaño de un convertidor de potencia a un tamaño sin precedentes (Figura 06).
 
Algo que hay que mencionar es el asombroso número de seminarios técnicos por Internet propuestos durante la era Covid-19, por no mencionar el APEC-2021 virtual. Muchas empresas han aprovechado esta oportunidad para que sus diseñadores de potencia asistan a la formación en línea, y como resultado algunas empresas de semiconductores de potencia han informado de que han enviado hasta 10 veces más kits de evaluación que antes de los días de la pandemia.
 
Si simplificamos el mercado en dos segmentos: Alto voltaje (con SiC) y Bajo voltaje (con GaN), vemos dos patrones diferentes. Las aplicaciones de alta tensión, como los vehículos eléctricos y la energía solar, están familiarizadas con los transistores de SiC, y para ese segmento no es una gran revolución que los ingenieros de potencia se sometan a una fase de aprendizaje para la tecnología de baja tensión relativamente nueva.
 
En conclusión
La pandemia nos ha afectado a todos de muy diversas maneras, aunque mirando hacia atrás ha contribuido a impulsar el aprendizaje de nuevas tecnologías y a acelerar la innovación. Teniendo en cuenta todo esto, 2022 será un año muy importante para WBG y podemos esperar que se anuncien muchas nuevas fuentes de alimentación (AC/DC y DC/DC) durante el año. 2022 será un año muy emocionante para todos los que diseñamos soluciones de alimentación.

Autor: Patrick Le Fèvre, PRBX, Director de Marketing y Comunicación
 
 
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Referencias:
Powerbox (PRBX)
 
Navitas Semiconductors

Efficient Power Conversion (EPC)
 
Frenetic

SIMBA
 
Applied Power Electronics Conferences (APEC)
 

 

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