La modernización industrial no es solo una frase de moda, y con la implantación de las nuevas tecnologías que requiere la Industria 4.0, muchas empresas están migrando del control de procesos y las infraestructuras tradicionales a tipos conectados en red, y con un mejor aprovechamiento de la energía deben plantearse actualizar los equipos existentes o comprar otros nuevos.

Si se considera la base instalada, teniendo en cuenta el coste de una nueva instalación y el tiempo de inactividad, actualizar y renovar suele considerarse una solución atractiva. Sin embargo, añadir nuevas funciones a los armarios y carcasas existentes puede resultar muy complicado. En un solo artículo es casi imposible abarcar la amplia variedad de casos empresariales que se plantean a la hora de actualizar equipos industriales, pero es interesante considerar un dilema al que se enfrentan los arquitectos de sistemas: conseguir más potencia en un paquete de igual forma, ajuste y función (3F: form, fit & function), o añadirle más funcionalidad manteniendo una compatibilidad total con los equipos instalados (Figura 01). ¿Cuáles son las últimas soluciones innovadoras que lo hacen posible?

¿Qué hay detrás de las últimas soluciones energéticas innovadoras?

Durante décadas, las mejoras en los niveles de eficiencia energética de las fuentes de alimentación han sido posibles gracias a la evolución tecnológica. Pasar de la tecnología lineal a la de conmutación fue probablemente la principal, seguida de varios saltos menores más hasta que la alimentación digital llegó al mercado seguida de los semiconductores de banda ancha (WBG) (nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC). A pesar de llevar varios años en el mercado, con la emergente tecnología WBG y las posibilidades que ofrecen estos componentes, el control digital se convierte en una necesidad absoluta y en un elemento fundamental para los diseñadores de potencia a la hora de desarrollar nuevos productos, especialmente cuando se aborda el 3F asociado a la modernización industrial. En cuanto a los componentes, los transistores WBG son sin duda los que prevalecerán en los próximos años.
Lo interesante de los semiconductores WBG es que asistimos a una situación similar a la de cuando se lanzaron los primeros MOSFET de potencia. Algunos consideraron inmediatamente las ventajas de WBG, y que a pesar de que los primeros productos no eran muy fáciles de usar debido a que se basaban en un modo de agotamiento que requiere controladores muy específicos, los fabricantes de semiconductores de potencia no tardaron demasiado en ofrecer versiones y soluciones "fáciles de usar".
Hace ya un par de años que los fabricantes empezaron a promocionar las ventajas de esa tecnología, pero si el "Go-To-Market" está listo, en las aplicaciones industriales el "Go-To-Application" para los usuarios masivos aún requiere cierto tiempo. Todos estamos familiarizados con la curva "espalda de camello" que refleja la adopción de una nueva tecnología y el cruce del abismo (Figura 02). Los diseñadores experimentados en el campo de la potencia han cruzado ese abismo tecnológico muchas veces, siendo la última la migración del control analógico al digital y la adopción de la WBG siguió el mismo patrón, pero primero impulsada por las aplicaciones de los consumidores, por ejemplo, los cargadores USB, y la industria automovilística, que implementó la WBG en los trenes motrices, donde los cargadores de a bordo y externos impulsaron la adopción en esos segmentos.

Figura 02: la curva "camel-back" que refleja la adopción de nuevas tecnologías y el cruce del abismo (Fuente: PRBX / Geoffrey A. Moore)

La tecnología WBG ofrece la ventaja de aumentar la frecuencia de conmutación con una alta eficiencia, lo que permite reducir el tamaño de la fuente de alimentación y empaquetar más potencia en un envase similar, pero por sí sola no basta para cumplir los requisitos 3F. Sin duda, la evolución de los semiconductores es muy importante, pero en la búsqueda por aumentar la densidad de potencia, reducir las pérdidas de potencia y ofrecer espacio para más funcionalidad, los diseñadores de alimentación deben tener en cuenta el aspecto de los transformadores y cómo hacerlos más pequeños y mejor integrados.
A este respecto, los diseñadores de fuentes de alimentación han explorado el potencial de los transformadores planares avanzados con tecnología multinúcleo intercalada. No todas las fuentes de alimentación requieren conmutación a megahercios, pero teniendo en cuenta el potencial de los semiconductores WBG y la ganancia en densidad de potencia, los diseñadores de potencia tendrán que plantearse nuevos tipos de transformadores y nuevas técnicas de bobinado. Esto apunta a una situación en la que se requiere más investigación en lugar de estar listos para la producción en masa, pero la situación se está viendo favorecida por el desarrollo de nuevos materiales por parte de los fabricantes de ferrita y también por el software de Inteligencia Artificial que acorta el tiempo para diseñar y probar nuevos tipos de transformadores (por ejemplo, Frenetic, Simba).
Un ejemplo concreto de ello es la investigación que realizamos en PRBX, combinando control digital, WBG-GaN y transformadores multinúcleo con cableado avanzado y 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 sometidas a cargas pico repetitivas. Los productos finales están actualmente en fase de diseño, aunque los resultados preliminares que hemos obtenido son muy alentadores y no habrían sido posibles sin la combinación de control digital, tecnología WBG y magnetismo avanzado (Figura 03).

Figura 03: Fuente de alimentación de alta densidad de potencia con magnetismo planar, WBG y control digital (Fuente: PRBX)

Llegados a este punto, podemos reflexionar con satisfacción sobre el nivel de integración y lo mucho que se podría ganar combinando las tres tecnologías mencionadas: control digital, WBG y transformadores integrados. Para ilustrarlo, es muy interesante el módulo demostrado por Efficient Power Conversion (EPC), que utiliza el GaN EPC2067 de 40 V. La combinación de las tres tecnologías ha permitido reducir un convertidor de potencia a un tamaño sin precedentes de 22,9 x 17,5 mm, alcanzando una densidad de potencia de 5 kW/pulgada cúbica en un pequeño formato de caja de cerillas (Figura 04).

Figura 04 : Convertidor de potencia Efficient Power Conversion (Fuente: PRBX/EPC)

De la investigación a las aplicaciones
Aprovechando las ventajas de las tres tecnologías mencionadas, hace ya cinco años los fabricantes de cargadores USB fueron los primeros en adoptarlas, desarrollando y comercializando fuentes de alimentación de alta densidad de potencia, que probablemente muchos de nosotros ya utilizamos al cargar nuestros teléfonos u ordenadores portátiles. En la curva de adopción del mercado, el segmento industrial es más conservador y se toma más tiempo para evaluar las nuevas tecnologías, verificar los niveles de rendimiento y fiabilidad en condiciones de funcionamiento (que son claramente más exigentes que las de un cargador USB), verificar la robustez, asegurar las cadenas de suministro y la sostenibilidad a largo plazo.
No es posible abarcar todos los ejemplos, pero es interesante mencionar la modernización de una fábrica de microelectrónica que utiliza muchas fuentes de alimentación para alimentar sensores, sistemas de transmisión y alarmas. Alimentada originalmente por una sola salida de 50 W en un formato convencional de bastidor abierto, la arquitectura modernizada requería una solución de alimentación muy compacta tres veces más pequeña que los productos convencionales, para encajar en un embalaje más pequeño, que originalmente albergaba una fuente de alimentación de 25 W. Para simplificar las cosas, el responsable de actualización a cargo del proyecto exigió que la solución de alimentación de 50 W cumpliera totalmente con las 3F de su solución de referencia, sin compromiso posible y obligatorio para ser calificada.
Basándose en las leyes de la física, la única forma de alcanzar tal densidad de potencia era aumentar la frecuencia de conmutación, integrar magnéticos y utilizar una topología de potencia optimizada (Figura 05), todo ello y reduciendo el consumo de potencia del sistema global.

Figura 05 - Ejemplo de reducción de tamaño, en una fuente de alimentación de 50W, ofrecida por las nuevas tecnologías de alimentación que combinan WBG, Control Digital y Magnetismo Integrado desarrolladas por COSEL. (Fuente: PRBX/COSEL)

Conclusión:
El ejemplo citado es uno de tantos, pero al igual que en los segmentos del consumo y la automoción, la aplicación de las tres tecnologías combinadas: Control Digital, WBG y magnetismo integrado se convertirá en preponderante a la hora de desarrollar soluciones de potencia para aplicaciones industriales. Es un momento muy emocionante para que los diseñadores de sistemas de alimentación participen en la modernización industrial y apliquen tecnologías que contribuyan a reducir el consumo de energía.

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

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

Conversión eficiente de la energía (EPC)
https://epc-co.com/epc/

Sobre el autor:
Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un experto comercial e ingeniero titulado con 40 años de experiencia en el sector de la electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías como la energía digital y en iniciativas técnicas para reducir el consumo de energía. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos libros blancos y artículos en las principales conferencias internacionales sobre electrónica de potencia. Éstos se han publicado más de 450 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros medioambientales, compartiendo su experiencia y conocimientos sobre energías limpias.

Patrick Le Fèvre
Director de Marketing y Comu