Fuentes de Alimentación

La cara oculta de la industria de potencia

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Los temas de la transición energética y la reducción de las emisiones de carbono están en la mente de todos, y la atención de los ingenieros de electrónica de potencia se centra en las soluciones energéticas para vehículos eléctricos, energías renovables y el uso de las últimas tecnologías, como los semiconductores de banda ancha. No cabe duda de que nos encontramos en un punto de inflexión en el sector de la electrónica de potencia y de que están ocurriendo muchas cosas relacionadas con el paso de los combustibles fósiles a las energías renovables, pero hay muchas otras áreas interesantes que explorar.

Hace poco asistí a un taller con un grupo de estudiantes y Business Angels e hicimos una lluvia de ideas que llamaron "La cara oculta de la industria energética". El objetivo de este taller era analizar los cambios en la composición del mercado de fuentes de alimentación en cuanto a productos estándar y no estándar en las dos últimas décadas, y lo que podría cambiar en la próxima década. No es posible abarcarlo todo en un breve artículo, pero echemos un vistazo a las principales tendencias.

¡El Cambio!
Las fuentes de alimentación se utilizan en todas partes, y desde un cargador USB hasta la solución de alimentación que alimenta el telescopio James Webb de la NASA, la gama de productos y soluciones es asombrosamente amplia. Se calcula que el mercado global de fuentes de alimentación conmutadas (CA/CC y CC/CC) en 2023 representará un negocio de 58.000 millones de dólares y se compone de productos comerciales (45.000 millones), también conocidos como productos comerciales listos para usar (COTS), y productos cautivos (13.000 millones) desarrollados por fabricantes de equipos originales para su propio uso interno. Como para cualquier industria es complejo y difícil estar al tanto de todo y confiamos en los estudios de mercado de Analistas de Mercado como Micro-Tech Consultants o Wired & Wireless Technologies (WAWT) que publican informes detallados sobre segmentación de mercado y previsiones, pero paralelamente a esos estudios es interesante desgranar un poco para analizar la Cara Oculta de la industria energética.

Durante más de 100 años, la industria de la electrónica de potencia ha sido extremadamente dinámica e innovadora, cruzando muchas veces el abismo de las nuevas tecnologías. Como presenté en un Libro Blanco (WP022): '1980 - ¡un punto de inflexión en la industria de la alimentación!' entre todos ellos, el cambio tecnológico de lineal a conmutación no sólo ha sido muy importante, sino también el nacimiento de las fuentes de alimentación COTS masivas. Muchas empresas de fuentes de alimentación y fabricantes de equipos originales empezaron a suministrar o implementar productos en serie en los años ochenta, por ejemplo, Delta Electronics realizó envíos en gran volumen en 1983, los fabricantes de telecomunicaciones AT&T lanzaron comercialmente el conmutador 5ESS con una nueva arquitectura de alimentación desarrollada por Bell Labs Power Systems en 1982, Ericsson desarrolló una arquitectura de alimentación distribuida avanzada basada en módulos y tensión de bus único y RIFA Power (Ericsson Power Modules) introdujo su línea de convertidores CC/CC PKA de 25 W en 1983, mientras que en Japón COSEL comenzó a enviar en serie sus fuentes de alimentación conmutadas introducidas en 1977, y eso sin mencionar a Patrizio Vinciarelli, que fundó VICOR en 1981.

En los años ochenta no sólo se produjo un cambio tecnológico, sino también un cambio fundamental en la forma de diseñar, fabricar y vender fuentes de alimentación a los clientes. También marcó una época en la que el mercado cautivo, que representaba más del 70% del mercado, migró lentamente al comercial.

Para los que no hayan nacido cuando los dinosaurios aún hablaban, debemos recordar que en los años ochenta la gran mayoría de las fuentes de alimentación se fabricaban internamente, por ejemplo, PHILIPS, ALCATEL, AT&T, ERICSSON, THOMSON. A medida que crecía la oferta comercial y surgía la necesidad de que los fabricantes de equipos originales invirtieran en su actividad principal, poco a poco se han ido desprendiendo de los departamentos de alimentación, que han pasado a formar parte del mercado comercial.
Teniendo en cuenta el paso de cautivo a comercial y la amplia oferta de convertidores CC/CC de baja potencia a CA/CC de alta potencia, podríamos preguntarnos ¿cuál es el motivo de "La cara oculta" de la industria de potencia? ¿Qué falta en la oferta de los fabricantes de fuentes de alimentación que motiva el interés por algo más?

Cuando lo estándar no basta
Dado que la electrónica de potencia está en todas partes, hay una serie de casos en los que comprar un producto COTS no es suficiente para los arquitectos de sistemas a la hora de desarrollar sus aplicaciones. Por diferentes motivos, pueden necesitar algo muy específico o tan exclusivo que los fabricantes de fuentes de alimentación OEM no lo consideren lo suficientemente viable, o fuera de su estrategia comercial, como para dedicarse a la investigación y el desarrollo.

Antes de entrar en detalles, es importante mencionar que los fabricantes de fuentes de alimentación OEM siempre han ofrecido "estándares modificados" cuando los clientes requieren pequeñas modificaciones acordes con su proceso o que exigen una pequeña inversión.

Esto nos lleva a una breve explicación de los distintos segmentos de los productos atípicos y a una explicación de los cambios que observamos en nuestro estudio entre 2000 y 2023 (gráfico 01).

Estándar modificado
Al diseñar las fuentes de alimentación COTS, los fabricantes tienen en cuenta los segmentos y aplicaciones finales, pero los clientes pueden necesitar pequeñas desviaciones. Las modificaciones pueden ser tan simples como un ajuste de tensión especial o algo más complejo que requiera una modificación mecánica, un cableado especial o códigos adicionales en el firmware. En 2000, el número de unidades estándar modificadas vendidas representó el 6% del volumen global. Esta cifra se redujo al 4% en 2023. Una de las posibles razones es la modernización de la oferta de productos durante el periodo, y la adición de nuevas funcionalidades, como una interfaz digital que facilita al usuario perfilar el producto para que responda mejor a sus necesidades. Además, la impresionante cantidad de nuevos productos lanzados por los fabricantes de fuentes de alimentación abarca una gama más amplia de aplicaciones y, en consecuencia, observamos cierto solapamiento entre esta categoría y la semipersonalizada.

Semipersonalizado
Probablemente haya tantas definiciones de soluciones de alimentación semipersonalizadas como fabricantes, pero lo interesante es que esta categoría ha crecido significativamente desde el 3% en 2000 hasta alcanzar el 7% en 2023.

Como uno de los que recuerdan a los dinosaurios que hablan, el primer semipersonalizado que recuerdo haber diseñado fue en 1986, desarrollando un ensamblaje de un módulo de alimentación PWM en una PCB completa con conectores, filtros integrados, potenciómetro e indicador luminoso (similar al mostrado en la figura 02) para reemplazar una fuente de alimentación lineal dentro de un equipo industrial. Algo interesante de notar es que tal combinación y práctica de construcción fue adoptada más tarde por la industria, lanzando una versión estándar de lo que solía ser una unidad semi-personalizada (Figura 03).

Dado que la oferta de una combinación de módulos de potencia altamente eficientes para construir una solución final ha sido el corazón del segmento semipersonalizado (Figura 04), dentro de la industria de la electrónica de potencia el modelo de negocio desarrollado por VICOR y una red de Minoristas de Valor Añadido contribuyó al desarrollo de soluciones semipersonalizadas canibalizando una parte de lo que solía ser full-custom. Al analizar este segmento, observamos una pequeña migración de soluciones estándar modificadas a soluciones semipersonalizadas, y una migración significativa de soluciones totalmente personalizadas, en el caso de las soluciones de potencia de complejidad media.

Totalmente personalizado
Para los diseñadores de etapas de potencia, la fabricación a medida es un campo muy interesante, en el que el desarrollo del producto requiere una cooperación multidisciplinar (Figura 05). No se trata solo de diseñar la mejor etapa de potencia, sino de realizar una solución completa que puede ser extremadamente compleja. Este segmento disminuyó del 22% en 2000 al 15% en 2023, pero sigue siendo fuerte y estable. Como suponíamos, una parte de lo que antes era full-custom ha sido capturada por el área semi-custom, pero la línea divisoria entre los dos segmentos no es tan nítida como parece en el gráfico. De hecho, hay un borde suave entre los dos, con módulos de integración full-custom, y semi-custom implementando una serie de tecnologías desplegadas por la industria full custom -cross pollination.

En este segmento es muy frecuente que los diseñadores de sistemas de alimentación tengan que explorar ámbitos ajenos a la electrónica de potencia convencional, y para terminar este artículo me gustaría ilustrarlo con una fuente de alimentación sin núcleo diseñada para alimentar un escáner de resonancia magnética (IRM). En este caso, los diseñadores no sólo tuvieron que considerar la conversión de potencia, sino también el entorno específico, con una frecuencia de conmutación que no interfiriera con la señal de resonancia magnética y otros problemas (Figura 06). Puede parecer una aplicación exótica, pero diseñar un producto de este tipo es exactamente lo que no se encuentra en un catálogo COTS.

Exclusivo
Al investigar la cara oculta del sector de las fuentes de alimentación, descubrimos un nicho al que bautizamos con el nombre de "Exclusivo". Aquí se diseña una solución de alimentación para las aplicaciones más extremas. Hablamos de productos que se utilizan en la exploración del espacio profundo, en entornos de radiación y temperatura muy elevadas, en reactores nucleares y otros. También es un ámbito en el que un diseño puede requerir componentes que aún no existen. Estimamos este segmento en un 1%, pero se trata más de un conjunto de soluciones de potencia que de productos propiamente dichos.

¿Cuál es el futuro de la cara oculta de la industria de potencia?
Probablemente abordaremos esta cuestión con más detalle en un próximo artículo, pero teniendo en cuenta la normativa europea para prolongar la vida útil de los productos, creemos que será un número significativo de sistemas los que requerirán renovación, actualización y modernización. Muchos de esos productos requerirán una combinación de estándar a totalmente personalizado. Como hemos aprendido de la suave línea divisoria entre semipersonalizado y totalmente personalizado, prevemos que esos segmentos se mantengan sólidos y estables. En cuanto a la modernización, vemos una gran oportunidad para los semiconductores de banda ancha, que permitirán condensar más potencia en el mismo volumen. En conclusión, la cara oculta de la industria de potencia es brillante y es una experiencia increíble para los diseñadores de potencia poder romper los límites.


Referencias:
POWERBOX (PRBX)

Biblioteca de libros blancos de POWERBOX (PRBX)

COSEL

Micro-Tech Consultants (Informe mundial sobre fuentes de alimentación conmutadas)

Tecnologías inalámbricas y por cable (WAWT)

AUTOR:  Patrick Le Fèvre, PRBX, Director de Marketing y Comunicación

 

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