Como dijimos en nuestra presentación en el Foro de Electrónica de Potencia de 2020, la historia de la industria de la energía es fascinante y está llena de increíbles ingenieros que están haciendo que las soluciones de potencia de energía sean más eficientes, más ligeras, más inteligentes y mucho más. Aunque es difícil -si no imposible- nombrarlos a todos, una cosa que todos tienen en común es la "curiosidad".

Para muchos de nosotros, Albert Einstein influyó en nuestro destino y no puedo mencionarlo sin una cita, que es también mi propio mantra: "Lo importante es no dejar de cuestionar". La curiosidad tiene su propia razón de ser". Esta es la razón por la que durante más de 120 años los diseñadores de potencia de energía han hecho milagros y seguirán rompiendo "límites inquebrantables".

La pasión y la curiosidad por descubrir
Lo que hace que un joven se decida a estudiar electrónica de potencia depende de muchos factores, pero a mi, personalmente, me influyó la luz azul que emitían un par de tiratrones [1], cuando en la universidad, en 1974, visité el "Palais de la découverte" de París y conocí a un ingeniero de investigación que, compartiendo su pasión por la electrónica, me explicó cómo esa tecnología cambiaría nuestro futuro. Fue simplemente fascinante y, casi con toda seguridad, ¡fue el día en que nació mi curiosidad por el descubrimiento!
Para muchos jóvenes ingenieros, la palabra "tiratrón" puede sugerir una época en la que los dinosaurios aún caminaban por la Tierra, pero para la industria electrónica de potencia fue un importante paso adelante en su tiempo (Figura 01).
También debemos recordar que, al mismo tiempo que el campo de la electrónica de potencia desplegaba tubos electrónicos, en 1926 el inventor Julius Edgar Lilienfeld patentó el principio de lo que hoy se conoce como transistor de efecto de campo. En su patente: "Método y aparato para controlar las corrientes eléctricas", propuso una estructura de tres electrodos utilizando un material semiconductor de sulfuro de cobre. La investigación de Julius Edgar era muy interesante, pero al igual que muchos ingenieros investigadores apasionados, no se dio cuenta de la importancia de publicar y compartir los resultados, por lo que su descubrimiento fue un caso de debate dentro de la comunidad investigadora y, en consecuencia, de escaso reconocimiento para él.
Llegados a este punto, es pertinente mencionar el alto nivel de investigación emprendido para sustituir los tubos electrónicos por algo más pequeño, más eficiente y fácil de controlar. Por ello, es pertinente y justo mencionar a Russell Ohl, que en 1930 experimentó con el uso de rectificadores de silicio como detectores de radar. Este descubrimiento fue seguido de una solicitud de patente del principio fotovoltaico (patente estadounidense 2.402.662), pero el descubrimiento de Ohl sentó las bases de lo que sería el transistor.
En 1947, John Bardeen y Walter Brattain experimentaron con el primer amplificador semiconductor que demostraron debidamente el 23 de diciembre al Grupo de Física del Estado Sólido de los Laboratorios Bell. A esta presentación confidencial le siguió el anuncio público de la presentación de una patente el 17 de junio de 1948 (2.524.035) y un par de semanas más tarde, en una conferencia de prensa en Nueva York el 30 de junio, el anuncio del "transistor" por parte del ingeniero eléctrico John Pierce. Todos conocemos la historia y hemos visto la portada de la edición de septiembre de 1948 de la revista "Electronics".

Del tubo electrónico al silicio
La invención del transistor supuso una auténtica revolución, que se implantó a principios de los años cincuenta en los equipos de consumo, por ejemplo, la radio de transistores (1954, la Regency TR-1 en EE.UU.; 1955 la TR-52 de Sony en Japón). Los transistores de germanio se convirtieron en la norma y los ingenieros de electrónica de potencia empezaron a desarrollar soluciones de potencia basadas en esa tecnología. Paralelamente, la creciente demanda de máquinas más rápidas por parte de la comunidad científico-informática impulsó el desarrollo de una nueva generación de transistores basados en el silicio. En julio de 1961, Fairchild Semiconductor lanzó el primer transistor de silicio NPN que superaba la velocidad de los transistores de germanio: el 2N709.
El lanzamiento del transistor de silicio aceleró el desarrollo de la electrónica de potencia moderna y lo que hoy conocemos como fuentes de alimentación "reguladas linealmente" (transformador CA/CA, rectificador, etapa reguladora analógica), sustituyó a los tubos electrónicos. Al mismo tiempo, la carrera por la conquista del espacio y por llevar al hombre a la luna exigía mayor eficacia, menor peso y tamaño, y estas necesidades impulsaron la investigación de nuevas técnicas de alimentación. En secreto, la NASA y la industria militar desarrollaron una nueva generación de fuentes de alimentación basadas en la "tecnología de conmutación". Aunque en aquel momento era muy confidencial, posteriormente se informó de que la tecnología se utilizó en 1962 en el satélite Telstar.
Quién lanzó la primera fuente de alimentación conmutada comercial es objeto de debate, pero debemos mencionar a RO Associates, que en 1967 presentó un conmutador de potencia de 20Khz, seguido de Robert Boschert, que en 1970 realizó investigaciones sobre topologías de conmutación modernas. Boschert solicitó varias patentes, pero las dos más conocidas son la 4.037.271 y la 4.061.931, concedidas en 1977. A partir de esa fecha, el desarrollo de las topologías de conmutación de potencia se aceleró y con la introducción de los semiconductores MOSFET y el CI de control PWM se convirtió en la norma.

La curiosidad incesante es la clave
Dado que las fuentes de alimentación se utilizan en aplicaciones que van desde el mar hasta el espacio profundo, los diseñadores de energía se enfrentan a muchos retos, algunos de los cuales parecen casi imposibles. Las normativas y la demanda de los consumidores de equipos más pequeños y ligeros exigieron a los diseñadores de fuentes de alimentación que aumentaran la eficiencia. En los años ochenta, con gran curiosidad, los diseñadores de potencia exploraron las topologías resonantes de conmutación de alta frecuencia y uno de los éxitos más comerciales es Vicor, fundado por Patrizio Vinciarelli en 1981. Al mismo tiempo, la comunidad de conmutación dura exploró un nuevo camino, sustituyendo los diodos por MOSFETs de potencia. Se presentaron ponencias en muchas conferencias, por ejemplo, PESC-1988, APEC-1989, pero el principal artífice de la adopción del mercado es sin duda James Blanc, de Siliconix Inc., que con tanta pasión como entusiasmo promovió la tecnología de rectificación sincrónica.
Los nuevos componentes y topologías hicieron que las fuentes de alimentación fueran más eficientes y, siguiendo la estela de Trey Burns, Chris Henze y los demás que a finales de los setenta trabajaron incansablemente para desarrollar el control digital de las fuentes de alimentación, fue en el año 2000 cuando los diseñadores de energía y los fabricantes de semiconductores rompieron por fin un nuevo límite "inquebrantable". Había nacido la "potencia digital" y ahora era posible controlar "bit a bit" el rendimiento de una fuente de alimentación.
Pero la curiosidad de los diseñadores de fuentes de alimentación es fuerte e incesante, y con la demanda del mercado de componentes aún más pequeños y de mayor eficiencia, ahora están ocupados explorando fuera de la caja de silicio, investigando nuevos materiales con mayores niveles de rendimiento, los llamados semiconductores Wide Band Gap (WBG). En este sentido, las aplicaciones de alta tensión se han beneficiado en primer lugar del uso del carburo de silicio, seguido del nitruro de galio (Figura 02).
Lo sorprendente de la WBG es la rápida adopción de la tecnología en aplicaciones comerciales. Antes he mencionado a James Blanc, que durante años promovió el uso de la rectificación sincrónica. Con ese mismo nivel de pasión debo mencionar ahora a Alex Lidow (Efficient Power Conversion), que ha defendido firmemente el uso del GaN, haciendo que esta tecnología sea fácil de aprender y de aplicar.

Más pequeño, más rápido, más ligero y eficiente
Cada década ha sido testigo de grandes avances en la reducción del consumo de energía, el peso, el espacio y el precio. Combinando todos ellos, los diseñadores de energía han exprimido más potencia en espacios más pequeños y, por ejemplo, todos vemos el beneficio en la última generación de cargadores USB. Año tras año nos acercamos cada vez más a la mítica eficiencia del 99,99% y eso es el resultado de diseñadores de energía, que son curiosos y nunca dejan de hacerse preguntas.
Al principio de este artículo he citado a Albert Einstein, por lo que es pertinente terminar con su frase:
"Lo importante es no dejar de preguntarse. La curiosidad tiene su propia razón de ser. Uno no puede dejar de asombrarse cuando contempla los misterios de la eternidad, de la vida, de la maravillosa estructura de la realidad. Basta con que uno intente comprender sólo un poco de este misterio cada día".
Esto es lo que han hecho los diseñadores de potencia durante siglos y lo que motiva a todos los usuarios a romper "los límites inquebrantables".

Referencias:
[1] Fuente de alimentación REC-30 Thyratron para el teletipo de 1940: https://youtu.be/WX74GoHuwHk

Autor: Patrick Le Fèvre, PRBX