Le principali tendenze presenti in quasi tutti i segmenti del mercato dell'alimentazione elettrica riguardano l'aumento dell'efficienza, l'aumento della densità di potenza e la riduzione dei costi.
Molti mercati richiedono sistemi efficienti per la gestione dell'alimentazione in termini di convertitori DC-DC: l'industria automobilistica con i suoi veicoli elettrici, il settore medicale con l'avvento di dispositivi sempre più piccoli che richiedono un'efficiente gestione della batteria. Insieme a Steve Roberts, ci occupiamo di vari aspetti che riguardano il mercato degli alimentatori.
Steve Roberts è nato in Inghilterra. Ha ottenuto un B.Sc. in fisica ed elettronica presso la Brunel University, a Londra, prima di lavorare presso la University College Hospital. Successivamente si è trasferito al museo delle scienze come Head of Interactives, dove ha completato il suo master alla University College, di Londra. Vent'anni fa ha compiuto la sua personale Brexit e si è trasferito in Austria, diventando direttore tecnico del gruppo RECOM di Gmunden.
Figure 1: Steve Roberts.
1. Prima di tutto, mi piacerebbe chiederti se potessi descrivere gli ultimi aggiornamenti nel mercato dell'alimentazione elettrica. Quanto è coinvolto Recom nelle applicazioni di potenza del cliente finale?
Recom non solo produce e commercializza prodotti standard, ma effettua anche personalizzazioni. La maggior parte delle modifiche sono relativamente di piccola entità; cambiamenti come una tensione di uscita non standard o l'aggiunta di cavi anziché connessioni pin, ma altre richieste dei clienti sono più complicate; da una specifica modificata per soddisfare esattamente i requisiti operativi dell'applicazione ad un design personalizzato completo specifico per un solo cliente.
Vediamo sempre più richieste di questo tipo per soluzioni di alimentazione personalizzate. Le ragioni sono molte, ma le principali sono di ridurre il costo complessivo incorporando protezione aggiuntiva o filtraggio interno, per rendere la soluzione più universale estendendo la gamma della tensione di ingresso o per aumentare l'efficienza modificando il convertitore in modo che l'efficienza raggiunga il picco per il carico tipico dell'applicazione. Vediamo anche più richieste per forme non standard. Questo perché l'alimentatore è in genere l'ultima parte dell'applicazione progettata dal cliente e deve adattarsi a qualsiasi spazio disponibile rimanente.
Un'altra tendenza generale riguarda i prodotti di alimentazione certificati. Poiché le restrizioni normative diventano sempre più stringenti, diventa sempre più oneroso per i clienti ottenere l'approvazione per gli alimentatori che hanno progettato e costruito da se. Il tempo necessario per ottenere una soluzione testata e certificata supera spesso il tempo necessario per progettare l'alimentatore stesso e il costo tende a esplodere; una certificazione di tipo medico può superare facilmente i 70k USD. È molto più semplice, facile e spesso più economico nel lungo periodo adattarsi ad un modulo pre-testato e pre-certificato.
2. Come vedi le future innovazioni nella tecnologia dei driver di gate IGBT per l'uso in applicazioni ad alta potenza?
L'IGBT verrà gradualmente sostituito da tecnologie alternative più performanti come SiC e GaN. La ragione di ciò è che c'è un difetto fondamentale nel funzionamento di un transistor bipolare a gate isolato. Come suggerisce il nome, un IGBT combina la capacità di commutazione alta tensione/alta corrente di un transistor bipolare con il controllo in tensione del driver di gate di un FET. Quando il gate è isolato, l'IGBT può essere facilmente acceso e spento con una tensione del driver di gate di +15/-9V, anche se l'IGBT sta commutando centinaia di volt e ampere.
Lo svantaggio è che il gate isolato significa che non vi è alcuna connessione diretta tra il driver di gate e il substrato del transistor. Qualsiasi carica residua sulla capacità di isolamento del gate manterrà l'IGBT acceso anche se il gate viene portato repentinamente basso. Questo periodo di disattivazione consuma molta energia, genera calore in eccesso all'interno del transistor e limita la frequenza di commutazione massima, il che limita tutte le sue prestazioni (figura 2).
Figura 2: Convertitori DC/DC Power RxxP2xx/R Series di RECOM.
I transistor al carburo di silicio (SiC) usano un substrato fatto di zaffiro artificiale invece di silicio puro. Poiché la rigidità dielettrica del SiC è molto più elevata, gli strati del substrato possono essere resi molto più sottili senza il rischio di flashover. Le dimensioni più ridotte riducono significativamente le capacità interne e consentono una commutazione molto più rapida. Anche la conduttività termica è più elevata, il che consente una maggiore commutazione di potenza in una dimensione del die più piccola. L'operazione è simile a un FET, quindi non vi è alcun effetto di riduzione graduale. La differenza principale è che la tensione ottimale del driver di gate è +20/-5V o +15/-3V, a seconda della generazione del progetto SiC. Al momento, i transistor SiC sono più costosi e non possono commutare facilmente tensioni molto elevate, quindi gli IGBT sono ancora molto usati, ma il range di tensione sta crescendo rapidamente con la diminuzione del costo.
Il nitruro di gallio (GaN) offre caratteristiche di commutazione ideali. I transistor GaN utilizzano una tecnica di commutazione completamente diversa rispetto agli IGBT o ai FET. La conduzione avviene tramite un cosiddetto gas di elettroni nel substrato del cristallo di GaN che può essere interrotto applicando una tensione di gate esterna. Sono una nuova generazione di transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT). Le velocità di commutazione sono limitate solo da componenti parassiti interni. Se un IGBT può commutare fino a 500kHz, un SiC a diversi MHz, allora un GaN può commutare a 100MHz. La tensione del driver di gate è in genere tra +6V/0V.
La tecnologia GaN è ancora costosa, ma il costo si sta riducendo rapidamente. Recom offrirà il suo primo prodotto basato su GaN quest'anno, che sarà meno della metà delle dimensioni di un alimentatore standard.
3. Quale influenza ha il crescente mercato energetico sullo sviluppo dei semiconduttori di potenza?
Vi sono sviluppi da entrambe le estremità della scala energetica. Da un lato, le tensioni dei pannelli fotovoltaici aumentano da 700 V a 1200 KV o anche fino a 1500 kV in continua. Dall'altro lato, c'è un crescente interesse per le soluzioni di micro potenza dell'energy harvesting.
L'energia fotovoltaica offre un approvvigionamento di energia affidabile e rinnovabile con pochi o nessun inconveniente ambientale. Per aumentare l'efficienza, la tensione generata dovrebbe essere il più alta possibile per mantenere basse le perdite I²R nei cavi di alimentazione.
Vi è una crescente necessità per un'ampia gamma, di convertitori DC/DC ad alta tensione da utilizzare sia nelle unità di monitoraggio e controllo sia per fornire linee a bassa tensione per gli inverter di potenza. Questi convertitori DC/DC devono funzionare direttamente dall'alimentazione del pannello solare se il sistema è completamente fuori rete ed avere sufficiente tensione di isolamento per gestire sia la gamma di tensione continua in ingresso sia picchi occasionali dovuti a fulmini. Recom sta sviluppando un prodotto del genere da rilasciare presto.
All'altro estremo della scala, le soluzioni di energy harvesting spesso devono funzionare con potenze dell'ordine dei milliwatt o meno e tensioni di alimentazione molto basse. Per realizzare un'alimentazione utile, una bassa tensione proveniente da un generatore di energia fotoelettrica, meccanica o termica verrà potenziata fino a una tensione di uscita più elevata per caricare un supercondensatore o una batteria ricaricabile. Questo accumulatore di energia intermedio può quindi essere regolato per fornire 3,3 V per alimentare un sistema radio, a microprocessore o di sensori. Recom sta inoltre lavorando a una soluzione di energy harvesting in cui il controllo dell'ingresso MPPT, l'amplificazione DC-DC, il circuito di carica a ioni di litio e le efficienti uscite LDO sono tutti integrati in un modulo facile da usare.
4. Quali sono le sfide future che riguardano la progettazione DC-DC per le applicazioni medicali e ferroviarie e come prevedete di far evolvere la vostra suite di prodotti per rispondere a tali sfide?
Le apparecchiature per il monitoraggio dei pazienti si stanno spostando in due nuove direzioni; in primo luogo, la tendenza per i sistemi di sensori multiparametrici in cui un pezzo di equipaggiamento è utilizzato per misurare molti segni vitali al fine di essere in grado di fornire un quadro più olistico della salute del paziente e, in secondo luogo, la tendenza verso il trattamento domiciliare in cui il paziente viene dimesso in anticipo dall'ospedale e gli si permette il recupero a casa, rendendo l'esperienza meno stressante e allo stesso tempo riducendo i costi. Tuttavia, queste tendenze richiedono una nuova generazione di convertitori DC/DC compatti a basso costo e a bassa potenza, in primo luogo per fornire energia indipendente a ciascun canale di un monitor multiparametrico e, in secondo luogo, per consentire il controllo a distanza di un paziente in un ambiente domestico, dove il costo dell'attrezzatura deve essere mantenuto basso e una addizionale sicurezza integrata per evitare pericoli da un uso improprio da parte di utenti non addestrati.
Recom ha quindi sviluppato una nuova gamma di convertitori DC/DC 1W, 2W, 3,5W, 5W e 6W a basso costo. Queste nuove serie REM sono tutte isolate rinforzate per sopportare una tensione da guasto permanente fino a 250 V CA per proteggere gli utenti da eventuali guasti nell'alimentazione principale. La protezione è bidirezionale, pertanto in un sistema a più canali, anche se il paziente viene a contatto accidentalmente con una tensione pericolosa, essa non viene portata a massa tramite i collegamenti del sensore (figura 3).
Figura 3: convertitori DC/DC ferroviari RECOM 1" x1" per ambienti esigenti. Convertitori DC/DC serie RP12-AR.
Per le applicazioni ferroviarie, l'ultima versione della normativa EN50155 per apparecchiature elettroniche su materiale rotabile specifica tensioni di alimentazione standard di 24/28/36/48/72/96 o 110 V DC. I clienti chiedono sempre più che tutte queste tensioni siano gestite da un'unica soluzione di alimentazione, in altre parole, un intervallo di tensione in ingresso che includa transitori di 16,8 - 154 V DC o un intervallo 10:1.
Recom ha quindi recentemente rilasciato due convertitori DC/DC di potenza superiore (100W/200W) con una gamma 10:1 e due di potenza media (40W/60W) con un intervallo di tensioni di ingresso 12:1. Abbiamo inoltre sviluppato due schede di valutazione con filtraggio EMC completo secondo lo standard ferroviario EN 50121-1-2, una limitazione della tensione di ingresso standard RIA12, protezione da inversione di polarità e connessioni per condensatori di tenuta esterni per soddisfare i requisiti di interruzione dell'alimentazione.
Nelle applicazioni di gestione dell’alimentazione le soluzioni progettuali sono finalizzate all’aumento della densità di potenza, la riduzione delle perdite di potenza e l’aumento della frequenza di switching. Le tecnologie basate su SiC e GaN sono altamente performanti, anche se ancora costose.
Davvero una bella panoramica sugli alimentatori e sui convertitori DC-DC. Fanno davvero riflettere alcune frasi quali ad esempio “una certificazione di tipo medico può superare facilmente i 70k USD” e “Il tempo necessario per ottenere una soluzione testata e certificata supera spesso il tempo necessario per progettare l’alimentatore stesso”. Con questi numeri sembra quasi che il mercato sia precluso all’ingresso di nuovi players.
L’articolo porta anche a riflettere come al mondo d’oggi sia estremamente importante e necessario specializzarsi molto su singoli settori specifici e mantenersi costantemente aggiornati (nel caso specifico, dispositivi SiC e GAN) se si vuole tentare di emergere.
Davvero un bell’articolo, complimenti!