L’elettronica di potenza copre un esteso range, dal nanowatt al kilowatt. Ma tutti i progetti di potenza hanno un fine comune, quello di migliorare l’efficienza. In quest’articolo, gli ingegneri di Tektronix condividono i loro punti di vista sulle tendenze emergenti in fatto di elettronica di potenza.
Prodotti in evidenza:
Efficienza di sistemi a batteria
I dispositivi mobili sono i primi a venire in mente quando si parla di efficienza di sistemi a batteria. Ci aspettiamo almeno 8 ore di conversazione al telefono, e ce le aspettiamo in una confezione compatta e capace. Il Mobility Report di Ericsson di Novembre 2017 indica che cisono attualmente 5 miliardi di abbonamenti mobili a banda larga.
Dispositivi IoT connessi tramite tecnologia wireless.
Nuove soluzioni per la gestione e la misura dei consumi
Mentre gli smartphone di sicuro continueranno a guidare la gestione dei consumi e la tecnologia delle batterie, una nuova classe di dispositivi connessi sta mettendo alla prova la gestione dei consumi. Si prevede che per il 2020, ci saranno 24 miliardi di dispositivi IoT connessi tramite tecnologia wireless.
La combinazione di un 2281S-20-6 con un DMM7510 fornisce una completa soluzione per l’esame dei consumi di potenza e la durata della batteria.
Molti di questi dispositivi non hanno accesso alla rete elettrica, e tutti hanno la necessità di essere sempre accesi, almeno in una certa misura. È questo rimanere sempre acceso dell’IoT che richiede nuove soluzioni per la gestione e la misura dei consumi. “Se stai progettando un dispositivo IoT che andrà a finire su una piattaforma petrolifera, non ci sarà rete elettrica e probabilmente sarà alimentato a batteria”, dice Jay Shah, ingegnere di Tektronix. “Le considerazioni sul consumo di potenza per i dispositivi IoT sono molto critiche. In modalità deep sleep i consumi scendono in una scala tra il nanoampere ed il picoampere, ma quando misurano e trasmettono, possono assorbire una frazione di ampere.
“Ovviamente, determinare il consumo di potenza di questi dispositivi è assolutamente critico, ma l’ampio spazio di lavoro dei sensori IoT rende la caratterizzazione del loro profilo di consumo molto impegnativa,” spiega Shah.
La gara degli Standard Internazionali
Come risposta ai cambiamenti climatici, molti governi stanno sviluppando nuovi standard nuovi più stringenti. Sfortunatamente, il passo frenetico a cui questi standard vengono rilasciati ed il numero di parti coinvolte, sono abbastanza da mettere in confusione anche il progettista più esperto. Prendiamo, ad esempio, gli standard di efficienza che riguardano gli alimentatori esterni (External Power Supplies – EPS), conosciuti anche come “alimentatori da muro” o “mattoncini”
Diminuire i consumi in modalità standby
Elettrizzazione Automotive
Nel 2016, il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti ha rilasciato nuovi standard di energia. Adesso l’Europa sta andando oltre, con regolamenti Ecodesign stringenti. Così, i progettisti si stanno spingendo verso efficienze energetiche più alte, che richiedono moti test, soprattutto per quanto riguarda gli alimentatori.
E la corsa degli standard non è limitata solo agli alimentatori esterni. Nuovi e rivisitati standard vengono rilasciati in maniera costante per apparecchi, dispositivi industriali e anche dispositivi HVAC. Gli standard vengono rilasciati da molti diversi enti, ognuna con la propria giurisdizione. Ad aggiungersi agli enti Americani ed Europei, anche il China Quality Certification Centre è stato attivo nello sviluppo degli standard. Il California Energy Commission prende delle posizioni proattive riguardo gli standard di energia che oltrepassano quelle del Dipartimento di Energia Americano. Ognuno di questi standard è un documento attivo, pertanto i progettisti devono stare aggiornati
Un’altra tendenza che sta dando forma alle richieste all’elettronica di potenza accade dal mercato Automotive. Molti nell’industria automotive predicono che i veicoli elettrici rimpiazzeranno definitivamente le macchine a combustione interna. I convertitori DC-AC e i sistemi di gestione delle batterie sono critici per il sistema di trazione, ma c’è anche una serie di tendenze non così ovvie.
La diffusione dell’elettronica dappertutto nelle macchine moderne costringe i progettisti a gestire attentamente i consumi di potenza. L’enigma del “sempre acceso” dell’IoT esiste anche nei moduli automotive. Anche quando la macchina è spenta, molti sistemi continuano ad operare in sleep mode. (In effetti si potrebbe dire che una macchina è uno dei più complessi “sistemi Internet” che esiste!). Anche nelle automobili a combustione interna, i progettisti sono spinti verso nuovi livelli di sicurezza e comfort senza scaricare la batteria.
Nella strada verso i veicoli completamente elettrici, incontreremo probabilmente molte forme ibride. Questi veicoli incorporeranno complessi sistemi di conversione e gestione dell’energia. In contrasto con l’imminente eredità dei sistemi a 12 volt, i veicoli elettrici (EV) e quelli ibridi (HEV) incorporeranno molti bus di potenza. Alcuni richiedono una conversione DC-DC bidirezionale in quanto l’energia scorre dagli starter/generatori, dai freni rigenerativi, dalle batterie o anche da celle solari.
La grande svolta verso Sic e GaN
L’elettronica di potenza si evolverà nei prossimi anni ad un livello fondamentale, in quanto le tecnologie wide bandgap stanno prendendo piede. Nuovi semiconduttori comi il Carburo di Silicio (SiC) e il Nitruro di Gallio (GaN), offrono una migliore conduttività termica, velocità di commutazioni più alte e dispositivi fisicamente più piccoli del Silicio.
Nuovi dispositivi di potenza wide bandgap
Nuovi componenti nel campo dei semiconduttori
Questo cambiamento degli elementi che costituiscono la parte di alimentazione guida il progetto di nuovi dispositivi dalla base in su. Ci si aspetta che i GaN possano cambiare il mondo dell’elettronica degli alimentatori ( < 100W circa). La tecnologia GaN sta anche scuotendo il mondo degli amplificatori RF, grazie alle stesse caratteristiche che li rendono adatti per i sistemi di conversione. La tecnologia SiC sta trovando applicazione in progetti di più alta potenza come i motori, i driver e gli inverter. “Quest’anno abbiamo visto una grande inflessione nel Carburo di Silicio dove ci sono un sacco di prodottti commericali,” dice l’ingegnere di Tektronix Tom Neville. “Credo che i GaN siano in qualche modo indietro. Il costo è definitivamente un fattore, e anche l’affidabilità.” L’industria dei semiconduttori sta lavorando per sviluppare e promuovere questi nuovi dispositivi di potenza wide bandgap
Gli ingegneri di ricerca e sviluppo nel campo dei semiconduttori lavorano per validare e caratterizzare nuovi componenti. I produttori di driver stanno sviluppando nuovi circuiti pilota per sostenere la richiesta di velocità di switching più veloci, controllo delle interferenze EM e topologie più sofisticate. Gli ingegneri di processo di queste aziende devono confrontarsi con le sfide legate al test dei wafer, dovendo testare a fondo dispositivi sempre più piccoli con range di corrente e tensioni sempre più alti. All’altro fronte della catena della value chain, i progettisti di potenza stanno lavorando per sfruttare pienamente i dispositivi GaN e SiC. Le regole generali applicate ai MOSFET in Silicio devono essere ripensate. I progettisti stanno lavorando per minimizzare i tempi morti nelle configurazioni half-bridge e ridurre le perdite di switching. Aver la possibilità di vedere e valutare accuratamente il voltaggio e la corrente dinamicamente nel progetto è critico, ma difficile a causa dei voltaggi di modo comune e i veloci tempi di salita coinvolti.
Nuove tecniche di probing rivelano dettagli nei progetti che prima erano nascosti
“Il testing è molto più importante di quanto lo fosse in passato,” dice Seshank Malap, ingegnere di Tektronix. “Diventando critica la densità di potenza e l’efficienza, la gente sta spingendo lo sviluppo di dispositivi sempre più piccoli per applicazioni di conversione dell’energia. Questo è il punto in cui il T&M (Test and Measurement) diventa cruciale. Il tuo gate si accende proprio quando lo vuoi tu? Hai il preciso duty cycle per avere la migliore efficienza del tuo progetto? Il dispositivo di potenza dissipa tanto calore quanto potrebbe senza il bisogno di raffreddamento?”
“E non solo il circuito, ma anche l’intero circuito di temporizzazione,” aggiunge Shah. “Perché bisogna coordinare e destreggiarsi in mezzo ad un mucchio di differenti segnali per controllare che tutti abbiano un senso e non accendano il dispositivo quando non dovrebbe esserlo.”
Strumenti e tecniche vecchie semplicemente non sono sufficienti per i nuovi trend dell’elettronica di potenza, secondo Malap. “Nei tradizionali modi di progettare e testare i convertitori di potenza, la gente guarda ad una coppia di segnali qua e là e c’è una sorta di indovinare quello che fanno gli altri,” spiega. “Mai più. Non è solo una cattiva idea, è una idea completamente cattiva perché potresti far esplodere il dispositivo.”
Cavalcare la sesta onda
Il mondo diventa sempre più connesso. Come la tecnologia sta cambiando per adattarsi a questo fatto, così devono fare i nostri ingegneri. Senza la possibilità di misurare valori critici e assicurare la funzionalità di dispositivi importanti, il nostro progresso può arrivare solo fin qui.
“Tutte queste sfide ci riportano a come ottimizzare il consumo di potenza e in generale la gestione dell’energia,” dice Malap, “il che lo ritengo molto affascinante ora”
