Con il rapido aumento della popolazione mondiale nell'ultimo decennio, che ha ormai superato gli 8 miliardi, anche la domanda di energia sta registrando una crescita simile. Entro il 2040, la domanda globale di energia dovrebbe aumentare di circa il 19%. Di questo, il 40% dell'attuale fabbisogno energetico è sotto forma di energia elettrica e raggiungerà il 60% entro il 2040, assorbendo così più della metà del fabbisogno energetico totale.
Attualmente, più della metà della domanda globale di elettricità viene soddisfatta utilizzando combustibili fossili, con conseguenti effetti negativi sull'ambiente. La combustione di combustibili fossili aumenta l'emissione di gas serra, provocando un aumento del riscaldamento globale che rappresenta un rischio enorme per la vita degli esseri umani e di altre specie sulla Terra.
Gli effetti del riscaldamento globale hanno accresciuto l'interesse nell'adozione di fonti di energia più ecologiche e rinnovabili come quella solare, eolica e idraulica. Tutte queste fonti sono disponibili in grande quantità in natura e producono sottoprodotti come l'acqua, anch'essi innocui e riutilizzabili per altre applicazioni. Nonostante i vantaggi di queste fonti rinnovabili, la crescita della loro quota di mercato sembra essere ancora molto lenta rispetto ai combustibili fossili. Ciò è dovuto principalmente alla discrepanza tra la domanda di energia e l'utilizzo di centrali elettriche a gas o carbone come cuscinetto per far fronte a queste variazioni.
In definitiva, l'obiettivo è quello utilizzare l'energia in modo sostenibile e ridurre al minimo lo spreco di energia il più possibile. Lo sviluppo di tecnologie e strategie per il risparmio energetico è diventato cruciale per affrontare questo problema, dal momento che non possiamo dipendere solo dalle fonti rinnovabili. Secondo la Canadian Association of Petroleum Producers (CAPP), il mondo avrebbe dovuto utilizzare il doppio dell'energia per soddisfare le attuali richieste se non fosse stato per i continui miglioramenti nell'efficienza energetica. Con convertitori ad alta efficienza energetica basati sull'elettronica di potenza, l'efficienza della conversione dell'energia può raggiungere in alcuni casi fino al 99%, come spiegato più avanti.
Perdite di energia dalla generazione all'utilizzo. (Credito immagine: reasearchgate.net)
Elettronica di potenza negli azionamenti a velocità variabile (ASD)
La maggior parte delle applicazioni che comportano un movimento fisico avranno un motore elettrico che alimenta l'intero sistema meccanico. Più del 40% dell'energia elettrica totale viene consumata solo dai motori elettrici. La quota di energia dei motori è ancora più elevata nelle industrie a circa il 65% a causa di applicazioni come cinghie di conversione, ascensori, sistemi di controllo del movimento, ecc. Alcune applicazioni richiedono velocità e coppie variabili, ed è qui che gli ASD sono più efficienti, mentre altre applicazioni con profili di carico hanno diversi tipi di azionamenti. Pertanto, esiste un'enorme opportunità per ridurre il consumo globale di energia creando sistemi di guida del motore efficienti dal punto di vista energetico.
Rispetto ai tradizionali azionamenti a motore, gli azionamenti elettronici di potenza consumano molta meno energia poiché l'energia dispersa nel calore è ridotta al minimo. Anche gli avviatori di motore tradizionali, come quelli basati su banchi di resistori, sono altamente inefficienti e offrono scarse prestazioni secondo le norme attuali. Con l'introduzione di componenti elettronici di potenza a stato solido come tiristori, SCR, IGBT e MOSFET, vengono sviluppati avviatori di motore efficienti che sono facilmente aggiornabili. L'avviatore a tensione ridotta per motori a induzione SMCV6080 di Celduc Relais è uno di questi prodotti che offre funzioni di avviamento e arresto graduali. Si serve di sei tiristori per fornire un controllo fluido sul motore. Con i microcontroller integrati, questo avviatore può anche fornire funzioni diagnostiche e di autotest.
Illuminazione a basso consumo energetico con l'elettronica di potenza
I sistemi di illuminazione elettrica sono l'altro grande consumatore di energia elettrica a causa del loro uso continuo durante la notte e anche durante il giorno, soprattutto in luoghi con meno luce solare. L'illuminazione elettrica rappresenta circa il 22% del consumo globale di energia elettrica e ha quindi un enorme potenziale di risparmio energetico. È possibile risparmiare almeno il 20% di energia attraverso l'uso di driver di illuminazione basati sull'elettronica di potenza e il risparmio energetico può essere ulteriormente aumentato utilizzando soluzioni di controllo intelligenti basate sull'IoT. Dopo l'introduzione della prima lampadina a incandescenza nel 1879, le tecnologie destinate a creare sorgenti luminose si sono molto evolute, con la luce a LED che è la più efficiente e la più recente.
Dispositivi elettronici di potenza come TRIACS vengono utilizzati per sviluppare driver dimmerabili che hanno la capacità di controllare sia le lampadine a incandescenza che le luci a LED per risparmiare sui costi. I driver LED basati su PWM (modulazione di larghezza di impulso) vengono utilizzati per poter attenuare la luce attraverso un controllo preciso dell'uscita di corrente. I progressi nell'elettronica di potenza hanno consentito ai circuiti integrati dei driver LED di essere più piccoli della punta delle dita. Il ILD6150XUMA1 di Infineon Technologies è uno di questi driver LED compatti per LED ad alta potenza. Fornisce un controllo di regolazione della luminosità PWM analogico e dispone di protezione da sovratemperatura regolabile, poiché i LED ad alta potenza generano molto calore.
Elettronica di potenza basata su WBG (Wide Bandgap)
L'elettronica di potenza può essere applicata quasi ovunque sia coinvolta l'energia elettrica. Per questo motivo, anche la selezione di materiali adatti per i dispositivi semiconduttori gioca un ruolo fondamentale. Negli ultimi decenni, il silicio (Si) è stato l'opzione preferita per lo sviluppo di questi dispositivi grazie al suo basso costo e alla sua ampia capacità di gestire la tensione e la corrente. Nel frattempo, con la tecnologia che spinge sempre più verso dimensioni più piccole e maggiore efficienza, i dispositivi in silicio hanno raggiunto i loro limiti.
Confronto delle prestazioni di Si, GaN e SiC. (Credito immagine: reasearchgate.net)
SiC (carburo di silicio) e GaN (nitruro di gallio) stanno emergendo come tecnologie promettenti che offrono molti vantaggi e possono sostituire il Si. Il GaN offre capacità di commutazione ad alta frequenza e un bandgap di 3,2eV, mentre il bandgap in Si è di soli 1,1eV. Il SiC, d'altra parte, presenta capacità ad alta temperatura e alta tensione insieme a un bandgap più elevato rispetto al Si. Tutti questi fattori fanno di SiC e GaN il futuro dei semiconduttori e vengono utilizzati per lo sviluppo di dispositivi come i MOSFET. Il transistor GaN GS065011 di GaN Systems è un esempio di uno di questi dispositivi che beneficia dei layout delle celle proprietarie di Island Technology. Offre una resistenza termica molto bassa di 150 mΩ, consentendo così la commutazione di potenza ad alta efficienza per applicazioni come driver LED, ricarica della batteria, azionamenti di motori, ecc.
Prospettive future delle apparecchiature elettroniche di potenza
Non c'è dubbio che l'umanità sia ora completamente dipendente dall'elettricità per far funzionare il mondo. Ciò crea un potenziale quasi inesauribile per la ricerca di dispositivi elettronici di potenza con prestazioni ed efficienza più elevate al fine di far funzionare le apparecchiature elettroniche il più vicino possibile alle condizioni ideali. D'altra parte, la sostenibilità diventa un aspetto importante da tenere a mente poiché materiali come il silicio e il gallio sono limitati in natura. Con l'aumentare delle prestazioni, aumenterà anche la domanda di tali convertitori, con conseguente sfruttamento delle materie prime. Pertanto, bilanciare entrambi gli aspetti dell'aumento del risparmio energetico attraverso l'efficienza energetica sarà oggetto di studi futuri.
