Последняя Международная торговая ярмарка Electronica в Мюнхене была той высотой, с которой можно было хорошо увидеть состояние и направления развития отрасли силовой электроники.
Например, был очевиден контраст между представленными на выставке передовыми достижениями в области разработки современных микросхем и качеством обычных довольно громоздких блоков питания. И хотя в экспозиции источников питания были представлены некоторые революционные технологии и разработки, но они не доминировали. Контраст между старыми и новыми продуктами силовой электроники означает, по сути, появление новой тенденции: силовая электроника находится на распутье.
На современном этапе производители силовой электроники в большинстве своем не используют какую-либо одну, новую, привлекательную технологию. Компании, которые станут обладателями такой технологии, и особенно те, которые смогут адаптировать ее для конечного пользователя, сразу почувствуют, что она открывает многие двери и решает сложные проблемы.
Проблемы рынка
Взглянем на военную отрасль. Ведение бизнеса в этой сфере всегда было сложным делом. Здесь имеют место жесткие требования к характеристикам продуктов. Использование готовых к применению модулей коммерческого применения (COTS) и руководств по проектированию расширило список проблем. Внесла свои ограничения и европейская директива RoHS.
В последнее время военная отрасль сделала акцент на уменьшение размеров, веса и мощности (это подчеркивает введение аббревиатуры SWaP – size, weight and power) для улучшения мобильности и сокращения энергопотребления. Военная отрасль США состязается с Китаем – мировым лидером по энергопотреблению. Использование в этой отрасли новейших технологий и требующей большой вычислительной мощности электроники, приводит к необходимости совершенствования решений в области силовой электроники.
Системы автоматизированных измерений всегда использовались для тестирования широкого спектра электронных устройств, включая компоненты (такие как конденсаторы), микросхемы и готовые электронные блоки. Автоматизированное тестовое оборудование требует применения самых совершенных источников питания и передовых схемотехнических решений, которые способны обеспечить высококачественное питание (высокостабилизированное напряжение), малое время включения (быстрые переходные режимы) и компактные размеры. Причем, все эти требования не должны оказывать воздействия на процесс тестирования (т.е. обеспечивать малый уровень помех). Одной из новейших технологических инноваций в области автоматизированного тестового оборудования является параллельная обработка с использованием многоядерных процессоров, что обеспечивает более быстрый отклик системы применительно к системе питания.
Телекоммуникационная отрасль характеризуется наличием множества отраслевых стандартов: 1/4-brick, 1/8-brick, стандартная разводка. В последнее время в этой сфере произошли серьезные изменения за счет факторов, связанных с внедрением новых нормативных и технологических решений, что, по сути, сформировало новый взгляд на всю отрасль, использующую наземные, беспроводные, а также другие виды связи.
Сокращение общей потребляемой мощности стало приоритетом в снижении эксплуатационных расходов. Блоки питания с более высокой удельной мощностью становятся все более востребованными, поскольку они предоставляют больше мощности при тех же габаритах, что позволяет реализовывать более широкую функциональность на плате. Опять-таки, эти требования специально предназначены для источников питания с новыми технологическими решениями.
Всего за несколько лет стоимость электроэнергии, необходимой для работы высокопроизводительных компьютеров, таких как серверов в датацентре, увеличилась настолько, что зачастую стала превышать стоимость самого оборудования. Обычные принципы построения силовых устройств ограничивают эффективность системы из-за потерь на распределительных шинах и невысоких характеристик преобразователей энергии.
Успехи в технологиях силовой электроники позволили увеличить эффективность систем, например, с помощью устранения понижающих каскадов преобразования и внедрения принципа прямого преобразования, что также привело к сокращению эксплуатационных расходов. Какие тенденции здесь можно отметить? Вероятно, в обозримом будущем предела повышения удельной мощности, эффективности, надежности и уменьшения стоимости достичь не удастся. Между прочим, повышение удельной мощности не всегда происходит бесплатно. Увеличение мощности в том же самом объеме требует управления тепловыми режимами. Без соответствующего увеличения эффективности сэкономленное пространство, возможно, будет занято радиаторами, вентиляторами или другими средствами для отвода тепла.
На перспективных рынках, например, на рынках электромобилей или гибридных автомобилей, силовые устройства, подобные DC/DC-преобразователям, являются ключевыми компонентами. При создании таких преобразователей необходимо решить такие проблемы как снижение веса и уменьшение размеров, увеличение эффективности и надежности, необходимо предусмотреть электромагнитную совместимость, высоковольтную развязку, управление тепловыми режимами, исключить электромагнитные помехи, ну и оптимальное решение ценового вопроса тоже не стоит сбрасывать со счетов.
Требуемых характеристик достичь достаточно трудно. Но на некоторых из этих рынков ключевым условием является снижение удельной стоимости, условно выраженной в центах/Вт. Кроме того, важнейшим фактором является достаточно высокая надежность таких систем в жестких условиях: при повышенной и пониженной температурах, ударах и вибрации.
Новые бизнес-модели
Старые бизнес-модели, особенно для OEM-производителей, связанных с перспективными технологическими направлениями, могут вскоре не найти применения. Некоторым компаниям может не хватить технической мощи. Некоторые из них cмогут подойти к решению новых проблем, а некоторые – нет. Одни компании смогут жить с тем, что у них уже есть и продолжать удовлетворять требования своего рынка. Другие рискуют отойти на обочину дороги.
Однако, не все изменения в бизнес-моделях обусловлены технологиями. Создается впечатление, что OEM-производители все больше концентрируются на своих основных видах деятельности и не собираются нанимать разработчиков силовых систем. Большинство новых специалистов выходят из учебных заведений со знаниями в области цифровой электроники и в меньшей степени знакомы с аналоговыми схемами. Будут ли эти факторы влиять на смещение в сторону заказных решений в области силовых устройств?
На некоторых рынках, таких как автомобильная электроника, обмен опытом, сотрудничество и партнерство являются нормальным способом ведения бизнеса. Для специалистов в области силовой электроники это – «культурологический шок». Силовая электроника, действительно, находится на распутье.
Автор: Том Куратоло (Tom Curatolo), директор по разработкам приложений, Vicor Corp.