Massima densità di potenza nei passivi

COMPONENTI –

Il Ministero della ricerca tedesco sta puntando su un progetto di ricerca relativo all’ottimizzazione dei componenti passivi con la massima densità di energia e l’uso di questi componenti nell’elettronica di potenza. Il progetto coinvolge come partner Bosch, Semikron, Epcos, Sumida, Fraunhofer IISB.

I costruttori principali di componenti passivi quali Epcos, Sumida e Via Elektronik stanno unendo le loro forze con specialisti di materiali ed istituti di ricerca, quali Treofan, FIT Ceramics, Bosch, Semikron, Fraunhofer IISB and Fraunhofer IKTS, per lavorare al progetto di ricerca congiunto “Componenti passivi efficienti con massima densità di energia, per intervalli di temperatura maggiori nel campo dell’elettronica di potenza – EPa”. Sulla base della strategia high-tech del governo tedesco, manifestata durante l’iniziativa “IT and communications technology 2020”, IKT 2020, il Ministero Tedesco dell’Educazione e Ricerca, sta procurando fondi per  1.669 milioni di euro, il volume totale è pari a 2.923 milioni di euro , che viene messo nel progetto EPa come parte del programma the “LES: Power electronics for energy efficiency enhancement". Questo progetto di ricerca application-oriented è finalizzato a creare la base per le innovazioni nel campo dei componenti passivi, in congiunzione con lo stato dell’arte dei sistemi di alimentazione. Uno degli scopi dell’IKT 2020 è quello di espandere e sostenere la posizioni eminente della Germania nel campo dell’Ict. Il progetto durerà per un periodo di tre anni e si prevede che sarà completato per la fine di maggio 2013. Lo scopo del progetto EPa è quello di favorire la costruzione di sistemi di alimentazione più compatti e quindi più efficienti, utilizzando componenti passivi innovativi. “Ciò che rende questo gruppo diverso dagli altri è che per la prima volta costruttori di componenti ed utenti stanno lavorando insieme per migliorare la tecnologia utilizzata nei sistemi di alimentazione switching”, ha spiegato  il coordinatore Johann Winkler della Sumida Components & Modules.

Un uso efficiente di risorse energetiche
I costi crescenti dell’energia sono un peso non solo per le famiglie. Infatti, stanno diventando sempre di più un importante fattore competitivo tra le aziende tedesche. Allo stesso tempo, obiettivi ecologici ci portano ad essere più responsabili nel nostro uso delle risorse. Oggi, ad esempio, il 40% dell’energia consumata a livello mondiale è elettrica, un valore che si prevede aumenterà fino al 60% entro il 2040. Come risultato, anche il bisogno per l’elettronica di potenza aumenterà. L’elettronica di potenza è una sotto sezione del campo più vasto dell’ingegneria elettronica e comprende la conversione e distribuzione dell’energia elettrica, tramite l’uso di componenti e sistemi. L’elettronica di potenza è strumentale per l’uso efficiente delle risorse. Il potenziale risparmio energetico dovuto all’uso consistente dell’elettronica di potenza è stimato essere dal 20% al 35%. Come parte del programma IKT 2020, il governo tedesco sta quindi puntando su progetti di ricerca e sviluppo multidisciplinari, sotto il titolo di “LES: Power electronics for energy efficiency enhancement”.

Il ruolo dei passivi nella potenza
Nei sistemi ed assemblati di elettronica di potenza, oltre ai semiconduttori, sono componenti chiave quelli passivi come bobine e condensatori. Con gli importanti progressi raggiunti nel campo dei semiconduttori di potenza nel corso degli ultimi 20 anni, al momento, l’unica cosa che ostacola l’ulteriore riduzione delle dimensioni degli assemblati di potenza è lo spazio occupato dai componenti passivi. Il motivo di ciò è che le condizioni fisiche al contorno relative alla miniaturizzazione dei componenti passivi sono molto più restrittive rispetto a quelle della tecnologia IT e delle commutazioni. Nei sistemi di commutazione, ad esempio, bit and byte vengono incorporati in sistemi sempre più compatti; al contrario, i sistemi di immagazzinamento dell’energia elettrica, necessari per i processi di elettronica di potenza, devono soddisfare un dato volume minimo dovuto alle proprietà del materiale. Per questo motivo, gli utenti considerano i componenti passivi come troppo grandi, pesanti e costosi. Il focus a questo punto dovrebbe essere non solo che questi componenti siano in grado di sostenere gli sviluppi nel campo dei semiconduttori di potenza, ma piuttosto si dovrebbero migliorare ulteriormente per quanto riguarda le frequenze di operazione.

Una nuova generazione di passivi per la potenza
Come parte del progetto EPa, deve essere sviluppato un dimostratore di componente  – un caricatore mobile per batterie usato nei veicoli elettrici  – che permette sia un aumento in efficienza nell’elettronica di potenza e nel risparmio energetico del sistema nel suo complesso attraverso una riduzione di massa e peso. Da un punto di vista ambientale, ciò comporterà risultati migliori – specialmente nelle applicazioni mobili  – rispetto alla soluzione basata esclusivamente sulla riduzione delle perdite elettriche di potenza. Lo scopo principale del gruppo EPa è quello di sviluppare una nuova generazione di componenti passivi per l’elettronica di potenza basati su materiali, soluzioni di packaging e raffreddamento innovativi – una mossa che sarà determinante per la crescente miniaturizzazione degli assemblati elettronici di potenza.
Per ottenere ciò, viene utilizzato un approccio su due fronti: innanzitutto, la capacità di immagazzinamento di energia dei materiali coinvolti deve essere migliorata e, in secondo luogo, il contenuto energetico di una bobina, 1/2 LI², o di un capacitore, 1/2 CU², deve essere trasferito dall’ingresso all’uscita di un circuito elettronico il più spesso possibile per secondo. In pratica, ciò implica un chiaro aumento della frequenza di operazione, che in genere porta ad un aumento significativo delle perdite di calore dei componenti passivi, che devono essere quindi limitate per mezzo di materiali innovativi o il calore dissipato tramite mezzi di raffreddamento adatti. In termini tecnologici, il focus della ricerca sarà sullo sviluppo di materiali di base, l’ottimizzazione del design dei componenti e lo sviluppo di un prototipo compatto. Sul fronte economico, il fine è quello di rallentare il movimento migratorio attuale dell’industria elettronica nel campo delle tecnologie "best in class”, grazie al lavoro dell’R&D, salvaguardando i posti di lavoro esistenti in questo settore. I risultati della ricerca devono essere protetti da patenti per garantire la sostenibilità della Germania come luogo industriale.

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