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I trasformatori di potenza nel cambiamento tecnologico

I trasformatori di potenza nel cambiamento tecnologico

Più piccolo. Più potente. Più intelligente.

Nuovi materiali semiconduttori, concetti di progettazione modulari e l'integrazione di funzionalità aggiuntive stanno guidando la prossima fase evolutiva dei convertitori di potenza.

I convertitori di potenza stanno vivendo una fase di grande trasformazione: i nuovi materiali consentono frequenze di commutazione più elevate e strutture più compatte. Questi progressi tecnologici stanno guidando in particolare i convertitori di potenza (convertitori CA/CC e CC/CC), componenti fondamentali delle moderne applicazioni come la mobilità elettrica e i sistemi di energia rinnovabile. Nel corso di questo sviluppo, stanno acquisendo importanza anche tecnologie di connessione innovative che consentono maggiore efficienza, miniaturizzazione e funzionalità.

Di seguito illustriamo i principali sviluppi tecnologici nel settore dei convertitori di potenza e mostriamo come queste tendenze influenzeranno in modo sostenibile il futuro dell’elettronica di potenza.


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Le innovazioni tecnologiche caratterizzano i moderni convertitori di potenza

I convertitori di potenza al centro dell'approvvigionamento energetico moderno

Fig. 1: Configurazione PCI con (x8) lane
I convertitori di potenza costituiscono il cuore dei moderni sistemi di alimentazione, grazie alla regolazione dei livelli di tensione e alla riduzione al minimo delle perdite di energia. Le opportunità di crescita nel mercato dei convertitori di potenza derivano dalla diffusione della mobilità elettrica, dai progressi nell’automazione industriale fino allo sviluppo dei sistemi di energia rinnovabile. Gli attuali sviluppi tecnologici nel campo dei convertitori di potenza si concentrano sul soddisfacimento dei crescenti requisiti in termini di efficienza, miniaturizzazione e funzionalità.

Le nuove tecnologie dei semiconduttori garantiscono frequenze di commutazione più elevate e design più compatti

L'impiego di nuove tecnologie a semiconduttori, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), consente frequenze di commutazione notevolmente più elevate, rendendo possibili progetti più compatti ed efficienti con tempi di risposta e precisione di regolazione migliorati. I semiconduttori a banda larga (WBG), ad esempio SiC e GaN, possiedono migliori proprietà elettriche in termini di velocità di commutazione, resistenza di tensione e perdite, consentendo così un funzionamento più efficiente a temperature più elevate. Aumentando la frequenza di commutazione è possibile ridurre il peso e le dimensioni dei componenti passivi, come i condensatori, e realizzare progetti più compatti. 

Miniaturizzazione e aumento dell'efficienza

Le nuove topologie dei circuiti e i progressi nella tecnologia di produzione portano alla realizzazione di convertitori di potenza sempre più piccoli e pongono requisiti elevati in termini di gestione termica e layout elettrico, poiché le elevate densità di integrazione e i percorsi elettrici più corti devono garantire al contempo minori perdite. L'utilizzo di dissipatori di calore ottimizzati e di substrati metallici isolati (IMS) aumenta l'affidabilità dei convertitori di potenza e migliora la dissipazione del calore. Funzioni avanzate di gestione dell'energia consentono un adattamento dinamico del consumo energetico in base alle esigenze di carico. 

Modularizzazione e standardizzazione dei sottogruppi

Parallelamente, la modularizzazione sta acquisendo sempre più importanza. Grazie a componenti standardizzati e sistemi modulari, i moduli possono essere configurati in modo flessibile, scalati e sottoposti a manutenzione con maggiore facilità, il che riduce i tempi di sviluppo e abbassa i costi.

Sistemi intelligenti con funzionalità avanzate

A questo progresso si aggiungono sistemi sempre più intelligenti dotati di funzioni avanzate di diagnostica e monitoraggio, tecniche di controllo digitale e l'integrazione di funzioni avanzate di sicurezza e protezione. Le funzioni di diagnosi e monitoraggio consentono la manutenzione preventiva, garantiscono un rilevamento dei guasti più accurato e, grazie alle tecniche di controllo digitale, permettono di ottimizzare le prestazioni dei convertitori tramite aggiornamenti software. Le funzioni di protezione contro sovracorrente, surriscaldamento e sovratensione garantiscono una maggiore affidabilità e una maggiore durata dei convertitori di potenza. 

Sfide nella catena di approvvigionamento e carenza di componenti

Nonostante i progressi tecnologici, i produttori di convertitori di potenza devono affrontare sfide persistenti nella catena di approvvigionamento globale. La carenza di componenti chiave – in particolare semiconduttori di potenza, componenti passivi e circuiti integrati di controllo – comporta ritardi e un aumento dei costi. Particolarmente colpiti sono i moderni semiconduttori a banda larga come SiC e GaN, la cui elevata domanda e la complessa produzione ne limitano la disponibilità. Per garantire la capacità di fornitura, molte aziende puntano su strategie quali la diversificazione dei fornitori, la produzione regionale e le partnership a lungo termine.

Requisiti per le tecniche di assemblaggio del futuro  

Gli sviluppi tecnologici descritti nel campo dei convertitori di potenza hanno un impatto diretto sui requisiti della tecnologia di connessione. Le crescenti esigenze in termini di miniaturizzazione, efficienza e funzionalità non solo modificano il layout dei circuiti stampati, ma anche i requisiti dei connettori e dei componenti di collegamento. Una caratteristica fondamentale dei moderni convertitori di potenza e dei moderni connettori è la versatilità, che si traduce nella capacità di adattarsi alle diverse esigenze dei vari settori.

Meno spazio, più funzionalità: cresce la domanda di connettori miniaturizzati

La tendenza alla miniaturizzazione costringe i progettisti a ottimizzare ogni millimetro anche nella tecnologia di connessione. Soprattutto sui circuiti stampati altamente integrati, lo spazio a disposizione per i connettori è ormai limitato. Sono quindi richiesti sistemi di connettori compatti ma comunque efficienti, in grado di trasmettere correnti e tensioni elevate nonostante le dimensioni ridotte, garantendo al contempo un contatto elettrico affidabile.

Carichi maggiori richiedono soluzioni più robuste

I crescenti requisiti elettrici – dovuti ad esempio a frequenze di commutazione o temperature di esercizio più elevate – aumentano anche le sollecitazioni meccaniche e termiche a cui sono sottoposti i connettori. Di conseguenza, cresce la necessità di soluzioni di connessione robuste, resistenti alle vibrazioni e alle temperature estreme, in grado di funzionare in modo affidabile anche in condizioni operative difficili. Codifiche meccaniche, sistemi di bloccaggio e geometrie dei contatti ottimizzate contribuiscono a evitare errori di inserimento e problemi di contatto.

Progettazione efficiente grazie a soluzioni di collegamento modulari

I progetti modulari stanno acquisendo sempre maggiore importanza nell'elettronica di potenza, poiché consentono flessibilità, scalabilità e rapidi adeguamenti. Per la tecnologia di connessione ciò significa che i sistemi di connettori non devono solo essere affidabili e performanti, ma anche scalabili in modo variabile, personalizzabili e di facile manutenzione. Tali requisiti vengono soddisfatti mediante un’ampia gamma di configurazioni di poli e di forme costruttive, la possibilità di realizzare versioni speciali e meccanismi robusti durante i processi di saldatura e di innesto. In questo modo i sistemi di connettori modulari contribuiscono in modo decisivo a prolungare la durata dei sistemi e a ridurre i costi operativi complessivi.

Sfide nella catena di approvvigionamento e carenza di componenti

Anche nel settore della tecnologia di connessione la carenza globale di componenti sta lasciando segni evidenti. I metalli preziosi, i materiali speciali per i contatti e le materie plastiche resistenti alle alte temperature non solo sono più difficili da reperire, ma sono anche diventati notevolmente più costosi. Ne conseguono tempi di consegna più lunghi, costi dei materiali più elevati e un aumento dei costi energetici nel processo di produzione. Per garantire la sicurezza dell'approvvigionamento, aspetti quali la stretta collaborazione con i fornitori, una pianificazione lungimirante e strategie di progettazione flessibili e adattabili stanno acquisendo sempre maggiore importanza.

In che modo i connettori moderni possono soddisfare questi requisiti

Oltre agli sviluppi tecnologici e ai requisiti di progettazione dei sistemi elettronici ad alte prestazioni, l'attenzione si sta concentrando sempre più anche su fattori economici e strategici. Gli utenti e gli acquirenti si aspettano soluzioni che siano tecnicamente convincenti e sostenibili a lungo termine anche in termini di disponibilità, standardizzazione e costi.

Elevata densità di potenza in uno spazio ridotto

    Iconnettori con passo ridotto sono ideali per l'impiego nei convertitori di potenza: occupano poco spazio sul circuito stampato e consentono quindi di progettare moduli elettronici particolarmente compatti e ad alta densità di potenza. Il passo di 1,27 mm della linea One27 di ept rappresenta un compromesso ideale tra miniaturizzazione, prestazioni elettriche e stabilità meccanica.

    Flessibilità grazie al sistema modulare

    Il sistema modulare della gamma di prodotti One27 offre numerose possibilità per la personalizzazione delle soluzioni di connessione. Un'ampia scelta di forme, altezze e numero di poli consente distanze orizzontali tra i circuiti stampati regolabili in continuo da 8,0 a 20,00 mm, grazie a una copertura dei contatti di 2,4 mm. Oltre ai collegamenti paralleli (orizzontali), sono possibili anche disposizioni a 90° e 180°, il che offre un'elevata flessibilità nel posizionamento dei circuiti stampati. Inoltre, i collegamenti via cavo consentono una disposizione flessibile del modulo, la compensazione delle tolleranze e la realizzazione di distanze personalizzate. I cavi sono disponibili in diverse lunghezze e con diversi tipi di isolamento, a seconda dei requisiti meccanici o termici. Sono inoltre realizzabili configurazioni speciali, come equipaggiamenti parziali o contatti in serie, per poter rispondere in modo mirato a specifici requisiti elettrici o meccanici.
    Bild 2
    Linea di prodotti One27

    Robustezza per ambienti difficili

    La gamma di prodotti One27 si contraddistingue per l'elevata robustezza, particolarmente importante per l'impiego nel settore automobilistico. Dal punto di vista meccanico, la famiglia di prodotti One27 convince per l'elevata resistenza alle vibrazioni e la stabilità, caratteristiche essenziali per l'impiego nel settore automobilistico. Anche in condizioni difficili, il collegamento elettrico rimane affidabile. Inoltre, la gamma di prodotti One27 presenta caratteristiche meccaniche pratiche come una protezione antirotazione per collegamenti corretti, perni di posizionamento per un posizionamento esatto e smussature di inserimento che compensano gli scostamenti angolari e centrali durante l'inserimento. Queste caratteristiche aumentano la facilità di montaggio e garantiscono un collegamento sicuro, preciso e duraturo.
    Inoltre, la scelta del materiale isolante è determinante per la resistenza alla temperatura. L'LCP (Liquid Crystal Polymer), grazie alla classe di infiammabilità UL 94 V 0, è ideale per temperature di esercizio comprese tra -55 °C e +125 °C e soddisfa gli elevati requisiti dell'industria automobilistica.

    capacità di carico di corrente

    Abbildung2
    Figura xy: Portata di corrente per contatto in base al numero di poli e al numero di contatti conduttori
    Grazie a materiali selezionati e a una geometria dei contatti ottimizzata, la gamma di prodotti One27 è in grado di trasmettere correnti elevate in modo affidabile, senza surriscaldamento né calo di prestazioni. La lavorazione dei contatti, in particolare l’impiego di speciali leghe di rame, assicura una bassa resistenza di contatto e un’efficace dissipazione del calore, garantendo un collegamento stabile anche in condizioni operative estreme.
     
    La capacità di trasporto di corrente dipende dal numero di poli e dal numero di contatti conduttori; tale caratteristica è dovuta, tra l’altro, alla minore formazione di punti caldi all’interno dei connettori con un numero ridotto di poli.

    Una catena di approvvigionamento affidabile grazie alla produzione regionale

    Un altro importante vantaggio della gamma di prodotti One27 è lo sviluppo e la produzione all’interno dell’Unione Europea, che garantisce una catena di approvvigionamento affidabile con percorsi brevi. Questa produzione regionale è sinonimo dei più elevati standard qualitativi e assicura al contempo la disponibilità puntuale dei componenti: un fattore decisivo per i produttori che necessitano di tempi di reazione rapidi.

    Conclusioni e prospettive

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    I convertitori di potenza sono componenti fondamentali dei moderni sistemi di approvvigionamento energetico, dalla mobilità elettrica alle energie rinnovabili. Gli sviluppi futuri si concentreranno su una maggiore densità di potenza, forme costruttive compatte, migliori rendimenti e una maggiore intelligenza di sistema. I nuovi materiali semiconduttori, come il SiC e il GaN, miglioreranno notevolmente le prestazioni e il comportamento termico.

    Parallelamente aumentano i requisiti relativi alla tecnologia di connessione. I connettori modulari devono combinare elevate potenze elettriche e comunicazione dati in un sistema compatto, robusto e flessibile. Il sistema One27 di ept soddisfa questi requisiti in modo ideale ed è quindi un fattore decisivo per la prossima generazione di convertitori potenti e orientati al futuro. La tecnologia di connessione è oggi un motore centrale dell’innovazione e non più un aspetto secondario.

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