Power: a cosa guardare nel 2018?

1 Febbraio 2018

Di Massimiliano Anticoli

di Franco Musiari

I semiconduttori di potenza promettono bene su tutti i fronti… ma alcuni aspetti vanno guardati con attenzione per il loro impatto futuro sul settore

IHS Markit, affermato analista di mercato, stima che per il mercato dei semiconduttori di potenza – discreti, moduli e power IC – dopo un 2015 in sofferenza (Figura 1), con la caduta del fatturato del 2,6% a 33,9 miliardi di dollari e una leggera ripresa nel 2016 con un +3,6% e un risultato di 35,1 miliardi, il 2017 si sia chiuso con un risultato decisamente positivo: una crescita del 7,5% che ha portato il fatturato globale del comparto a raggiungere 38,3 miliardi di dollari.

La porzione dei discreti ha raccolto nel 2016 11,8 miliardi crescendo del 5,9% con i MOSFET che hanno giocato un ruolo dominante con un 49% del totale e gli analisti stimano per i discreti una crescita, per il 2017, dell’8%. La porzione dei Power IC è cresciuta del 2,8% nel 2016 ma si stima che nel 2017 abbiano a godere una crescita del 7,1%.

I settori dell’automotive e dell’industriale sono stati, secondo gli analisti, quelli più consistenti e che hanno espresso la maggior crescita: +7% l’auto che raggiungerà i 7,1 miliardi di dollari nel 2018 e +5% l’industria che è prevista superare la soglia dei 10,5 miliardi.

I sistemi ADAS (Advanced Driver Assistance System), come il rilevamento dell’angolo cieco, i sistemi anticollisione e il controllo adattativo della velocità di crociera, si stanno spostando dalle auto di lusso verso i veicoli di fascia media portando ad una crescita a doppio digit in quella fascia applicativa. Moduli di potenza e componenti discreti hanno visto guadagni consistenti al crescere del numero di vetture equipaggiate con inverter per la funzione di start/stop e per le versioni elettriche. In particolare, i moduli di potenza per auto e veicoli leggeri hanno visto una crescita superiore al 29%.

Nel più ampio settore industrial la richiesta di efficienza ha portato crescita nel settore delle energie rinnovabili (solare e eolico), nell’automazione della casa e degli edifici e nella automazione industriale. Anche nel settore degli elettrodomestici, il settore consumer, si è avuta una buona crescita per l’introduzione di sistemi avanzati di controllo dei piccoli motori.

E la crescita è prevista continuare negli anni a venire. L’elettrificazione dei veicoli, sistemi ADAS sempre più avanzati e diffusi, la continua domanda di efficienza energetica e la connessione di ogni cosa – Internet of Things – continuerà nei prossimi cinque anni e in questo orizzonte IHS Markit prevede una crescita media annua tra il 2016 e il 2021 pari al +4,8% con la crescita più significativa in Cina con un CAGR del +6%

SiC e GaN ormai concretamente presenti

All’ultimo PCIM (ndr. manifestazione internazionale sull’elettronica di potenza) abbiamo avuto la parata dei produttori di dispositivi WBG (Wide Band Gap) SiC e GaN. Ai nomi leader del mercato SiC – Wolfspeed, ROHM, Infineon, Global Power Technologies, STMicroelectronics e United Silicon Carbide – si sono aggiunti Sumitomo Electric e il newcomer Brückewell Technology di Taiwan, mentre Littelfuse ha messo in mostra i suoi nuovi diodi Schottky e MOSFET SiC sviluppati insieme a Monolith Semiconductor.

Sul fronte della tecnologia GaN insieme ai produttori della prima ora, Infineon (che ha fagocitato International Rectifier), GaN Systems, Transphorm, Panasonic, EpiGaN, EPC e Exagan, si sono affiancati l’israeliana VisIC Technologies e Navitas, società produttrice di Power IC in GaN, ha portato un contributo senza esibire.

E un significativo supporto ai progettisti che volessero imbarcarsi in un progetto WBG viene dai costruttori di driver per il pilotaggio dei suddetti. Questi dispositivi, solitamente derivati da quelli per il pilotaggio di IGBT, sono prodotti da STMicroelectronics, Infineon, Concept (società di Power Integration), Texas Instruments, Microsemi, Prodrive Technologies e altri. Una start-up che si è aggiunta quest’anno è l’americana Agileswitch LLC che sviluppa un gate driver programmabile ottimizzato per l’uso con MOSFET SiC e moduli.

È anche l’opinione di Yole Developpement che vede una crescita esplosiva e in accelerazione soprattutto per i dispositivi a tecnologia SiC (Figura 2). Gli analisti di Yole vedono una crescita media annua del +28% da qui al 2020 che porta il fatturato dai 280 milioni di dollari del 2016 a superare i 700 milioni nel 2020. Le previsioni vedono poi una accelerazione della crescita che passa ad un CAGR_2020-2022 per avere poi una accelerazione verso il +40% dal 2020 al 2022 che fa raggiungere il fatturato di quasi 1,4 miliardi di dollari. Il grafico di figura 2 mostra come i settori applicativi del fotovoltaico e del pilotaggio motori siano le aree che fanno maggiormente uso della tecnologia raccogliendo più del 50% del mercato.

Il mercato dei dispositivi GaN per applicazioni di potenza è relativamente piccolo se comparato con i 35 miliardi di dollari del totale mercato del power ma presenta un potenziale enorme nel breve termine per le sue prestazioni in frequenza e in efficienza e la sua naturale collocazione nelle applicazioni a media tensione. Secondo gli analisti di Yole il mercato nel 2016 è stato di circa 14 milioni di dollari, vedi grafico di figura 3, ma le proiezioni al 2022 parlano di 460 milioni con una crescita media annua (CAGR) del 79%.

Il segmento degli alimentatori (power supply) rappresenta la parte preponderante del mercato raccolto dai dispositivi GaN che esprime un CAGR del 124% da qui al 2022. Anche il mercato dei data center sta adottando questa tecnologia ad una velocità fenomenale.

La tecnologia si propone, anche se in leggero ritardo rispetto ai MOSFET SiC, di rimpiazzare gli IGBT negli inverter. Rimane comunque la fascia dei convertitori DC-DC per I sistemi a batteria da 48 volt. Alcuni player come Transphorm hanno già ottenuto la qualificazione per applicazioni automotive e gli altri dovrebbero darsi da fare.

Batterie, il mercato dell’auto elettrica e l’energy storage

Si è spesso ripetuto, fino a questo momento, che i veicoli elettrici, siano essi BEV (Battery Electric Vehicle), PEV (Plug-in EV) o quelli ibridi (HEV) sono una delle ragioni che portano il settore dei componenti per il power ad essere in buona salute. Ma i numeri del settore non sono particolarmente impressionanti: dalle 500mila unità vendute nel 2015 si è passati alle 800mila unità del 2016 e ci si aspetta che il numero raggiunga il milione nel 2017 (vedi primo grafico di figura 4). Le previsioni a breve termine parlano poi di circa 3 milioni di veicoli nel 2021 quando conteranno circa il 5% del totale in Europa e il 4% sia in USA che in Cina.

Numeri quindi relativamente misurati ma il cui contenuto di elettronica si fa particolarmente consistente, fino a quattro volte l’attuale contenuto di elettronica delle tradizionali auto con motore a combustione interna stimato nell’intorno dei 250 dollari.

Il costo delle batterie è un ostacolo. Ad oggi circa il 50% del costo di un’auto elettrica viene assorbito dalle batterie nonostante il costo delle stesse si sia ridotto, dal 2009 ad oggi – vedi secondo grafico di figura 4 fornito dalla IEA (International Energy Agency) – di più del 70% passando dai 923 $/Kwh agli attuali 268. Una stima di un team di ricercatori, il Bloomberg New Energy Finance (BNEF), colloca il prezzo raggiunto nel 2017 intorno ai 162 $/kWh e proietta un prezzo di 74 $/kWh nel 2030 stimando una riduzione del 19% ad ogni raddoppio della capacità produttiva.

Sulla base di queste stime di costo lo stesso BNEF valuta che la quota di mercato presa dai veicoli elettrici nel 2025 passerà all’8% dei circa 87 milioni di veicoli per poi crescere al 24% dei 102 milioni di veicoli prodotti a livello mondiale nel 2030. È infatti a cavallo del 2025/2026 che il BNEF vede il punto di parità tra il costo medio di un’auto elettrica e di una tradizionale aprendo la strada verso il 43% di copertura nel 2035 a il 54% del 2040.

BNEF ha stimato che in Q1 del 2017 la capacità produttiva di batterie sia stata di 103 GWh mentre nel 2016 la domanda proveniente dai produttori di EV era stata pari a 20 GWh, un quinto della capacità installata. Ma la domanda continuerà a crescere – 123 GWh nel 2020; 408 GWh nel 2025; 1.293 GWh nel 2030 e, essendo la batteria un componente strategico per la produzioni di EV, alcuni produttori, vedi Tesla e Mercedes-Benz, stanno avviando dei propri siti produttivi.

Inoltre, la riduzione del costo delle batterie di più del 70% dal 2009 ad oggi rende le soluzioni di accumulo dell’energia – energy storage – collegate agli impianti fotovoltaici, al fine di compensarne la discontinuità di generazione economicamente giustificabili. Sempre secondo BNEF questo settore richiederà circa 65 GWh nel 2025 per passare poi a 200 GWh nel 2030.

La ricarica senza cavo (wireless charging)

Trasmettere energia senza fili era probabilmente il sogno di Nikola Tesla che, in vita, non è riuscito a tradurre in realtà. Ma se fosse vivo oggi vedrebbe il coronarsi del suo sogno. Nel mondo dei cellulari se ne parla da tempo ma ora, con l’adozione dello standard Qi da parte dei grandi player come Samsung e Apple, e molti altri sulla loro scia, sembra arrivato il momento per vedere decollare questa tecnologia. Lo standard Qi sembra per il momento essere il vincitore ma soffre di un inconveniente: la distanza tra l’unità che trasmette l’energia ed il dispositivo che la deve ricevere deve essere inferiore a 4 centimetri (1,6 inch) e deve essere posizionato correttamente. Inconveniente che ha rallentato l’adozione della tecnologia.

Ma è di questi giorni la notizia che l’americana FCC (Federal Communication Commission) ha approvato una applicazione “power on free space” presentata dalla società Energous e realizzata con chip della Dialog Semiconductor. L’approvazione di Energous segue quella ottenuta dalla Powercast che ha presentato all’ultimo CES un trasmettitore – PowerSpot – da 3W che consente di trasmettere energia fino alla distanza di 80 piedi (circa 2,4 m) a tutti i dispositivi equipaggiati di un “Powerharvester” che converte l’energia ricevuta dalle onde radio in una corrente DC utile per ricaricare il dispositivo.

Trasmissione ad alta tensione in continua: HVDC (High Voltage DC)

L’energia richiede di essere trasportata dal punto in cui è generata a quello in cui viene impiegata e l’incremento dell’uso di energie rinnovabili, siano esse fotovoltaiche o eoliche, sta facilitando l’adozione delle tecnologie HVDC. La trasmissione in DC consente una maggiore efficienza rispetto alla trasmissione tradizionale in AC. Secondo una analisi di Siemens dati 2500 MW da trasportare su 800 km le perdite con una linea tradizionale AC a 400 kV ammonterebbero al 9,4%, la stessa trasmissione in DC a 500 kV ridurrebbe le perdite al 6% e se la trasmissione avvenisse a 800 kV le perdite si ridurrebbero al 2,6%.

Il mercato sembra promettente: le stime parlano di 6,8 miliardi di dollari nel 2016 per raggiungere gli 11,5 miliardi nel 2023 con una crescita media annua del 7,3% e si dovrebbe ampliare per i progetti di wind factory off-shore in via di pianificazione nel nord Europa.