Los semiconductores de potencia desempeñan un papel fundamental en el desarrollo de la movilidad y la energía. Las tendencias tecnológicas en la industria del automóvil y las energías renovables proporcionan crecimiento e impulso tecnológico a la electrónica de potencia, y viceversa. Esto demuestra que se requiere una densidad de potencia y una integración cada vez mayores, mientras que, por otro lado, los requisitos de fiabilidad y vida útil limitan el alcance técnico.
Por mucho que sólo pueda resumirse en el título y la breve introducción, es probable que las afirmaciones que se hacen en este informe levanten más de una ceja: ¿Los semiconductores de potencia son un motor de la producción electrónica? Hay que dar un paso atrás si simplemente se visualiza la situación: En la industria electrónica, el sector de la electrónica de consumo va camino de superar el billón de dólares de facturación mundial en los próximos tres o cuatro años. La electrónica de potencia factura actualmente entre 30.000 y 40.000 millones de dólares en todo el mundo y probablemente habrá duplicado esta cifra en 2030 [1]. El hecho de que la electrónica de potencia no sea un nicho de mercado queda claro si se analiza más detenidamente la comparación entre pera y manzana: el sector de consumo es un mercado de producto final, mientras que la electrónica de potencia es en gran medida un mercado de componentes. Los dispositivos de potencia están integrados en casi todos los productos de electrónica de consumo: basta pensar en las fuentes de alimentación.
Los dispositivos o módulos de potencia se compran y se "diseñan"; por tanto, son elementos de toda la cadena de valor de la electrónica, tienen su valor de compra y, en última instancia, contribuyen proporcionalmente a alcanzar el billón de euros de facturación de la electrónica de consumo mencionado como ejemplo. Exactamente cuál es esta proporción es una cuestión para los que calculan con el proverbial lápiz afilado. Los requisitos de la electrónica de potencia en los segmentos de la automoción y las energías renovables difieren actualmente de este cálculo clásico con componentes, que también están sometidos a una presión de precios constante en una estructura de este tipo. Aquí no se trata de productos estándar, sino de soluciones integradas -por ejemplo, con la ayuda de las llamadas soluciones de señal mixta- y de habilitación tecnológica. Más información a continuación.
Electrónica de potencia made in Europe
En primer lugar, hay otro punto que también levanta al menos una ceja, a saber, la palabra clave "en Europa" en el título. Por un lado -y aquí hay que recorrer un largo camino para llegar al otro-, los fabricantes de semiconductores de potencia tienen una importancia especial en la industria microelectrónica mundial, incluso desde una perspectiva europea. En 2020, sólo alrededor del 10% del número total de microchips fabricados en todo el mundo procedía de la UE, pero si sólo nos fijamos en la producción de componentes de electrónica de potencia, las empresas europeas tienen un peso mucho más importante en todo el mundo; en algunas áreas son incluso líderes.
Sin embargo, si se mira más de cerca, también hay un problema: aunque muchas de estas empresas tienen su sede en Europa, una proporción muy grande no sólo de sus ventas, sino también de su producción, tiene lugar en Asia. Un ejemplo es Infineon, el fabricante europeo de semiconductores número 1, con una facturación de 14.200 millones de euros en 2022: con una cuota de mercado del 26,4%, la empresa volvió a liderar el boom chino de la electromovilidad en el primer semestre de 2022 y vendió allí un 45,8% más de semiconductores de potencia que en el mismo periodo de 2021. Infineon abastece esta demanda principalmente desde sus centros de producción asiáticos.
Sin embargo, también están ocurriendo muchas cosas en Europa en términos de capacidades de producción, sobre todo impulsadas por la Ley Europea de Chips: para 2030, se movilizarán más de 15.000 millones de euros en inversiones públicas y privadas adicionales y un total de más de 43.000 millones de euros en fondos de inversión fluirán hacia la industria de semiconductores. El objetivo es duplicar hasta el 20% la cuota de la producción mundial de chips fabricados en la UE [2]. Una mayor competitividad y resistencia de las tecnologías y aplicaciones de los semiconductores también debería contribuir a que la digitalización y la descarbonización vayan de la mano.
La electrónica de potencia no es un nicho de mercado
La asociación industrial "Silicon Saxony" afirma: "Los semiconductores de potencia que pueden conmutar altas corrientes de forma fiable incluso en condiciones difíciles son importantes para la energía, la movilidad y muchas aplicaciones industriales". Europa los necesita para alcanzar sus ambiciosos objetivos económicos y ecológicos. Llegados a este punto, conviene señalar que Europa no es la única que persigue estos objetivos. En todo el mundo, pero sobre todo en China, el paso de las fuentes de energía anteriores a la electricidad se observa cada vez en más aplicaciones. La creciente electrificación de la movilidad y de las aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) en todo el mundo está impulsando la demanda de electrónica de potencia.
Infineon vuelve a estar a la vanguardia de la ampliación de las capacidades de producción en Europa, con su nueva planta de Villach/Austria y el nuevo proyecto de construcción de Dresde presentado en otoño de 2023, donde se producirán chips de señal mixta y potencia a partir de 2026. Bosch, Renesas y Wolfspeed son otros fabricantes de electrónica de potencia que ya están invirtiendo o planificando nuevas capacidades de producción. En este contexto, el estudio de mercado de Skyquest mencionado en [1] sobre la evolución de las ventas de electrónica de potencia en la década actual (unos 40.000 millones de dólares en 2024, unos 80.000 millones de dólares en 2030) llega a la conclusión de que Europa crecerá en este ámbito de la electrónica en gran medida en consonancia con la tendencia general y con otras regiones del mundo (véase el gráfico de barras).
Previsión de crecimiento de la electrónica de potencia en las distintas regiones del mundo (azul = Asia/Pacífico, rojo = Norteamérica, naranja = Europa, verde = Latinoamérica, morado = África/Oriente Medio)
Amenazas para la localización y los sectores
Lo que nos lleva a la otra cara de la moneda: Mientras que en Europa se observa actualmente un cierto cansancio público con respecto al tema de la electromovilidad, en otras regiones del mundo este tema sigue creciendo de forma dinámica y descontrolada. Surgen preocupaciones sobre lo que esto podría significar para el futuro de la industria automovilística europea. A los fabricantes alemanes, en particular, les está resultando difícil presentar productos que se sigan queriendo en las cantidades necesarias en los mercados pertinentes de todo el mundo. Mientras tanto, en Alemania se habla irresponsablemente mal de la electromovilidad; las líneas argumentales son ilógicas y están alimentadas por desafiantes ilusiones, como deja claro el periodista económico Dirk Specht [3].
Es cierto que la electrónica ya representa una proporción cada vez mayor del valor total de los coches convencionales, y la electrónica de potencia desempeña un papel cada vez más importante. Según un reciente estudio de Roland Berger, el valor medio del componente electrónico de un vehículo es actualmente de 3.000 dólares y se espera que alcance una media de más de 7.000 dólares en 2025 [4]. Sin embargo, esta tendencia podría detenerse bruscamente si Europa deja de participar adecuadamente en el desarrollo y la producción de electromovilidad. La electrificación de la cadena cinemática es la principal causa del crecimiento dinámico de la electrónica de potencia y del mantenimiento de la tendencia señalada por el estudio de Roland Berger. Sin embargo, las aplicaciones lógicas también siguen desarrollándose: el deseo de los compradores de coches eléctricos de contar con "dispositivos inteligentes de conducción" y la tendencia ininterrumpida hacia una mayor autonomía de los vehículos hacen que esta cuota de la electrónica crezca. Ambas tendencias se fusionan aquí y dan lugar a cada vez más aplicaciones de señal mixta.
Más conciencia de la electrónica de potencia
Lo mismo ocurre con la tecnología energética: la generación y la distribución deben ser mucho más flexibles que en el pasado para regular la oferta y la demanda en el mercado de la electricidad. Por ello, los conmutadores de carga, la inteligencia de control y la conexión en red están cada vez más cerca. En la subestación y otros campos de aplicación clásicos de la tecnología energética, estas aplicaciones siguen estando físicamente a distancia. Sin embargo, el espacio desempeña un papel tan importante en las subestaciones o en las aplicaciones domésticas -convertidores fotovoltaicos para tejados, centrales eléctricas de balcón, sistemas domésticos inteligentes o calefacción, ventilación y aire acondicionado con bombas de calor, por citar algunos ejemplos- como en las aplicaciones de automoción. La alimentación y la lógica se acercan cada vez más a nivel de sistema y, en algunos casos, ya a nivel de placa y chip. Y el creciente número de electrodomésticos y herramientas eléctricas inalámbricas también exige más de los módulos que antes. Según el investigador de mercado Mordor Intelligence [1], la electrónica de potencia avanzada puede ahorrar en torno al 50% de la energía que se pierde al convertir los voltajes de la red o la batería en los voltajes utilizados en los dispositivos electrónicos. "Sin embargo, a pesar de la enorme importancia de la electrónica de potencia, también debe aumentar la conciencia de su papel en la sociedad industrial moderna entre el público bien informado".
Aspectos tecnológicos y tendencias
Prof. Dr. Nando KaminskiDespuésdel nitruro de galio (GaN), el carburo de silicio (SiC) se impone cada vez más como nuevo material en la electrónica de potencia. Los semiconductores de potencia de SiC pueden aumentar la eficacia de la conversión de energía, soportar tensiones y corrientes más elevadas y resistir temperaturas de funcionamiento más altas que los componentes convencionales basados en el silicio. Estos semiconductores, denominados de banda prohibida ancha, ofrecen la ventaja de reducir las pérdidas de conmutación y, por tanto, permiten el funcionamiento a frecuencias de conmutación más altas. Además, los componentes magnéticos auxiliares y los filtros pueden diseñarse más pequeños, lo que a su vez contribuye al objetivo de reducir el espacio de instalación. Todos estos factores ofrecen ventajas significativas para fuentes de alimentación, disyuntores en sistemas de energía eólica o solar y convertidores para accionamientos eléctricos en movilidad e industria. No obstante, la presión sobre los desarrolladores continúa. "Los perfiles de misión son cada vez más exigentes", afirma el Prof. Dr. Nando Kaminski, Director del Instituto de Accionamientos Eléctricos, Electrónica de Potencia y Componentes (IALB) de la Universidad de Bremen [7]. Resume las tendencias de la tecnología de montaje y conexión: "Por un lado, los chips se montan directamente en elementos de refrigeración sin soportes -por ejemplo, en Semikron- y, por otro, se omiten las carcasas y el enfoque flip-chip de los sistemas lógicos se traslada también a la electrónica de potencia, por ejemplo". Esto plantea importantes retos a la hora de mantener o incluso mejorar la robustez y fiabilidad de los sistemas. Con estas tendencias, la electrónica de potencia alcanza cada vez más sus límites térmicos, ya que allí donde fluyen corrientes elevadas hay que disipar el calor. También hay que tener en cuenta otros aspectos electrofísicos de las altas corrientes. Por ejemplo, los cables de conexión se utilizan deliberadamente como inductores. Se utilizan para amortiguar. "Las resistencias de paso y otras llamadas "parásitas" desempeñan un papel cada vez más importante en el diseño de sistemas". Los enfoques antes mencionados para ahorrar espacio de instalación y lograr una mayor densidad de potencia también pueden trasladar algunos problemas al mundo de las placas de circuito impreso. Si, por ejemplo, a las pequeñas distancias y los altos voltajes se añaden la humedad y otras condiciones adversas del entorno de aplicación, esto puede significar el fin prematuro de los ensamblajes. Por eso, la colaboración a lo largo de toda la cadena, desde el diseño de chips y sistemas hasta el nivel de montaje, es cada vez más estrecha e intensa.
Según un estudio reciente, el valor medio del componente electrónico de un vehículo asciende actualmente a 3.000 $
y se espera que alcance más de 7.000 $ en 2025.
Conclusión más allá de los aspectos tecnológicos
La electrónica de potencia es una tecnología clave para las regiones industriales eficientes. Actualmente existen riesgos que en principio no tienen nada que ver con la tecnología. La descarbonización es una prioridad mundial, aunque sólo sea por la rentabilidad, que ahora se ha convertido en un motor importante más allá de cualquier motivación ideológica supuesta o real. Las sociedades y las economías que se nieguen a hacerlo o que estén demasiado preocupadas por vías especiales de apertura tecnológica, manifiestamente menos eficientes desde el punto de vista de los costes y de la energía, perderán un impulso vital.
Por cierto, la eficiencia de costes no se traduce necesariamente de forma inmediata en ingresos. Se puede despotricar durante mucho tiempo sobre la destrucción de mercados por parte de China mediante el dumping de precios o sobre el cierre de mercados por parte de EE.UU. con la ley CHIPS & Science Act y otras iniciativas legislativas similares o la acumulación de una enorme deuda nacional con las cuentas individuales. La energía fotovoltaica está llegando hoy al mundo y seguirá haciéndolo con enormes sobrecapacidades procedentes de Asia. Y toda la cadena de valor o tecnológica de la electromovilidad ha sido muy estratégicamente establecida u ocupada por China, y no se trata de dumping de precios. Se puede comparar con las reacciones a Google, Amazon o Tesla. La reacción inicial en Europa, especialmente en Alemania, fue: "Están quemando dinero, eso no puede durar mucho". En la siguiente etapa, hubo muchos lamentos porque estas empresas definieron sectores completamente nuevos y, naturalmente, los han dominado desde entonces. Muchos economistas consideran que el IRA estadounidense es muy inteligente: a grandes rasgos, el apalancamiento de 1:3 convierte la deuda nacional ofensiva en un enorme programa de inversión en el que el sector público sólo soporta una cuarta parte de los costes con el fin de reindustrializar el país en futuras industrias definidas: Los ingresos volverán a fluir inevitablemente en algún momento; me remito de nuevo a los ejemplos de Google, Amazon, Tesla, etc.
Mientras tanto, Alemania se ralentiza hasta estancarse porque es incapaz de diferenciar entre la deuda de los consumidores y las inversiones en infraestructuras con modelos de ingresos orientados al futuro [5]. Queda la esperanza - porque el panorama de la investigación alemana y el Ministerio Federal de Educación e Investigación se mantienen imperturbables en su dedicación al tema de la electrónica de potencia en la electromovilidad [6] - por lo que todavía existe la posibilidad de que las previsiones de tendencias para la electrónica de potencia en Europa y Alemania sigan siendo tan positivas como muestran actualmente los estudios de mercado.
Referencias
[1] https://de.statista.com/outlook/cmo/consumer-electronics/weltweit;https://www.mordorintelligence.com/de/industry-reports/power-electronics-market; https://www.skyquestt.com/report/power-electronics-market (acceso: 23/05/2024).
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Europ%C3%A4isches_Chip-Gesetz (acceso: 23/05/2024).
[3] https://dirkspecht.de/2024/05/eine-e-auto-kampagne-mehr/ (consultado: 23/05/2024).
[4] https://www.rolandberger.com/de/Insights/Publications/Das-Auto-wird-zu-einem-Computer-auf-R%C3%A4dern.html
[5] https://dirkspecht.de/2024/04/auf-groesseren-buehnen-sollte-der-deutsche-finanzminister-besser-schweigen/ (fecha de consulta: 23/05/2024).
[6] https://www.elektronikforschung.de/projekte/hiperform (Recuperado: 23/05/2024).
[7] https://www.uni-bremen.de/ialb (Recuperado: 23/05/2024).
