Perfiles de la electrónica de potencia: el ingeniero de Hardware

Por qué el hardware es interesante

Dedicarse a la electrónica de potencia en la era de la IA es como fabricar pinceles en el Renacimiento. Con nuestros convertidores y fuentes de alimentación le daremos a la Inteligencia Artificial la energía que necesita, como ya se la damos a tantas cosas para que otros hagan sus obras de arte. Dentro de la electrónica de potencia, el control y el firmware cada vez son más protagonistas y sofisticados, de modo que eso del hardware puede parecer poco creativo. Parece lo último de lo último, ¿no?

Sin embargo, el hardware de potencia también es muy interesante. Pero no porque la tecnología avance en su campo, que también, sino sobre todo porque el ingeniero de Hardware está en contacto directo con la realidad, que es más creativa que el mejor artista. La electrónica casi nunca es muy difícil, pero siempre es compleja, porque involucra muchos componentes y variables, que encima se comunican y monitorizan. Además, en la electrónica de potencia resulta más difícil modularizar, es decir, crear etapas totalmente independientes y desacopladas entre sí. Podrían afectarse las unas a las otras: calentarse, provocarse interferencias, sobrecargas, modos de fallo difíciles de prever, o no dejarse espacio, incluso tocarse y derivarse o dañar su integridad mecánica durante un cortocircuito o por una mala instalación. Así que, ya sólo por mera combinatoria, hay muchas formas de que tu electrónica de potencia funcione mal. Y la realidad, no lo dudes, siempre es consciente de todas ellas.

En cada proyecto va a escoger algunas, las más instructivas, para demostrarte que no sabes diseñar. La gracia de la validación de un convertidor consiste entonces en reconocerlo a tiempo y corregirlas. Por eso, el diseñador de hardware aprende mucho más de las cosas inesperadas que le pasan en el laboratorio y en campo que del mejor artículo de investigación o el último modelo de semiconductor. Que un convertidor salga bueno depende del trabajo que le ponga, pero también de esa actitud y de las bondades del azar, igual que sucede con una gran obra de arte. Porque, sinceramente, muchas veces los de hardware no tenemos ni idea de por qué nuestro hardware funciona. Solemos ver multitud de formas de que no lo hiciera, sólo que por suerte no se materializan. Los demás os asustaríais si supierais la cantidad de cosas que se nos escapan, las soluciones que improvisamos y las que se nos ocurren por casualidad o a partir de un error.

Supongo que a los pintores les pasa lo mismo, y lo que al final parece una genialidad empieza siendo un borrón, que luego el paisaje ayuda a corregir. El trabajo de un ingeniero de diseño nunca es de sota, caballo y rey, pero supongo que algunos se pueden fiar un poco más de normativas, guías de diseño y modelos teóricos de cálculo y simulación. Son como un pintor de jardines ingleses, realistas pero pacíficos. El electrónico de potencia pinta junglas: lo de menos es el cuadro, lo primero el leopardo que tiene a dos metros. El error de diseño, vamos.

Siempre acechan muchos, pero no se puede quejar porque la realidad casi nunca es tan cruel: suele mover un poco las hojas para que se dé cuenta, si está atento. Hace años, un diseñador curtido en mil batallas me dijo algo que se me quedó grabado: cuando en tu prototipo veas alguna anomalía que no sepas identificar, para y aprovecha para estudiarla; si dejas pasar esa oportunidad, aparecerá más adelante…cuando tengas muchas unidades en campo. Por eso, en electrónica de potencia el ingeniero tiene que estar alerta y pasar muchas horas probando el convertidor que está desarrollando. Debería acampar al lado, en el banco de pruebas.  

Un ingeniero de Firmware que haya trabajado con los mismos micros desde hace 30 años no lo tendría fácil para adaptarse a las últimas plataformas de control. Un diseñador de electrónica digital de los 90 también las pasaría canutas hasta poder desarrollar buses de alta velocidad como los actuales. Sin embargo, a un ingeniero de Hardware de Potencia desfasado le costaría comparativamente menos pasar de diseñar con tiristores a hacerlo con los últimos semiconductores. Hay más garantías de que consiga adaptarse y hacerlo igual de bien. Del mismo modo, el diseñador del cargador de tu móvil podría pasarse a desarrollar convertidores de megavatios, o al revés. No estará al día ni de los componentes y su física, ni de las topologías, soluciones y criterios típicos de diseño, ni de la instrumentación, ni de la aplicación final y sus trampas. Tendrá mucho que aprender, y no podría liderar un diseño nuevo hasta después de años, pero lo más importante ya lo poseería: la costumbre de lidiar con la realidad física y sus ocurrencias. La física cambia con la escala, pero sus manías no.

El martillo no trabaja por el herrero

Por otra parte, uno de los peligros de la tecnología es que nos ponga las cosas demasiado fáciles. Que las herramientas nos hagan el trabajo, piensen por nosotros y nos conformemos, creyendo que todo funciona cuando no lo hace. Por algún motivo, en electrónica de potencia eso no ocurre. Lo normal es que las medidas te salgan mal, o que tengas motivos para dudar de ellas. A los modelos de simulación siempre les falta algo, más aún si pretendes que te lo resuelvan todo en un problema de hardware. Y el método de cálculo más importante es la regla de tres. Al final, los cálculos sofisticados y las simulaciones sean tipo Simulink, Spice / PLECS, o FEM, valen en primer lugar para alimentar la intuición, que es lo que luego usamos para dar por buenos sus resultados. Esas simulaciones y cálculos se hacen con modelos simplificados del sistema real, pero es que para simplificar la realidad hay que entenderla intuitivamente. Ninguna herramienta va a ahorrarte ese esfuerzo, que es iterativo:

Cuando pasamos al prototipo es para añadir las medidas al bucle e iterar de nuevo: medidas > intuición > cálculo > simulación > rediseño > medidas > …

De hecho, si el prototipo funciona bien a la primera, es mala señal. Eso es que no has mirado lo suficiente, y fallará más adelante, cuando haya muchos equipos desplegados en campo.

Otro feedback de la realidad: el ego pisoteado

Todo el que se dedica a la ingeniería comete errores y sufre reveses. Pero, frente a otras áreas, la electrónica de potencia tiene algo muy especial: te lleva la contraria más rápido. Además, lo suele hacer en voz alta y en público. Igual que en el resto de la electrónica, es comparativamente sencillo hacerte un montaje para comprobar muchas de tus ideas. De hecho, puedes aprender en casa con proyectos económicos y variados. Pero en potencia, si te has equivocado algo va a hacer cosas muy raras, quemarse o incluso pegar un petardazo. Desde luego no suele ser tan grave como que se te caiga un puente, pero todo el mundo se va a enterar. A diario, la electrónica de potencia te deja claro que no eres tan listo como pensabas. Es un feedback implacable que te llega continuamente. Pero justo eso es lo que te mantiene despierto, intentando mejorar lo que hiciste mal… en cuanto se te pasa el disgusto. Es un filtro estupendo para el ego desmedido. Tal vez por eso en la profesión conozco poca gente difícil, vamos a llamarla. 

En los momentos en los que aparecen errores de diseño graves en un proyecto, contar con buenos compañeros es crucial para recibir apoyo y resolver la situación. Te van a importar muy poco las tonterías tales como quedar mal por haberte equivocado, o no tener razón, o que tus compañeros te sugieran soluciones mejores que la tuya. Además, unas veces te ayudarán a ti, pero otras tú a ellos. En lugar de verlos como una amenaza, acabas agradeciendo trabajar con gente cuanto más competente, mejor.

La trampa de los detalles

En una empresa todos tenemos ideas y proveedores, empezando por el de las sillas o los cuadernos. Tenemos que prestar atención a los detalles, y cometemos errores, a veces con consecuencias sin calcular. El diseñador de un convertidor se tiene que involucrar mucho con los suyos, porque la electrónica exige atención a los pormenores. Un componente muy pequeño puede echar abajo todo un equipo y la instalación que alimenta. El diseñador de potencia es como el responsable de una empresa en la que se cuida mucho cada detalle. Al final, todo funciona bien gracias a ese ingrediente inexplicable que aparece cuando, entre todos, se hacen las cosas con dedicación.

Sin embargo, como me enseñó un gran maestro industrial, lo mejor es enemigo de lo bueno. Para hacer el mejor equipo hay que dar pasos cortos y realistas. De hecho, sólo llegará después de años de proyectos y versiones. Por eso, el ingeniero de hardware tiene que saber renunciar a la perfección continuamente. Siempre puede seguir dándole vueltas a cada detalle, y siempre existirá alguna otra opción todavía mejor, pero tiene que tomar decisiones de diseño y avanzar. Es mejor una idea regular bien implementada que una idea buena implementada regular. Por eso tiene que destinar tantas horas del tiempo disponible a hacer pruebas y pulir los errores que importan, desde los evidentes hasta los que se esconden. Pero no se puede empeñar en corregir todos los errores que se pueda imaginar: tiene que intuir cuáles van a aparecer en la realidad, prestar atención porque aparecerán otros, y no perseguir el resto. Si las hojas se mueven suele haber un leopardo, pero las hojas no siempre se han movido, aunque nos lo pareciera.

Tampoco puede empeñarse en imponer sus ideas, por buenas que sean, ni en entender hasta la última sutileza, como el efecto físico de turno tan curioso, pero nada relevante para la aplicación o la topología. La electrónica se diseña con cajas negras, pero en electrónica de potencia las cajas son grises, y no se puede perder un tiempo que no se tiene tratando de aclararlas todas.

Muchas veces la idea, el diseño y los componentes son estupendos, pero sencillamente no valen porque no se han pulido. Otras veces ninguna de las tres cosas es nada sobresaliente, y sin embargo resuelven la papeleta. Funcionan aceptablemente para su propósito, porque de partida no eran una genialidad, pero los errores importantes se han corregido y el resto no dan problemas. No siempre sabemos del todo por qué hay fallos de diseño que luego nunca aparecen. No se puede calcular, como mucho tomar nota. Por algún motivo, con el hardware ocurre lo mismo que con las personas y las organizaciones: un diseño no funciona bien cuando no tiene errores, sino cuando ha recibido suficiente cariño.

Aprendiz de todo, maestro de nada

En electrónica de potencia, el diseñador de hardware es ante todo un ignorante alerta. Alerta por si las hojas se mueven, ya lo hemos dicho. Pero también ignorante, porque tiene que saber un poco sobre muchas cosas, lo suficiente como para estar al día y escuchar a los expertos en cada una. Su trabajo consiste en usar unos conocimientos limitados para trabajar con cada proveedor de componentes, explicarles a sus especialistas lo que necesita, y darse cuenta de si han entendido mal o incluso se equivocan. El conocimiento ni lo es todo ni es un fin en sí mismo, pero como si lo fuera. El diseñador tiene que querer saberlo todo.

Voy a hacer una lista de conocimientos:  

– Semiconductores de potencia y drivers

– Componentes pasivos de potencia: inductancias, transformadores, condensadores, resistencias…

– Tarjetería y electrónica analógica, industrial y digital

– Sensores de tensión, corriente, temperatura, presión…

– Diseño eléctrico: protecciones, aparamenta, cables y pletinas, paneles y armarios eléctricos…

– Compatibilidad Electromagnética

– Acondicionamiento térmico y climático

– Diseño del layout mecánico

– Análisis de fallos

– Trabajo de laboratorio, instrumentación de medida y herramientas.

– “Cultura general” técnica y científica: máquinas, instalaciones y redes eléctricas, sistemas de control, baterías, RF, industrialización, nociones de firmware, física, química…

 – Aplicaciones de la electrónica de potencia: equipos y parques fotovoltaicos, eólicos, automoción, ferrocarril…

De todos los conocimientos de la lista, ninguno está de más para el ingeniero de hardware de electrónica de potencia. Todos los días va a ir saltando de unos a otros, y le va a tocar estudiarse muchos de nuevo para recordarlos, ponerse al día o no hacer demasiado el ridículo. Lo bueno es que la curva de aprendizaje es exponencial: al principio con poco esfuerzo aprendes o recuerdas mucho, a menos que se te dé mal o no encuentres la información. Pero a partir de un nivel en una materia es cuando empiezas a relacionar las ideas dentro de ella, y entonces arranca otra curva, la de una comprensión más profunda. Hasta ese momento en realidad sólo habías repetido como un loro las ideas que te contaban, creyendo entenderlas. Lamentablemente, para el pobre ingeniero de Hardware todo suele quedarse en la fase de flirteo: puede disfrutar de la primera curva, pero casi nunca sube por la segunda.   Sin embargo, para dedicarse al hardware es imprescindible que, además de saber un poco sobre cada una de esas áreas, al menos una de ellas se le dé muy bien, aunque nunca vaya a saber tanto como los especialistas. El motivo, claro, es que ellos no son de su empresa, y no pueden hacerle todo el trabajo. De hecho, como ya hemos dicho el suyo consiste en relacionar bien áreas diferentes para que todo encaje en el diseño final.

Perfiles variopintos

El problema de lo anterior es que resulta obviamente imposible ser muy bueno en todo. Por eso, dentro de una empresa de desarrollo de convertidores tiene que haber otros diseñadores de hardware a los que justo se les den muy bien las áreas en las que uno flojea. Además, ya hemos hablado de la importancia de tener muchos ojos dedicados a detectar errores durante un desarrollo. Esos ojos van a ser de hardware, pero también de validación, de control o cualquier otra especialidad. En electrónica de potencia, «sinergia» y “diversidad” no son sólo palabras bonitas: igual que el saber suma, también lo hace el trabajo con personas de distintos perfiles, habilidades y experiencias. Suma cuando menos te lo esperas, incluso sin darte cuenta. Muchas ideas aparecen por imitación inconsciente de algo que alguien te contó o que has visto en otro sitio, en algún cacharro que a lo mejor ni siquiera tenía que ver con un convertidor. El lugar más importante de una empresa de ingeniería es la máquina de café, y si es de potencia, más todavía. A su alrededor se escuchan debates y anécdotas técnicas y personales con la casuística más variada. Esto sucede porque los intereses profesionales y personales de los diseñadores suelen ser muy variopintos. Dentro de los de hardware yo los he conocido con todo tipo de aficiones y formas de ser:

– Uno hacía aeromodelismo y siempre llevaba un helicóptero en el maletero.

– Otro trasteaba con el coche y le hacía tuning.

– Otro hizo un globo aerostático del que nunca más se supo después de lanzarlo.

– Unos son muy académicos, otros nunca leen un paper.

– Cuando estudiaban, unos eran muy empollones y otros aprobaban raspado.

– Yo he trabajado con dos ingenieros de hardware que primero hicieron FP y más adelante fueron a la universidad. Eso les daba muchas tablas.

– Algunos somos muy «de ciencias» y necesitamos entenderlo todo. Otros son muy ingenieriles: saben cuál la solución hacia la que tenemos que ir incluso sin entenderla al detalle.

– Algunos pensamos en abstracto o vemos mejor “lo invisible»: los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos, las corrientes parásitas, tal vez las presiones en un circuito de refrigeración, o hacia dónde van el aire y el calor… Otros son buenos con «lo visible»: intuyen bien dónde poner cada componente dentro del convertidor, o cómo integrar éste en el sistema final.

– Sepan más o sepan menos, sean conscientes o no, a todos les encanta la física. La electrónica de potencia es hacer tuning con la física y verla en acción delante tus ojos.

– Unos dan toda la pinta de «frikis», otros parecen personas normales. 

– Todos hemos oído eso de «hay que saber o tener el teléfono del que sabe». En electrónica de potencia todos tenemos los teléfonos.  

– Unos conocen muy bien para qué vale el convertidor que están haciendo, otros sólo se fijan en sus tripas. Todos se lo pasan igual de bien.

– Los hay muy manitas y los hay muy manazas, pero a todos les encanta cacharrear en el trabajo. A algunos también en casa. Da igual que no consiga arreglarla: para el ingeniero de hardware una lavadora rota es una oportunidad. El lunes irá al trabajo sucio y empapado, pero con más culturilla técnica.

– A pesar de todo, el ingeniero de hardware es un poco divo. Allá se las apañen luego los diseñadores mecánicos para ubicar sus componentes y los del firmware para programar sus ocurrencias.  

Entre los diseñadores es muy importante llevarse bien, para compartir lo que sabe cada uno, cederle la prioridad a quien más conviene para el proyecto, y para no empeñarte en imponer esa idea genial que se te ha ocurrido a ti pero que, lo siento, no va a funcionar. Por eso, montar un buen equipo de desarrollo de convertidores es difícil, y no sólo por la escasez actual de perfiles profesionales en cada especialidad de la electrónica de potencia. Es todo un reto para Recursos Humanos, que tiene que lidiar con tipos a cuál más diferente. No pueden ser todos iguales, ni en habilidades ni en forma de ser. Eso sería un desastre. Es como reclutar para un barco pirata: unos tienen que apañarse con la espada y otros con las velas. Y que ninguno salga corriendo con el botín.

Todo el mundo es el cliente

El hardware sólo es el comienzo: la potencia sin control no vale de nada, rezaba hace años un anuncio de neumáticos. Para alcanzar las prestaciones requeridas, el hardware se diseña alrededor de lo que el control quiere conseguir, y el control alrededor de lo que el hardware puede soportar. Además, es necesario el trabajo con todos los demás equipos de desarrollo: Firmware, Diseño mecánico, Validación… El jefe de proyecto de un convertidor, que suele haber sido diseñador de hardware, necesita mucho criterio para que el proyecto avance y que, al mismo tiempo, cada grupo de especialistas pueda pulir su trabajo.

Muchas veces tendrá que fiarse de ellos y permitir que le destinen un tiempo escaso a aclarar anomalías o descartar posibles errores que intuyen pero que a veces resultan no ser reales. Para los de hardware, además de para los diseñadores mecánicos, ayudar a la gente de Industrialización resulta crucial. Suponen casi otra especialidad por derecho propio. Y la fábrica tiene que ser un segundo hogar para hardware después del laboratorio, porque un diseño que no se pueda fabricar y probar en serie con facilidad y eficacia ni siquiera debería existir.

También tendrá que trabajar mucho con Compras para conseguir los costes y evitar problemas de suministro. Para el diseñador de hardware todo el mundo es su cliente. Así se lo tiene que tomar. Pero, sobre todo, ha de tener claro quién es el cliente final. No es el jefe de proyecto. Ni siquiera es el que paga. El cliente final es el técnico de campo que va a tener que ir a las 3 de la mañana de un sábado a mirar por qué tu convertidor se ha parado. El ingeniero de Hardware tiene que escuchar al técnico de campo más que a nadie en el mundo, porque está todavía más en contacto con la realidad. La sufre en sus carnes.  

Merece la pena

Si te dedicas a la electrónica de potencia vas a trabajar con gente muy entusiasta y la medida justa de ego. Tendrás la impresión de que en otras áreas de la tecnología otros hacen cosas más sofisticadas que tú, pero tú estarás más cerca que ellos de la mejor maestra, la realidad. Y no dejarás de aprender. Pero te lo recuerdo otra vez: si eres de hardware, no es tan bonito como suena. Nunca serás un experto en nada, y lo sabrás. Para más inri, al día siguiente se te habrá olvidado lo que aprendiste el anterior, porque estarás con otra cosa distinta. No te preocupes, mañana volverás a disfrutar aprendiendo lo mismo otra vez. Y entonces se te ocurrirá una idea nueva. Ésa será la que marque la diferencia.