10 Minutės
Didėjant pasauliniam elektros energijos poreikiui, JAV Energetikos departamento Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija (NREL) pristatė kompaktišką galios modulį, kuris žada iš esamų tiekimų išgauti žymiai daugiau naudojamos energijos. Sukurtas aplink silicio karbido (silicon carbide) puslaidininkius ir inovatyvų formos faktorių, Ultra-Low Inductance Smart power module arba ULIS sujungia aukštą įtampą, didelį srovės režimą ir itin greitą perjungimą į mažą, gamybiškai tinkamą pakuotę.
Išmanesnis būdas išspausti daugiau galios iš turimų tinklų
Elektros energijos poreikis auga sparčiai. Duomenų centrai, aptarnaujantys dirbtinio intelekto apkrovas, elektriniai ir hibridiniai automobiliai bei pažangi pramoninė gamyba yra vieni didžiausių šio augimo variklių. Visiškai naujos energijos gamybos ar perdavimo infrastruktūros statyba, atitinkanti šį augimą, yra brangi ir lėta. Todėl įrenginiai, kurie efektyviau naudoja elektros energiją, gali turėti neproporcingai didelį poveikį energetikos sistemai ir sumažinti poreikį plėsti tinklus.
ULIS sprendžia šią problemą iš naujo apgalvodamas galios konversijos šerdį: modulį, kuris kontroliuoja, kaip elektra teka tarp šaltinio ir apkrovos. Apkrovos vertinimu jis skirtas maždaug 1 200 voltų ir 400 amperų sąlygoms; silicio karbido pagrindu sukurtas modulis pasižymi žymiai didesne energijos tankio ir perjungimo sparties palyginti su ankstesniais sprendimais. Kūrėjai teigia, kad ULIS gali pasiūlyti maždaug penkių kartų daugiau naudojamos energijos tankio nei senesni galios moduliai, užimdama mažiau vietos — savybės, kurios daro jį patrauklų duomenų centrams, elektros tinklui, kompaktiškiems reaktoriams bei sunkiems platformoms, tokioms kaip elektriniai orlaiviai ir karinė technika.
Kodėl svarbi maža parazitinė induktyvė
Viena iš ULIS techninių proveržių yra išskirtinai maža parazitinė induktyvė. Parazitinė induktyvė yra nepageidaujama priešinė jėga greitiems srovės pokyčiams; galios keitikliuose ji riboja perjungimo greitį ir didina energijos nuostolius, šilumos išsiskyrimą bei komponentų apkrovą. Sumažinus parazitinę induktyvę 7–9 kartus, palyginti su dabartiniais pirmaujančiais silicio karbido moduliais, ULIS gali perjunginėti sroves daug greičiau ir su gerokai mažesniais nuostoliais.
Greitesnis perjungimas ir mažesni nuostoliai tiesiogiai reiškia didesnį efektyvumą: ta pati įeinanti elektra duoda daugiau naudingos išvesties. Aukštos galios taikymuose, kur milisekundės ar mikrosekundės yra lemiamos, ULIS gebėjimas itin tiksliai valdyti srovę leidžia keitiklius padaryti mažesnius, lengvesnius ir pigesnius eksploatuoti. Tai gali sumažinti papildomų aušinimo sistemų poreikį, o kartu sumažinti ir investicines bei veiklos išlaidas ilguoju laikotarpiu.
Kaip pažymi Faisal Khan, NREL vyresnysis galios elektronikos tyrėjas ir pagrindinis projekto vadovas, ULIS iš esmės yra „ateičiai paruoštas“ ultragreitas modulis, skirtas padaryti kitą keitiklių kartą tiek prieinamą, tiek kompaktišką. Modulis taip pat nuolatos stebi savo būklę ir gali prognozuoti komponentų gedimus prieš jiems įvykstant — integruota patikimumo diagnostika, ypač vertinga aviacijos ir kariniuose diegimuose.
Iš 3D idėjų į 2D proveržį: inžinerinis pertvarkymas
Dauguma ULIS naujovių kyla iš radikalaus modulio išdėstymo pergalvojimo. Įprasti moduliai įtaiso puslaidininkius į plytos formos pakuotes. NREL komanda atsisakė tokio masyvaus požiūrio ir vietoj to maršrutizavo grandines aplink suplokštintą, aštuonkampį diską. Šis beveik dvimatės išdėstymo sprendimas leidžia talpinti daugiau įrenginių mažesniame plote, tuo pačiu lemiant srovių kelius, kurie atšaukia magnetinį srautą — viena iš priežasčių, kodėl parazitinė induktyvė sumažėja taip dramatiškai.
Kūrimo iteracijos svyravo nuo žiedlapio formos konfigūracijų iki tuščių cilindrų, tačiau gamybos sudėtingumas ir kaštai dažnai verčia komandą koreguotis. Artima plokščia, „pankeko“ architektūra pasirodė esanti optimali: ją lengva gaminti, ją patogu apdirbti plačiai prieinamais įrankiais ir ji pasižymi aukštais elektriniais rodikliais. Komandos nariai Shuofeng Zhao ir Sarwar Islam vadovavo architektūros ir išdėstymo sprendimams, kurie subalansavo grandinių sudėtingumą su gamybinėmis galimybėmis.
Be to, dvikryptis ar plokščias požiūris atveria naujas galimybes terminio valdymo sprendimams: plokštesni profiliai palengvina tiesioginį šilumos atidavimą į radiatorių ar skysčio aušinimo kanalus, mažindami papildomų šilumos laidininkų ir didelių aušintuvų poreikį. Tai ypač svarbu orlaivių ir mobiliosios karinės įrangos taikymuose, kur svoris ir aerodinaminis pasipriešinimas yra kritiniai parametrai.
Medžiagos ir gamyba: lengviau, pigiau ir moduliškai
Už geometrijos ribų, ULIS pakeičia standžias, sunkias substratus lanksčiau sluoksnių sistemai. Ten, kur įprasti moduliai klijuoja vario lakštus prie keramikos pagrindo, ULIS varį sujungia su polimeru pavadinimu Temprion, gaunant plonesnį, lengvesnį branduolį, kuris vis tiek gerai veda srovę ir ištveria aukštą temperatūrą. Slėgio ir šilumos sujungimo metodas suderinamas su paprastesniais dirbtuviniais įrankiais, sumažindamas gamybos kainą nuo tūkstančių iki šimtų dolerių už modulį.
Gamybos inovacijos buvo kertinis akmuo. NREL inžinieriai sukūrė gamybos žingsnius ir įrankius, leidžiančius sudėtingas architektūras apdirbti naudojant esamą laboratorinę įrangą, taip mažinant kaštus ir darant dizainą prieinamą platesniam gamintojų ratui. Praktine prasme tai reiškia, kad modulis, anksčiau galėjęs reikalauti egzotinių procesų, dabar gali būti pagamintas paprastais įrankiais, leidžiančiais greitesnį mastelį ir spartesnį komercinį įsisavinimą.
Gamybos prieinamumas taip pat skatina tiekimo grandinės racionalizavimą: naudojant įprastus CNC ir laminavimo procesus, tiekėjai gali greičiau integruoti modulinio galios elektronikos sprendimus, o tai sumažina pristatymo laikus ir sumažina pradinio kapitalo poreikį gamybos pradžiai.
Belaidis, modulinis ir pasiruošęs ateičiai
ULIS taip pat apima naują žemos delsos belaidį valdymo ir stebėjimo sprendimą, leidžiantį modulį traktuoti kaip atskirą, prijungiamą „plug-and-play“ bloką. Komanda pateikė paraišką patentui dėl šio komunikacijos protokolo, o tai reiškia, kad ULIS galėtų būti integruojamas į sistemas be sunkių valdymo laidų. Pamąstykite apie modulių plytų sluoksniavimą serverių stelaže arba keičiamą keitiklio modulį orlaivio aptarnavimo bloke; belaidis sluoksnis supaprastina tokią logistiką ir gerina sistemos atsparumą gedimams.
Dizainas sąmoningai yra išplečiamas: nors dabartinė iteracija naudoja silicio karbido įrenginius, modulis gali būti išplėstas, kad įtrauktų naujesnius plačiajuosčius (wide-bandgap) puslaidininkius, tokius kaip galio nitridas (gallium nitride, GaN) ir, ilgainiui, galio oksidas (gallium oxide). Toks pritaikomumas padeda užtikrinti modulio ilgaamžiškumą technologijų kaitos kontekste, leidžiant dar didesnius perjungimo dažnius ir didesnį efektyvumą ateityje.
Kur ULIS gali turėti didžiausią poveikį
Keletas realaus pasaulio taikymų gali reikšmingai pasinaudoti ULIS deriniu — tankiu išdėstymu, greitaveika ir patikimumu.
- Tinklų konversijos modernizavimas: Į tinklą tiekiamai energijai dažnai reikia konversijos ir kondicionavimo. ULIS greitas ir efektyvus perjungimas gali padidinti dalį elektros, iš tikrųjų tiekiamos kaip naudojama galia, sumažinti transformatorių dydį ir mažinti ilgalaikes priežiūros išlaidas, veikdama patikimai esant aukštesnėms temperatūroms.
- Kompaktiški elektriniai orlaiviai: Svorio ir aušinimo apribojimai yra didžiausi iššūkiai elektriniams VTOL (vertikalus kilimas ir nusileidimas) orlaiviams ir kitiems pažangiems orlaiviams. Mažesnis, lengvesnis galios keitiklis, kuris gaišina mažiau energijos, gali pagerinti nuotolį ir naudingosios apkrovos gebą be visos pavaros sistemos perdarymo.
- Aukštos intensyvumo impulsinės galios ir sintezė: Kylančios koncepcijos, tokios kaip kompaktiški sintezės įrenginiai ir impulsinės galios sistemos, reikalauja itin mažos induktyvės komponentų, kad valdyti staigius ir intensyvius srovės protrūkius. ULIS žemo nuostolio, kompaktiška architektūra gerai atitinka šį nišinį, bet kritinį reikalavimą.
- Duomenų centrų efektyvumas: Dideli duomenų centrai sunaudoja daug energijos skaičiavimams ir aušinimui. Efektyvesnės galios konversijos pakopos gali sumažinti eksploatavimo kaštus ir anglies pėdsaką, ypač ten, kur DI apkrovos verčia serverius dirbti maksimaliais režimais.
Eksperto įžvalga
Dr. Amanda Reyes, galios elektronikos sistemų inžinierė, konsultuojanti aviacijos integratoriams, pateikė praktinę perspektyvą: 'Tai, kas daro tokį įrenginį kaip ULIS įdomų, nėra vienas rodiklis, o jų kombinacija: aukšta įtampa ir srovės valdymas, ultragreitas perjungimas, mažas induktyvumas ir gamybinis tinkamumas. Galite turėti puikų demonstracinį laboratorinį pavyzdį arba įrenginį, kurį pramonė gali pagaminti mastu. ULIS siekia abiejų. Aviacijos ir karinėms sistemoms integruotos diagnostikos ir modulio lengvumo savybės yra žaidimo keitikliai.'
Ji pridūrė atsargumą: 'Integracija į realų produktą reikalauja papildomų bandymų vibracijos, aukščio ir terminio cikliškumo sąlygomis. Visgi pirminė architektūra atrodo pažadianti greitai įsisavinimui sistemose, kur dydis, svoris ir patikimumas yra kritiniai.'
Mokslinis ir techninis kontekstas ne specialistams
Norint suprasti, kodėl ULIS yra svarbus, verta žinoti keletą pagrindinių dalykų. Galios keitikliai transformuoja elektros energiją iš vienos formos į kitą — keičia įtampą, dažnį arba konvertuoja tarp kintamosios (AC) ir nuolatinės (DC) srovės. Greitis, kuriuo perjungikliai keičia būseną keitikliuose, lemia efektyvumą ir dydį. Greitesnis perjungimas paprastai leidžia mažesnes magnetines dalis ir kondensatorius, bet kartu kelia techninių iššūkių, tokių kaip įtampos peršokimai ir elektromagnetinis trikdymas. Parazitinė induktyvė didina šiuos iššūkius.
Plačiajuosčiai puslaidininkiai, tokie kaip silicio karbidas (SiC) ir galio nitridas (GaN), toleruoja aukštesnes įtampas, aukštesnes temperatūras ir perjungia greičiau nei tradicinis silicis. Šių įrenginių poravimas su itin mažos induktyvės išdėstymu ir architektūra, optimizuota gamybai, atrakina našumo lygius, anksčiau prieinamus tik brangiems, specializuotiems sprendimams.
Trumpai: medžiagos leidžia stumti našumą į priekį, išdėstymas užkerta kelią tam, kad šie padidinimai būtų suvalgomi parazitinių efektų, o gamybos pasirinkimai lemia, ar pramonė gali iš tikrųjų pagaminti modulius dideliu mastu už priimtiną kainą.
Kiti žingsniai ir ateities perspektyvos
NREL jau sukūrė ir išbandė ULIS prototipus savo laboratorijose ir juda link demonstracijų reprezentatyviose aplinkose. Darbotvarkėje numatyti platesni patikimumo bandymai, integracija su partnerių galios keitikliais ir gamybos metodų mastelio didinimas komerciniam tiekimui. Jei šie žingsniai vyks sklandžiai, ULIS arba ULIS įkvėptos konstrukcijos gali pasirodyti naujos kartos serveriuose, elektrinių orlaivių prototipuose ir tinklo keitikliuose per keletą metų.
Plačiau žiūrint, ULIS iniciatyva rodo praktišką kelią mažinti atotrūkį tarp kylantį elektros poreikio ir esamos pristatymo infrastruktūros: gerinti konversijos efektyvumą, sumažinti galios elektroniką ir padaryti šiuos pagerinimus prieinamus bei gamybiškus. Toks derinys gali būti ne toks akivaizdus kaip naujos elektrinės statyba, bet gali duoti akivaizdžias ir greitas naudas daugelyje sektorių, kurie kartu suvartoja dideles pasaulio elektros dalis.
Kur ULIS pasirodys pirmiausia? Tikėtina, kad bandymai prasidės aukštos vertės ir didelės apkrovos taikymuose, tokiuose kaip aviacija ir gynyba, o vėliau — pilotiniai diegimai duomenų centruose ir tinklo krašto (grid-edge) sistemose. Iš ten kaštų mažėjimas ir gamybos mastelio didėjimas gali lemti platesnį priėmimą transporto ir pramoninių variklių srityse — sektoriuose, kur net keli procentiniai efektyvumo pagerėjimai reiškia dideles ekonomines ir emisijų naudas.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą