Først blev radiorør skiftet ud med transistorer, som derefter forsvandt ind i de integrerede kredsløb og chips. Den rejse vil effektelektronik nu også tage, og derfor er forskere ved Aalborg Universitet og Syddansk Universitet gået sammen med danske industrivirksomheder som Danfoss Drives, Vestas og Grundfos i projektet Apett (Advanced Power Electronic Technology and Tools).
Effektelektronik er i stand til at styre og konvertere strøm og spænding, så energien kan anvendes effektivt. Grundlæggende består effektelektronik af halvledere, styringselektronik og en række spoler og kondensatorer, der filtrerer og udglatter den genererede strøm og spænding. Styringskredsløbet tænder og slukker halvlederne i en bestemt rækkefølge og kan derved opbygge strøm og spænding med den rette form til formålet – altså både AC og DC. Effektelektronik bruges for eksempel til drift af elmotorer, strømforsyninger, DC-højspændingskabler og vindmøller.Styr på strøm og spænding
Det er virksomheder, der har brug for at trække meget store effekter ud af vindmøllerne eller skal styre motorer og pumper, så energitabet bliver så lille som muligt.
Allerede i dag kan man købe kredsløb, hvor styring og effektelektronik er bygget sammen, forklarer viceprojektleder Stig Munk-Nielsen, der er professor på Institut for Energiteknik på Aalborg Universitet. Men i det nye projekt vil man kaste sig over nogle af de nye materialer, som er begyndt at dukke op i effektelektroniske komponenter. Det drejer sig især om siliciumkarbid-transistorer, der tilhører kategorien WBG (Wide-Bandgap Semiconductors):
»Vi har simpelthen fået nogle nye halvledere, hvor varmeudviklingen er meget lavere end med de traditionelle siliciumtransistorer. Det betyder også, at vi kan sætte både spændingen og frekvensen op i kredsløbene, hvilket giver uset mulighed for integration også for de spændingsniveauer, vi arbejder med,« siger han.
Men når forskerne sætter spændingen til flere kV, og tænd/sluk-frekvensen øges fra nogle få kHz til MHz-området, så opstår der nogle nye fysiske forhold, som endnu ikke er ordentligt undersøgt:
Artiklen fortsætter efter grafikken
»Vi må pakke WBG-transistorer ind på en helt ny måde for at kunne holde varmetabet nede, og afstandene skal være mindre, for ellers begynder uønskede parasitegenskaber at dominere, og visionen om høje frekvenser går tabt,« siger han.
En af fordelene er, at med de højere frekvenser vil det også være muligt rent fysisk at bruge mindre spoler og kondensatorer, som er helt nødvendige, for at filtre kan udglatte harmoniske overtoner. Omvendt begynder komponenterne nærmest at opføre sig som små radiosendere, og det kan give en masse støj andre steder i elektronikken, som kan gå ud over stabilitet og pålidelighed.
Digital tvilling
Netop pålidelighed har fået et særligt afsnit i projektet, og det skyldes, at de gamle værktøjer, som primært var baseret på statistik, ikke længere er tilstrækkelige. I stedet gælder det om at kunne overføre de fysiske forhold direkte til digitale modeller, som så bliver udsat for en enorm mængde testdata, forklarer professor Frede Blaabjerg:
»I stedet for den statistiske verden kan vi nu gå direkte ind og forstå den fysiske verden via vores modeller. Det betyder, at vi meget mere præcist kan gå ind og sige, hvor og hvorfor den enkelte komponent fejlede, eller forudsige, hvornår en fejl vil opstå, hvis apparatet udsættes for en bestemt belastning. Det bliver en slag digital version af forcerede tests,« siger han og forklarer, at teknikken kan bruges både i design-, test- og brugsfasen.
Næste skridt – men det ligger nogle år ud i fremtiden – vil være at bruge machine learning og kunstig intelligens til at analysere de mange data, som dagligt hentes hjem af for eksempel vindmølleproducenterne:
»Men jeg er sikker på, at de algoritmer, vi arbejder med, på et tidspunkt også vil bestå af machine learning,« siger Frede Blaabjerg.
Danfoss får hjemmebanefordel
Stig Munk-Nielsen, Frede Blaabjerg og deres kollegers drøm er, at deres ideer om at pakke det hele sammen på en ny og mere effektiv måde, kan sætte standarden for, hvordan effektelektronik skal opbygges:
»Vi ved at amerikanske og europæiske virksomheder har været i gang i flere år, men vi tror, at vi med vores løsninger er så gode, at andre ude i verden vil gribe dem og arbejde videre på dem,« siger Stig Munk-Nielsen.
Det er Jakob Fredsted enig i. Han er Senior Vice President, Global R&D, hos Danfoss Drives i Gråsten. Danfoss har over årtier opbygget en global forretning inden for motorstyringer i området fra 0,5 kW og op til 6 MW, og her er effektiv effektelektronik fuldstændig afgørende.
Og selv om software betyder mere og mere i forhold til kunderne, så er han ikke i tvivl om, at det også gælder om at have den rette hardware:
»Hvis vi kan gøre powermodulerne mere effektive og reducere tabene, så kan vi lave vores motorstyringer mindre og i sidste ende integrere dem i selve motoren. Men der er mange tekniske udfordringer i den udvikling og det samarbejde, vi nu går ind i, og derfor vil nogle af løsningerne først kunne ses i vores produkter om flere år,« siger han.
Foruden de nævnte virksomheder deltager Danfysik, Horsodan, KK Wind Solutions og SDU også i projektet, som løber over tre år og er støttet af Innovationsfonden med 35 mio. kroner.
