Forskere vil sætte effekt-elektronikken på skrump

Illustration: MI Grafik

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).

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

Illustration: MI Grafik

»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.

Emner : El
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Det drejer sig især om siliciumkarbid-transistorer, der tilhører kategorien WBG (Wide-Bandgap Semiconductors)

Siliciumkarbid er virkelig en halvleder, der vil noget - også i atomkraftværker og i rummet. SiC-komponenter kan arbejde selvom chippen er rødglødende; 650°C (men dagens tilledninger bukker desværre under):

25 August, 2004, BBC News: Door open for silicon replacement: Citat: "... Previous research has already shown that even at red-hot temperatures as high as 650C (1,202F), silicon carbide devices can function unperturbed and without the need for cooling. ... One exciting application for silicon carbide could be in deep-space missions, where nuclear power would be needed for the craft. Radiation-hardened silicon carbide devices would reduce the shielding needed to protect reactor control electronics. ..."

Oct 28, 2011, powerelectronics.com: SiC “Super” Junction Transistors Deliver High Temp Performance: Citat: "...GeneSiC’s SiC-based 1200 V/220 mΩ Super Junction Transistors (SJTs) feature high temperature (> 300 °C) operation capability, ultra-fast switching transitions (< 15 ns)...The leakage current in the SJT at VDS = 1200 V is below 5 µA up to temperatures as high as 225 °C. Leakage currents of < 100 µA were measured even at 325 °C..."

På trods af SiC-Schottky-dioders større ledespændingsfald, er de mere effektive ved høje spændinger, grundet deres lave lækstrøm og at de er ultrahurtige:

Mar 1, 2003, Power Electronics: SiC Schottky Diodes Improve Boost Converter Performance, (pdf): Citat: "...The switchmode power supply (SMPS) accounts for more than 10% of the total system weight in a typical portable computer...Replacing a conventional ultra-fast Si diode with an SiC Schottky diode at 140 kHz (point 1) reduces the total power loss by 8.7W at 400W output power (about 2% more efficiency)..."

  • 4
  • 4

Hvem vandt og med hvilket design?: Citat: "... Impressively, the winning team exceeded the power density goal for the competition by a factor of 3, which is more than 10 times more compact than commercially available inverters! ..."

CE+T Power has won the Google & IEEE Little Box Challenge, a contest for the tiniest inverter!

youtube.com: CE+T Power - the Little Box Challenge adventure, LiTTLE BOX winner uses GaN FETs to get super-high power density.

26. jul 2014, ing.dk: Google vil give en million dollar til opfinderen af en lille vekselretter: Citat fra kommentarer (forslag): "... 80kr DIODE SCHOTTKY 1.2KV 36A TO247 No Recovery Time > 500mA (Io) [!] http://www.digikey.dk/product-detail/en/AP... http://www.microsemi.com/document-portal/d... ... Én switch-vekselretter

Hvor simpelt kan man lave en vekselretter?

Her er en én switch vekselretter udgave - men den har udover en switch også to parallelt koblede reverse-blocking-switche tættere på udgangen, der fungerer som aktiv-ensrettere - se diagrammet på side 2:

A Synchronous Single Switch Inverter - Purdue School of (backup): Citat: "... Four modes of operation were detected in creation of negative and positive polarity voltages. ... Not only did the bench test work, it lead to the discovery of several other circuits and controllers for high-power inverters with lower switching loss, higher voltage performance and lighter reconfigured circuits.

Therefore, as the number of high frequency switching devices is decreased, the efficiency is increased. For instance, a 90% efficient [H-bro] converter becomes 97.2% efficient. ... CONCLUSION A new power inverter circuit was introduced that required only one high frequency switching transistor. The inverter used a synchronizing structure to change the voltage polarity on demand. Therefore, real time generation of infinite voltage levels was realized. The state space equations demonstrated a forth order system. ..."

Indiana University. (2012, October 17). New class of power inverter could mean cheaper, faster hybrid vehicles. ScienceDaily: Citat: "... Izadian's invention, the result of a creative reconfiguration of an electrical circuit during a laboratory experiment, would make inverters cheaper, lighter and therefore more efficient than current models. ... For example, unwanted harmonics are greatly reduced with Izadian's invention. ..."

..."

  • 0
  • 5

Selv jeg har hørt om SiC for mange år siden. Hvorfor har det pludselig fået denne nye interesse? Den gang blev det også opfattet som Hot Stuff. :-)

  • 0
  • 0

Selv jeg har hørt om SiC for mange år siden. Hvorfor har det pludselig fået denne nye interesse? Den gang blev det også opfattet som Hot Stuff. :-)

Hej Svend

Formentlig fordi de har været kommercielt tilgængelige i flere år. De har nu (derfor?) konkurrencedygtige priser. I starten kostede de vist 1000kr/stk og kunne kun fås i ekstra højtemperatur huse. I dag kan de fås i standard huse til fx 29kr/stk og kan derfor konkurrere med IGBT. De og GaN kan også fås som "rå" mikrochips (die). Gæt: Elektronikdesignere er måske lidt konservative grundet testning og godkendelse med splinternye langtidsutestede komponenter og muligvis topologier :-)

5kV/200ns Pulsed Power Switch based on a SiC-JFET Super Cascode: Citat: "... V. CONCLUSION In this paper the basic operating principle of a Super Cascode based on 1.5kV SiC JFETs and a low voltage Si-MOSFET is presented. There, also the requirement for additional gate-source resistors/capacitors for guaranteeing a stable voltage distribution and damping internal oscillations is explained. For evaluating the switching performance of the Super Cascode measurements for resistive load with a pulse voltage of 5kV and a load current of 5A have been performed. The rise time of the switch voltage is 200ns, which is caused by the relatively low load current charging the parasitic capacitors. The 90%-10% fall time is 190ns determined by internal RC charging processes. Means to decrease the fall time are part of the ongoing research. For comparison also measurements for a 4.5kV IGBT with a low inductive package are presented. With the IGBT the rise time is 41ns and the fall time 126ns. However, it takes approximately 400ns until the IGBT is fully turned on and the conductivity modulation is finished. Compared to the IGBT the turn off losses of the JFET are very low (ZVS switching) due the tail current. ..."

29kr SiCFET N-Channel, Silicon Carbide 1200V (1.2kV) 10A (Tc) 585 mOhm @ 3A, 18V[gs] Reverse transfer capacitance 4pF, Datablad.

Silicon Carbide (SiC) JFETs: http://www.micross.com/bare-die-SiC-discre... Citat: "... Normally-off JFET wafers are in development and also made to custom order. * 1200V, 50mΩ, Normally Off (release 2013) ..."

SiC J-FET (helt on @ 3 Vgs) 1700V, Ron=0,55ohm.

-

May 14, 2012, electronicdesign.com: Cascode Configured GaN Switch Enables Faster Switching Frequencies And Lower Losses.

September 01, 2005, edn.com: Cascode MOSFET increases boost regulator's input- and output-voltage ranges.

-

Hvordan dælen kan kaskodekoblingen patenteres i 2001-2002:

US6483369: Composite mosfet cascode switches for power converters.

-

Hvordan sammenlignes switches - uanset om det er Si-MOSFET, GaN-MOSFET, SiC-MOSFET og kaskodekoblinger?:

Sep 1, 2010, powerelectronics.com: eGaN(tm)-Silicon Power Shoot-Out: Part 1 Comparing Figure of Merit (FOM). FOM (Figure-of-Merit) is a useful method to compare power devices and has been used by MOSFET manufacturers to show both generational improvements and competitive devices: http://powerelectronics.com/site-files/pow... http://powerelectronics.com/images/Galiumn... Citat: "... Fig. 2 Rds(on) vs. QGD for different power transistors ... * For comparison, some original 100V devices from around the start of the MOSFET revolution (circa~1980) are also included. These show that during the past 30 years of MOSFET improvement, the switching FOM has gone down by a factor of 40! However, as silicon is starting to approach its theoretical limits it seems unlikely that the next 30 years will see a further 40X improvement. * In contrast though, it does seem likely that eGaN transistors will have a 40 times mprovement in an even smaller amount of time. With 200V devices already having similar FOMs as the best 100V silicon available today, this is a very exciting prospect indeed! ... At high bias, however, COSS does not drop away as quickly as with silicon. Overall, the total QOSS losses are much lower than comparable silicon as evident when plotting QOSS vs. voltage for the same devices as in Fig. 6. ..."

Jul. 3, 2013, powerelectronics.com: eGaN FET – Silicon Power Shoot Out: A Retrospective. When a new technology is introduced, it is not reasonable to think that engineers will intuitively know how to effectively and efficiently take advantage of the performance enhancements that the new technology offers – there is always a learning curve. This is being borne out in the case of the rapidly emerging technology of high performance gallium nitride transistors: Citat: "... The initial article, “Figures of Merit (FOM),” appearing in September 2010, defines several measurements that can be used to compare power devices. ... Applying the lessons learned in the first installment, the second part showed that connecting two eGaN FETs in parallel can yield converter performance on par with single device equivalents and provide results far better than can be achieved with state-of-the-art silicon MOSFETs. ..."

  • 0
  • 1

Selv jeg har hørt om SiC for mange år siden. Hvorfor har det pludselig fået denne nye interesse? Den gang blev det også opfattet som Hot Stuff. :-)

Sammenlignet med standard silicium mosfets: Tåler højere spænding. Lavere modstand pr. arealenhed, hvilket fører til lavere tab og lavere behov for køling. Arbejder ved højere temperaturer, hvilket også reducerer behovet for køling. Arbejder ved højere frekvenser, hvilket reducerer induktorers og capacitorers størrelse.

Og så på negativ siden: temmelig kostbare.

Ude i horisonten lurer halvledere baseret på diamant som evt. kan give mere af det hele, inkl. prisen.

  • 1
  • 0

Kommerciel tilgængeligheden som Glenn nævnte og prisen. Siliciumkarbid(SiC) MOSFETs kan allerede fåes idag som R&D produkter om til 15kV i større mængde. Sammenligne med Si MOSFETs, så kan nogle RDSon og spærespændingsklasse være pris sammenlignlig eller billigere med SiC. https://www.nist.gov/document-2374

Mvh, Cam.

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten