Сегмент силовой электроники

Энергоэффективность

Постоянно включённые устройства

Силовая электроника охватывает огромный диапазон мощностей — от нановатт до киловатт. Но все разработки, имеющие разную мощность, преследуют одну общую цель — повышение энергоэффективности. В этой статье инженеры Tektronix высказывают своё мнение по поводу тенденций, появляющихся в проектировании силовых устройств.

Когда речь заходит об эффективности работы от аккумуляторных батарей, первым делом вспоминают о мобильных устройствах. Мы ожидаем, что сможем пользоваться телефоном не менее 8 часов в режиме разговора и что телефон будет в компактном и удобном корпусе. В Отчёте компании Ericsson по вопросам мобильной связи, выпущенном в ноябре 2017 года указывается, что в настоящее время количество подписок на услуги мобильного широкополосного доступа составляет более 5 млрд.

Поскольку нет сомнений в том, что темпы развития технологий аккумуляторных батарей и управления энергопотреблением будут задавать именно смартфоны, этот новый класс сетевых устройств пытается расширить границы управления энергопотреблением. Согласно прогнозам, до 2020 года количество устройств Интернета вещей (IoT), подключённых по беспроводной сети, составит 24 млрд.

Использование эмулятора 2281S-20-6 и мультиметра DMM7510 для полнофункционального решения для оценки энергопотребления/ресурса батарей

 

Многие из этих устройств не имеют доступа к электрической сети питания, но все они должны быть постоянно включёнными, хотя бы до определённого срока. Именно эта характеристика устройств Интернета вещей — постоянно включённое состояние — требует новых решений в области измерений и управления энергопотреблением. Если вы разрабатываете устройство Интернета вещей, которое устанавливается на буровой вышке, где нет электрической сети питания, оно наверняка будет работать от аккумуляторной батареи, — говорит инженер Джей Шах из компании Tektronix. — Вопросы энергопотребления для таких устройств Интернета вещей весьма критичны».

Battery-lifeВ режиме глубокого сна потребление тока падает до наноампер и пикоампер.
В режиме глубокого сна ток, потребляемый многими устройствами Интернета вещей, составляет от нескольких наноампер до пикоампер, но в режиме измерения и передачи потребление тока возрастает до нескольких ампер.
Понятно, что определение характеристик энергопотребления этих устройств крайне необходимо, но из-за широкого диапазона рабочих режимов датчиков устройств Интернета вещей определение профиля энергопотребления превращается в сложнейшую задачу, — объясняет Шах.

Стремительное изменение международных стандартов

В ответ на климатические изменения многие страны приступили к разработке новых, более строгих стандартов энергоэффективности. К сожалению, стремительность, с которой издаются эти стандарты, и количество участвующих сторон достаточны, чтобы привести в замешательство даже самых опытных разработчиков. Возьмите, к примеру, стандарты энергоэффективности для внешних источников питания, которые проще именуются «блоками питания» или «кирпичами».

Battery-lifeСнижение мощности в режиме ожидания
В 2016 году министерство энергетики (DOE) США внедрило новые стандарты энергоэффективности. Теперь Европа пошла ещё дальше и ввела новые правила экологического дизайна (Ecodesign). Соответственно, разработчики пытаются повысить эффективность, что требует дополнительного тестирования, особенно источников питания.
Но гонка стандартов не ограничивается внешними источниками питания. Новые стандарты или новые редакции стандартов постоянно принимаются для бытовых приборов, промышленного оборудования, а также оборудования ОВКВ. Стандарты поступают из самых разных организаций, имеющих разные юрисдикции. Кроме того, завидную активность в разработке стандартов проявляют агентства США, ЕС, а также Центра сертификации качества Китая (CQC). Энергетическая комиссия Калифорнии также вносит свою лепту в разработку энергетических стандартов, которые, возможно, будут жёстче стандартов министерства энергетики США. Каждый из этих стандартов — действующий документ, который разработчики обязаны соблюдать.

Электрификация автомобилей

Ещё одна тенденция, задающая требования к силовой электронике, появилась на автомобильном рынке. Многие специалисты автомобильной промышленности предсказывают, что электромобили полностью заменят автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Для мониторинга систем таких автомобилей необходимы системы управления преобразователями постоянного тока в переменный и аккумуляторами, но здесь также присутствует несколько незаметных на первый взгляд тенденций.

В связи с увеличением количества электронных приборов в современных автомобилях разработчики вынуждены тщательнее контролировать энергопотребление. Принцип «всегда включён», применяемый для устройств Интернета вещей, действует и для автомобильных модулей. Даже если автомобиль заглушен, многие системы продолжают работать в спящем режиме. (Фактически можно утверждать, что автомобиль является одним из самых сложных устройств Интернета вещей!) Разработчики вынуждены вводить новые уровни безопасности и комфорта без увеличения потребления от аккумулятора даже в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания.

На пути к полностью электрическому автомобилю мы наверняка увидим самые разные формы гибридов. В этих автомобилях будут действовать сложные системы преобразования электроэнергии и управления энергопотреблением. В отличие от уже устаревающих 12-вольтных систем, в новых системах гибридных автомобилей и электромобилей будут применяться силовые шины. Для некоторых автомобилей может понадобиться двунаправленное преобразование постоянного напряжения в постоянное для передачи энергии от стартёра/генератора, рекуперативная тормозная система, аккумуляторы и даже солнечные батареи.

Быстрый переход к устройствам на основе SiC и GaN

В следующие пять лет силовая электроника будет развиваться в основном за счёт расширения использования устройств с широкозонными полупроводниками. По сравнению с кремнием, новые полупроводниковые материалы, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обеспечивают более высокую теплопроводность, скорость переключения и уменьшение размеров создаваемых устройств.

Изменения, коснувшиеся основных компонентов источников питания, привели к созданию абсолютно новых разработок. Ожидается, что GaN полностью преобразует сегмент электронных источников (< 100 Вт или около этого). Устройства на основе GaN также расшевелили сегмент усилителей мощности РЧ-сигналов, где используется ряд тех же свойств, благодаря которым они пригодны для преобразования электроэнергии. SiC применяется в более мощных устройствах, таких как двигатели, приводы и инверторы. «В этом году мы наблюдали переломный момент в технологиях на основе карбида кремния, которые обеспечили создание множества промышленных изделий, — говорит инженер Том Невилл из компании Tektronix. — Думаю, что вскоре то же самое произойдёт и с GaN. Определяющим фактором является цена, а также надёжность».
Полупроводниковая промышленность работает над проектированием и продвижением новых широкозонных силовых устройств. Инженеры-разработчики полупроводниковых приборов занимаются проверкой и определением характеристик новых компонентов.Производители драйверов разрабатывают новые драйверы для управления затвором, учитывающие требования по более быстрому переключению, управлению электромагнитными помехами и повышению сложности топологий. Однако инженеры-технологи этих компаний сталкиваются с проблемами тестирования на уровне подложки, в частности необходимостью полнофункционального тестирования устройств с меньшими размерами в более широком диапазоне напряжений и токов, чем ранее.

На другом конце цепочки стоимости разработчики источников питания пытаются извлечь максимум преимуществ из свойств структур на основе GaN и SiC. (разработки преобразователей электроэнергии) При этом им приходится пересматривать традиционные приёмы, применявшиеся к полевым МОП-транзисторам. Разработчики пытаются свести к минимуму мёртвое время полумостовых переключателей, чтобы получить минимальные потери переключения. Возможность просмотра и оценки с высокой точностью динамических характеристик напряжения и тока важна, но трудно реализуема из-за синфазных напряжений и малого времени нарастания сигналов.
IsovuНовые методы измерений при помощи пробников позволяют подробно рассмотреть происходящие в устройстве процессы, которые ранее было невозможно увидеть.
«Тестирование более важно, чем принято думать, — говорит инженер компании Tektronix Сешенк Малап. — Поскольку удельная мощность и энергопотребление становятся настолько весомыми, разработчики расширяют диапазоны, используя для устройств преобразования электроэнергии элементы с минимально возможными размерами. В этом случае просто необходимы тестирование и измерения. Затвор открывается именно тогда, когда нужно? Обеспечивает ли используемый коэффициент заполнения максимальную эффективность разработки? Рассеивает ли силовое устройство без охлаждения столько тепла, сколько может?»
«И не только устройство, а и вся схема синхронизации, — добавляет Шах. — Потому что затем нужно будет согласовывать и одновременно работать со многими дифференциальными сигналами, чтобы посмотреть, все ли они приемлемы и не включают ли устройство, когда оно не должно быть включено».

По словам Малапа, старые приборы и технологии тестирования просто будут не соответствовать быстро меняющимся тенденциям в секторе силовых устройств. «При проектировании и тестировании преобразователей энергии привычными методами специалисты смотрят на несколько сигналов в нескольких местах и приближённо оценивают, что делают другие сигналы, — объясняет он. — Теперь всё иначе. Это не просто плохой метод, это недопустимый метод, потому что так можно испортить устройство».

На гребне шестой волны

Мир всё сильнее зависит от Интернета. Поскольку технологии компании меняются, чтобы адаптироваться к этим переменам, вслед за ними должны измениться приборы и методы работы. Не имея возможности измерять критические параметры и обеспечивать функциональность важных устройств, специалисты не смогут обеспечивать развитие.

«Все эти вызовы в общем возвращают нас к тому, как оптимизировать энергопотребление и в целом процессы энергоснабжения, — говорит Малап, — что я считаю достаточно интересным на данном этапе».

Узнать больше об устройствах для сектора энергоэффективности

Тенденции в других областях применения

Загрузки
Загрузить

Загрузить руководства, технические описания, программное обеспечение и т. д.:

Go to top