Больше энергии с меньшими затратами
С каждым годом потребление электроэнергии, как ожидается, будет подниматься примерно на 1 процент в год до 2030 года, а доля электроэнергии, которая проходит через силовую электронику поднимется на 80 процентов за тот же период.
«Глобальное потребление электроэнергии растет в два раза быстрее, и рынок предлагает все более широкие варианты для инновационного питания электронных систем, которые дают новые функциональные возможности, повышают производительность, эффективность и надежность при одновременном снижении цены, — говорит Дэвид Перро, профессор Массачусетского технологического института (МТИ) и глава компании «Research Group». — У нас есть набор взаимосвязанных технологий, позволяющих уменьшить размер и повысить эффективность в широком диапазоне применения. Мы часто используем методы узкоспециализированных цепей, потому что таким образом мы можем сделать устройство намного меньше и более производительным».
Большая часть работы группы Перро фокусируется на создании сверхвысокочастотных и ультраминиатюризированных преобразователей. Его последняя работа также рассматривает способы устранения электролитических конденсаторов, в том числе тех, которые конвертируют между однофазным переменным током (AC) и постоянным током (DC) в устройствах.
Путь от сети переменного тока к устройствам постоянного тока
Прототип светодиодной лампы дает пример трех тесно связанных исследовательских инициатив группы Перро в преобразовании энергии переменного и постоянного тока.
Наиболее вероятные подозреваемые среди неадекватных компонентов в дешевых приборах – конденсаторы — пассивные компоненты, которые помогают в обмене энергии между однофазными AC-розетками и светодиодными лампами.
Производители используют электролитические конденсаторы, потому что они дешевы и могут хранить энергию в относительно небольшом объеме. «Но они считаются ненадежными — у них есть жидкий электролит, который в дальнейшем высыхает, и они имеют низкие температурные пределы, — говорит Перро. — Поэтому одним из наших направлений является разработка методов буферизации энергии, которые позволят нам исключить электролитические конденсаторы при сохранении небольшого размера устройства. В прототипе светодиодной лампы конструкция устроена так, что она может использовать керамические конденсаторы для буферизации энергии».
Светодиодный драйвер стимулирует другое тесно связанное направление исследований — создание переключателей очень высокой частоты (от 30 до 300 мегагерц), которые помогут уменьшить размеры накопителя энергии и потребность фильтрации в преобразователе.
Перро использует аналогию передачи воды ведрами, чтобы объяснить подход. «Силовой преобразователь черпает некоторую энергию от входа, передает ее, перебрасывая на выход, — говорит он. — Здесь источник энергии, элементы-индукторы и конденсаторы — это мои ведра для перемещения энергии. Если я смогу запустить этот конвертер гораздо быстрее, то, используя меньшее ведро, я передам ту же сумму».
«Такой подход дает вам несколько преимуществ, — объясняет он. — Во-первых, вы можете уменьшить свои ведра до наперстков. Во-вторых, вы можете физически изготовить наперстки способами, которые не практичны для ведер, так что вы можете сделать лучшую работу по интеграции различных частей. В-третьих, увеличивается пропускная способность».
Реализация этой архитектуры достигает коэффициента мощности (мера качества сигнала из линейных токов) рекомендаций EPA Energy Star для светодиодных драйверов.
Улучшенная плотность мощности, в свою очередь, позволяет минимизировать объем индукторов и конденсаторов, которые обычно являются крупнейшими компонентами блока питания.
«Если вы можете сделать светодиодный драйвер меньше, то можете открыть намного больше площади для передачи тепла, что сделает работу всей системы качественной, — указывает Перро. — Кроме того, при прочих равных условиях, то, что делает его меньше и более интегрированным, в конечном счете, делает его и более дешевым».
Технологии преобразования мощности, разработанные в лаборатории Перро, являются ключевыми компонентами самого маленького в мире адаптера питания для ноутбука, созданного компанией МТИ «FINsix». Доставленный этой осенью 65-ваттный адаптер Dart FINsix весит 57 граммов.
Перро и его коллеги добились аналогичного успеха в применении методов коммутации высокой частоты, чтобы значительно повысить эффективность усилителей мощности. Эта работа привела к МТИ компанию «Eta Devices», соучредителем которой является Перро и бывший профессор МТИ Джоел Доссон, который развивает коммерческую технологию для снижения энергопотребления базовых станций сотовой связи и мобильных телефонов.
Распределение DC в серверных фермах
Серверные фермы строятся и эксплуатируются на огромной площади по всему миру, с более чем 8 миллионами серверов, продаваемых ежегодно, в соответствии с подсчетами исследовательской фирмы «IDC».
Доставка энергии в самых современных серверных фермах от сетки к настоящему вычислению несет существенные потери. Снижение энергопотребления за счет более высокого КПД силовой электроники будет уменьшать электрические счета для серверов, систем хранения и систем связи, а также для кондиционирования воздуха.
«Многие операторы серверных ферм склоняются в сторону распределения постоянного тока при высоких или низких напряжениях из-за возможности устранения нескольких этапов преобразования», — говорит Перро.
Распределение мощности в серверных фермах обычно начинается с трехфазного переменного тока, проходя через бесперебойное питание до батареи, снова преобразуется в трехфазный переменный ток, затем в постоянный и расходится до конечных нагрузок постоянного тока. Альтернативная архитектура, которая начинается с 380 DC, может быть более эффективной.
Эта установка требует очень высокой эффективности DC/DC преобразователей энергии, и группа Перро разработала подсистемы на нескольких уровнях, в том числе такие, которые конвертируют от 380 до 12 В, и другие в диапазоне телекоммуникационного напряжения 48 В.
Эти преобразователи используют методы «мягкого переключения», которые ориентированы на очень высокий КПД, до 97 процентов и выше, пытаясь свести к минимуму потери энергии в каждом переходе. Так называемые резонансные мягкие коммутационные преобразователи, получившие от «Research Group» дополнительную архитектуру, могут эффективно работать в различных диапазонах напряжения и мощности, как велосипед, который может переключать передачи в соответствии с местным ландшафтом.
«Если бы системам приходилось работать только на одном напряжении или одном уровне мощности, было бы относительно просто получить очень высокую эффективность и плотность, — объясняет Перро. — Но, когда либо напряжение, либо мощность изменяются в очень широком диапазоне, становится сложно работать. Мы разработали ряд методов, направленных на поддержание высокой эффективности в этих условиях».