Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Det är alltid svårt att härleda trender men utifrån det som presenterats på de största kraftelektronikkonferenserna – APEC i USA och PCIM i Europa – är det värt att ta en minut och fundera över vad som kommer att bidra till att göra strömförsörjningen effektivare, mer tillförlitlig och spännande att utveckla.
Elektrifieringen och övergången från fossila bränslen till förnybar energi är en viktig utveckling som vi alla är medvetna om. I strävan efter minskad energiförbrukning, från energy harvesting till elnätet, söker kraftelektronikbranschen ständigt nya sätt att förbättra effektiviteten. Internationella och lokala krav och normer har tvingat strömförsörjningstillverkare till innovationer. Ännu strängare krav diskuteras vilket kan pressa industrin att utforska nya topologier, komponenter och material.

Ett exempel är den blomstrande e-handeln, som i tysthet övergick från elektromeka­nisk till högeffektiv energihantering. Strömförsörjningsutrustningen i sig är inte en stor energiförbrukare, men med tanke på dess strategiska roll i hela kedjan blir den en nyckel­komponent i processen att optimera energianvändningen. Under 2022 har vi sett mycket avancerade kraftaggregat introducerade i e-handelshantering och transporthubbar.

De integrerar inte bara en högre nivå av kommunikation och styrning, utan kan också lagra och återställa energi i superkondensatorbanker, vilket minskar störningar från toppbelastningar i nätet och på förbrukningen. Kraftaggregat har, med försök som startade redan 2020, integrerats i ett komplett ekosystem med kommunikation maskin till maskin. De levererar inte bara ström till en belastning, exempelvis transportbandsmotorer, utan kan också känna av och justera energinivån för att lagra energi i en lokal superkondensatorbank och använda den vid behov.

Ett annat intressant område är RFID. Placerad i en trasportförpackning och nästan osynlig får RFID sin energi från signaler genererade av sensorer placerade på motorer eller andra rörliga element och drivna av vibrationer. Mikrosystem drivna med skördad energi utvecklas mycket snabbt och utnyttjar nanoteknik som, t.ex. nanorör, vilket gör det möjligt att utveckla mycket små superkondensatorer som lagrar tillräckligt med energi för att driva sensorer och sändare.

Kritiska byggstenar!
Digital styrning har funnits på marknaden i flera år, men med komponenter i nya material med stort bandgap (Wide Band Gap, WBG) och de möjligheter som dessa komponenter erbjuder kommer digital styrning nu att bli ett absolut måste. Jag är övertygad om att det kommer att bli en viktig byggsten för kraftkonstruktörer när de utvecklar nya produkter.

När det gäller komponenter är WBG-transistorerna utan tvekan det som kommer att stå ut 2022. Med detta sagt görs stora framsteg också med konventionella Power FET:s och kraftkonstruktörer kommer att behöva nå nya nivåer av helhetsbedömning och fingertoppskänsla i valet av den lämpligaste tekniken för varje applikation.

En annan byggsten jag ser som mycket viktig är den avancerade och planära transformatorn med interleavad multi-core-teknik. Det är inte alla kraftaggregat som kräver megahertzswitching, men med den ständiga strävan efter mindre kraftaggregat med högre verkningsgrad måste kraftkonstruktörerna överväga nya typer av transformatorer och ny lindningsteknik. Där kommer de att få hjälp av ferrittillverkare som utvecklar nya material, och även av programvara för artificiell intelligens som förkortar tiden för att konstruera och testa nya transformators­typer (som Frenetic och Simba).

Ett specifikt exempel på detta är den forskning vi för närvarande bedriver på PRBX där vi kombinerar digital styrning, GaN och multicoretransformatorer med avancerad lindning och auto-tuning för vissa industriella tillämpningar som kräver extremt brett område på ingångsspänningen och som utsätts för upprepade belastningstoppar på utgången. Slutprodukterna är inte klara ännu, men det kommer inte att vara möjligt utan kombinationen av digital styrning, WBG och avancerade magnetkomponenter.

Vi litar på WBG!
Något intressant med halvledare i material med stort bandgap är att vi ser en liknande situation som när de första power MOSFET:erna lanserades. Vissa insåg omedelbart fördelarna men introduktionen bromsades av att de tidiga produkterna inte var särskilt användarvänliga då de baserades på ett depletion mode som kräver mycket specifika drivare. Det tog dock inte alltför lång tid för tillverkarna att tillhandahålla ”lättanvända” lösningar och användning ökade. Det är nu mer än fem år sedan tillverkarna marknadsförde fördelarna med power MOSFET-tekniken. Även om marknadsbehovet finns tar det en viss tid innan nyheter slår igenom för massanvändning.

Vi är alla bekanta med den så kallade kamelryggskurvan som återspeglar införandet av ny teknik och den klyfta som måste passeras. Erfarna kraftkonstruktörer har tagit det steget många gånger, senast i samband med övergången från analog till digital styrning. Det tog mer än tio år att nå en betydande nivå av tillämpning.

När det gäller WBG – och särskilt galliumnitrid (GaN) – kom de tidiga användarna in mycket snabbare än vad vissa förutspådde för några år sedan. Det är ingen överraskning att pc- och mobilindustrin var tidiga. Antalet USB-C-laddare med GaN-halvledare lanserade 2020–2021 är mycket imponerande. Särskilt värt att nämna är Navitas nästa generations GaNFast power IC som kommer att driva den ultrasnabba 120 W-laddare som levereras med Vivos flaggskeppsmobil iQOO 9 Pro i iQOO serien.

Den visar att GaN snabbt antas av mobil­industrin. Det är inte bara elektrisk prestanda som är viktigt, GaN minskar den fysiska storleken med 26 procent och har en fantastisk effekttäthet på 1,3 W/kubikcentimeter, vilket är mycket imponerande.

Det som är intressant i utvecklingen av WBG-halvledare är att genom teknikens särdrag med mycket lågt inre motstånd och förmåga till mycket snabb switching, har byggsättet stor betydelse och vi ser mycket innovation från tillverkarna för att erbjuda optimerade lösningar. Teknikmässigt är EPC (Efficient Power Conversion) mycket intressant, eftersom den minimerar förlusterna vid sammankoppling och gör det möjligt att krympa en kraftomvandlare till en aldrig tidigare skådad storlek.

Sammanfattningsvis
Vi har alla påverkats av pandemin på olika sätt. I efterhand ser vi att den bidragit till inlärning av ny teknik och påskyndad innovation. 2022 är genombrottsår för WBG där vi kan förvänta oss att många nya kraftaggregat (AC/DC och DC/DC) lanseras. Det blir mycket spännande för alla oss som utvecklar kraftlösningar men jag förutspår att 2023 kommer att bli ännu mer spännande!