De meeste bestaande IGBT-gestuurde aandrijvingen kampen met fundamentele beperkingen bij het leveren van constant koppel bij hoge toerentallen. Deze systemen zijn doorgaans niet in staat om hoge uitgangsfrequenties te realiseren, wat betekent dat het bereiken van hoge snelheden vaak alleen mogelijk is via mechanische overbrengingen zoals tandwielkasten. Dit brengt een vermindering van de systeem efficiëntie met zich mee, vergroot de fysieke omvang van het systeem en verhoogt bovendien de kans op storingen en de noodzaak voor regulier onderhoud.

IGBT-aandrijvingen vertonen bovendien relatief hoge verliezen bij hoge stromen en spanningen, zowel door schakel- als geleidingsverliezen, waardoor de efficiëntie bij krachtige toepassingen afneemt. Bij industriële laagspanningen, zoals het gangbare 480 V-net, wordt vaak veldverzwakking toegepast om hogere snelheden te behalen, hetgeen het vermogen en koppel bij die snelheden beperkt. Daarnaast leidt het gebruik van laagfrequente aandrijvingen tot aanzienlijke fysieke omvang, wat resulteert in hogere kosten en een complexere installatie en onderhoud.

De typische configuratie van deze systemen omvat een gelijkrichter of actieve AC/DC-converter die een DC-bus voedt voor een tweelaagse driefasige inverter, meestal gekoppeld aan een inductiemotor of synchroon motor met permanente magneten. Voor regeneratieve mogelijkheden wordt de diodebrug vaak vervangen door een actieve driefasige PWM-rectifier.

Essentieel voor het overwinnen van bovengenoemde beperkingen is het gebruik van wide bandgap (WBG) halfgeleiders, met name siliciumcarbide (SiC) MOSFETs, die hoge schakel- en uitgangsfrequenties mogelijk maken. Het verhogen van de schakelfrequentie naar ongeveer 40 kHz maakt het mogelijk om fundamentele frequenties tot 2 kHz te realiseren, wat overeenkomt met toerentallen tot 120.000 rpm voor een tweepolige motor en 30.000 rpm voor een achtpolige motor. Het hogere aantal polen is noodzakelijk voor een hogere vermogensdichtheid van de motor.

Het besturen van deze hoge-snelheidsmachines brengt complexe uitdagingen met zich mee. De relatief lage inductantie, veroorzaakt door minder windingen, resulteert in hogere stroomrimpel en harmonische vervorming. Dit vereist geavanceerde regelingstechnieken met een breed regelbandbreedte. Veelal worden voor dergelijke toepassingen interior permanent magnet synchronous machines (IPMSM) gebruikt vanwege hun structurele robuustheid. Hun niet-lineariteiten en polaire eigenschappen leiden echter tot koppel- en vibratierimpels die evenredig zijn aan de rotatiesnelheid, welke met hoge frequentie schakelaars en geavanceerde regelstrategieën geminimaliseerd moeten worden.

Daarnaast is het noodzakelijk de elektrische tijdconstante te verlagen door geringe inductantie en weerstand van de statorwikkelingen, wat de natuurlijke frequentie van de motor verhoogt. Stabiliteit van het systeem over het volledige bereik van koppel en snelheid is hierdoor een kritieke ontwerpuitdaging. Traditionele encoders kunnen bij ultra-hoge snelheden problemen opleveren door mechanische koppelingen die trillingen en ruis veroorzaken, terwijl sensoren zoals resolvers vaak niet beschikbaar zijn voor deze snelheden. Daarom zijn sensorloze aandrijvingen noodzakelijk, die een zeer hoge regelbandbreedte vereisen vanwege de snelle positie veranderingen van het rotorflux.

Het bereiken van maximale prestaties in directe aandrijvingen met hoge snelheid vraagt ingrijpende veranderingen ten opzichte van conventionele IGBT-systemen. De kern van deze verbeteringen is het gebruik van SiC MOSFETs om hoge schakelfrequenties te realiseren. Een noodzakelijke voorwaarde is een hogere DC-busspanning, tot wel 1500 V of meer, om veldverzwakking te beperken en koppel bij hoge snelheid te behouden. Omdat de meeste beschikbare SiC MOSFETs momenteel zijn gespecificeerd op ongeveer 1200 V, wordt vaak een drievoudige of meerlagige topologie toegepast om met lagere spanningscomponenten toch hoge totale spanningen en stromen te hanteren. Deze topologieën verhogen tevens de effectieve schakelfrequentie en verminderen spanningspieken (dv/dt) die isolatieproblemen kunnen veroorzaken.

Voor koeling en compacte integratie wordt conventionele dubbele vloeistofkoeling toegepast, wat zorgt voor een kleine omvang, hoge vermogensdichtheid en betrouwbare werking. Een typisch hoogvermogen hoogsnelheidsaandrijfsysteem bestaat uit een transformator, actieve voorzijde (Active Front End, AFE) en een drievoudige inverter, waarbij bidirectionele werking en regeneratief remmen mogelijk zijn. In de praktijk zijn er voorbeelden van systemen van 500 kW die frequenties van 2000 Hz bereiken met een motor die tot bijna 20.000 rpm draait. Deze systemen behalen vermogensdichtheden tot boven 20 kW/kg en een efficiëntie van bijna 99%.

De implementatie van FPGA-gebaseerde regelcontrollers maakt het mogelijk om complexe regelalgoritmen uit te voeren bij de hoge schakelfrequenties die SiC-apparaten vereisen. Dit vermindert interfaces en vertragingen, waardoor de regelprestaties en daarmee de algemene systeemprestaties significant verbeteren.

Naast de technische aspecten is het belangrijk te begrijpen dat de integratie van deze technologieën een multidisciplinair proces is waarin elektrische, mechanische en thermische uitdagingen gelijktijdig en in samenhang moeten worden aangepakt. De interacties tussen motorparameters, vermogenselektronica, regeling en koeling bepalen uiteindelijk het succes en de betrouwbaarheid van het systeem. Voor de toekomst zal het verder verbeteren van hoogspannings SiC-apparaten en de ontwikkeling van geïntegreerde sensortechnologieën essentieel zijn om nog hogere snelheden, vermogens en efficiënties te bereiken zonder concessies te doen aan betrouwbaarheid en onderhoudsgemak.

Hoe kan de efficiëntie van omgeschakelde condensatoromzetters worden geoptimaliseerd voor datacenter toepassingen?

In de recente ontwikkelingen van energieomzettingstechnologieën voor datacenters is er een groeiende interesse in omgeschakelde condensatoromzetters (Switched Capacitor Converters, SCC) vanwege hun hoge efficiëntie en compactheid. De focus ligt voornamelijk op resonante schakelingstechnieken die de prestaties verbeteren, terwijl de energieconversie met minimale verliezen plaatsvindt. Deze converters zijn cruciaal voor het verbeteren van de energieverdeling binnen datacenters, die steeds hogere vermogensdichtheden vereisen zonder dat de efficiëntie van het systeem afneemt.

De werking van een omgeschakelde condensatoromzetter is gebaseerd op het idee dat energie wordt overgedragen door de schakelcondensatoren die in verschillende configuraties worden gepositioneerd. Door het resoneren van schakelfrequenties kan de omwenteling van de condensatoren efficiënt worden gecontroleerd om de belasting te optimaliseren en tegelijkertijd de verliezen te minimaliseren. Dit biedt een aanzienlijk voordeel ten opzichte van traditionele omvormers die vaak last hebben van hoge schakelfrequenties en de daarmee gepaard gaande energieverliezen.

In veel gevallen wordt gebruik gemaakt van cascaderende resonante omgeschakelde condensatoromzetters, die een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie mogelijk maken. Dit is met name voordelig in datacenteromgevingen waar hoge vermogenscapaciteiten vereist zijn zonder concessies te doen aan de systeemdimensies. De cascadering van de circuits zorgt ervoor dat verschillende spanningen kunnen worden geconverteerd naar de gewenste niveaus, met behoud van een hoge efficiëntie en een lage thermische belasting. Dit is van groot belang voor toepassingen zoals het voeden van grafische processors (GPU's) en andere zware belastingseenheden binnen datacenters.

Onder de verschillende technieken die zijn ontwikkeld, zijn resonante converters zoals de LLC (inductief-gesynchroniseerde condensator) converter en de hybride schakelaarsystemen de meest prominente. Deze systemen maken gebruik van zowel condensatoren als inductieve componenten om energie efficiënt over te dragen met behulp van resonantieprincipes. De optimale regeling van de schakelfrequentie in deze systemen kan de efficiëntie naar meer dan 98% brengen, wat essentieel is voor de toekomst van datacenters waar zowel vermogensdichtheid als energiebesparing belangrijke overwegingen zijn.

De integratie van moderne halfgeleiders, zoals Gallium Nitrade (GaN) FET’s, heeft de prestaties van deze systemen verder verhoogd. Door de lage schakeltijden van GaN en de hoge thermische geleidbaarheid kunnen deze converters compacter en efficiënter worden ontworpen. Hierdoor worden ze steeds populairder voor toepassingen waarbij zowel kleine afmetingen als hoge prestaties vereist zijn, zoals in servers en netwerkapparatuur.

Naast de efficiëntie van de converters zelf is het belangrijk om te begrijpen dat de dynamische belasting van datacenters vraagt om een nauwkeurige controle over het spanningsregulatiesysteem. Dit kan worden bereikt door verbeterde besturingsmethoden zoals burst-modusbesturing en geoptimaliseerde trajectcontrole. Door deze geavanceerde methoden wordt de efficiëntie van de converter verder verhoogd bij wisselende belastingstoestanden, wat cruciaal is in een dynamische omgeving zoals een datacenter.

Hoewel de voordelen van omgeschakelde condensatoromzetters evident zijn, zijn er nog verschillende uitdagingen die moeten worden overwonnen. Ten eerste moet de integratie van deze technologieën in bestaande systemen zorgvuldig worden gepland, aangezien de hogere vermogensdichtheden en lagere spanningsniveaus specifieke eisen stellen aan de koelmethoden en beveiligingsprotocollen. Het kiezen van de juiste condensatoren en de juiste netwerkinstellingen is essentieel voor het behoud van een betrouwbare werking onder verschillende omstandigheden.

Er moet ook aandacht worden besteed aan de duurzaamheid van de gebruikte componenten. Gezien de lange levensduur van datacenterinfrastructuren is het van belang dat de gebruikte technologieën bestand zijn tegen de vereiste cycli van in- en uitschakelen zonder significante slijtage of verlies van efficiëntie.

Naast de technische implementatie van SCC-technologieën moet ook de interactie met andere systeemcomponenten worden overwogen. De plaatsing en het gebruik van converters moeten passen binnen de bredere architectuur van datacenterstroomvoorziening, waarbij rekening wordt gehouden met redundantie, load balancing en de algehele systeemkosten.

Kortom, om de voordelen van omgeschakelde condensatoromzetters optimaal te benutten in datacenteromgevingen, moet niet alleen de technologie zelf geoptimaliseerd worden, maar ook de wijze waarop deze wordt geïntegreerd in bredere systeemarchitecturen. De vooruitgang op het gebied van schakelingstechnieken en halfgeleidertechnologie maakt het mogelijk om energieverliezen drastisch te verminderen en tegelijkertijd de efficiëntie te verhogen, wat resulteert in duurzame en kosteneffectieve oplossingen voor de steeds veeleisendere datacenterinfrastructuren van de toekomst.

Hoe de Effectiviteit van Bipolaire HSCC Conversie te Verbeteren: Technieken en Uitdagingen

In een testopstelling met veiligheidsmechanismen voor stroomvoorziening en ventilatorstroom, wordt de werking van een bipolaire Switched Capacitor Converter (HSCC) geanalyseerd. De configuratie van de converter, waarbij N = 4 fasen per pool zijn ingesteld, voorziet in een invoer van +/− 300 V, en de stuurspanning voor de MOSFET's wordt geschakeld met een frequentie van 140 kHz en een duty cycle van 0,57. Onder ideale omstandigheden levert de converter een RMS-uitgangsspanning van 10.055 kV met een vermogen van 2,57 kW (~ 255 mA) naar de belasting.

De gedetailleerde analyse van de proefopstelling, zoals weergegeven in de figuren 12.8 en 12.9, laat zien dat de spanning op de positieve en negatieve pool effectief +/−5 kV is. Hierbij wordt opgemerkt dat de inductorstroom tijdens de daling van de spanning een lichte negatieve waarde bereikt, wat een kenmerk is van de unipolaire HSCC met de eerste set PWM-eigenschappen. Een ander probleem dat zich voordoet, is de hoge spanningsrimpel van 477 V pk-pk, die voornamelijk te wijten is aan de lage uitgangscapacitantie en de relatief lage schakelfrequentie van het systeem. De efficiëntie van de converter bij dit bedrijfspunt is gemeten op 95,3%, hoewel er verschillende operationele uitdagingen zijn.

De voornaamste problemen die naar voren komen, zijn de moeilijkheid bij het regelen van de spanning die naar de belasting wordt geleverd, die niet eenvoudig afhankelijk is van de duty cycle, de variabiliteit in conversie-efficiëntie, de grote outputspanningsrimpel, en de beperkte mogelijkheid om meer dan 250 mA naar de belasting te leveren. De uitgangsimpedantie van de spanningsvermenigvuldiger hangt af van het frequentie-capaciteitsproduct, en de praktische limiet voor de uitvoerbare stroom wordt toegeschreven aan de lage capaciteit per fase en de lage schakelfrequentie. Dit benadrukt de complexiteit van het reguleren van de uitgangsparameters in een converter die gebruik maakt van Switched Capacitor-technologie.

Om de prestaties van de converter te verbeteren, is een methode voor de regeling van de ingangsstroom ontwikkeld. Bij deze regeling worden de MOSFET's geactiveerd wanneer de inductorstroom door het nuldoorgangspunt stijgt en uitgeschakeld wanneer een piekreferentiestroom wordt bereikt. Deze piekstroom is gerelateerd aan een doelstroom voor de ingangspower, wat resulteert in een betere controle van de energieafgifte zonder de noodzaak om de diodestaten direct te meten. Deze aanpak maakt het mogelijk om de energieconversie te optimaliseren en tegelijkertijd de schakellossingen te minimaliseren, wat de efficiëntie ten goede komt.

Daarnaast is er aandacht besteed aan de specifieke bedrijfsmodi van de HSCC. In modus 1 wordt de MOSFET ingeschakeld wanneer de inductorstroom nul is, waarna de stroom lineair toeneemt totdat de piekinductorstroom is bereikt. In modus 2 wordt de MOSFET uitgeschakeld en blijft de diodestroom verder toenemen totdat de inductorstroom weer nul is. Ten slotte, in modus 3, wanneer de inductorstroom negatief wordt, stopt de diode met geleiden en beginnen de diodes in de ladingspomp in een sequentie te schakelen, waardoor de schakelaarsnelheid wordt geregeld. Dit biedt een gedetailleerd inzicht in het verloop van de stroom en de spanning over de tijd, wat essentieel is voor het begrijpen van de werking van de HSCC in verschillende bedrijfsomstandigheden.

Wat belangrijk is voor de lezer om te begrijpen, is dat de prestaties van bipolaire HSCC’s sterk afhangen van de afstemming van de schakelfrequentie, de capaciteit per fase en de controle over de belasting. De efficiëntie van de converter kan sterk variëren afhankelijk van deze parameters, en de mogelijkheid om een grotere stroom naar de belasting te leveren is vaak beperkt door de capaciteiten van de gebruikte componenten, zoals de MOSFET’s en de inductoren. Daarnaast spelen de eigenschappen van de diodes, zoals hun equivalent series resistances (ESR), een cruciale rol in het verbeteren van de prestaties van de converter. Het begrijpen van deze dynamieken is essentieel voor de verdere ontwikkeling van efficiënte en stabiele hoogspanningsomzetters die geschikt zijn voor industriële toepassingen.

Hoe verbeteren Wide Bandgap (WBG) halfgeleiders de efficiëntie en prestaties van hybride schakelende condensatorconverters (HSCC)?

Wide Bandgap (WBG) halfgeleiders, zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), bieden een revolutionaire sprong in vermogensconversie door hun unieke elektrische en thermische eigenschappen. In toepassingen waar hoge spanning, snelle schakelsnelheden en hoge bedrijfstemperaturen vereist zijn, onderscheiden WBG-apparaten zich duidelijk van traditionele siliciumcomponenten. Een cruciale eigenschap is de kritische elektrische veldsterkte die bij SiC en GaN bijna tien keer hoger ligt dan bij silicium, waardoor dunne spanningsblokkadelagen mogelijk zijn. Dit leidt tot een veel lagere aan-weerstand en daarmee tot aanzienlijk minder geleidings- en schakelverliezen. Deze vermindering vertaalt zich direct in hogere efficiënties en maakt hoge stroomsterkten bij hoge frequenties haalbaar.

De fysische eigenschappen zoals een hogere verzadigingssnelheid van ladingsdragers en een grotere thermische geleidbaarheid (vooral bij SiC) versterken de mogelijkheden van WBG-apparaten om bij hogere frequenties en temperaturen te functioneren. Hierdoor kunnen schakelaars compacter worden uitgevoerd en verliezen door capaciteit en opgeslagen lading tijdens het schakelen worden verminderd. Voor schakelaars met pn-overgangen speelt de dragerlevensduur een bepalende rol in de snelheid van de omkeerherstelprocessen, waarbij de unipolaire werking van MPS-dioden (merged-pin-Schottky) voor extreem snelle hersteltijden zorgt.

De combinatie van deze eigenschappen maakt het mogelijk om hybride schakelende condensatorconverters (HSCC) te bouwen die met slechts één of twee actieve schakelaars, ondersteund door een diode-condensatormultiplicator, een uitzonderlijk hoge spanningsversterking realiseren. De WBG-technologie stelt deze converters in staat om spanningen van enkele honderden volts tot meerdere kilovolt efficiënt te transformeren met een rendement van bijna 98%, terwijl de schakelfrequentie ver boven de 300 kHz ligt. Hierdoor kunnen de passieve componenten aanzienlijk worden verkleind, wat resulteert in een compact en hoogwaardig systeem met een grote vermogensdichtheid, zoals bewezen in prototypes met een volume van slechts 232 in³ en een vermogensdichtheid van circa 23 W/in³.

Het praktische belang van deze technologie ligt onder meer in de mogelijkheid om middelgrote spanningen (rond 1 kV per schakeling) te beheren met een hoge efficiëntie en een relatief eenvoudige regeling. Dit maakt HSCC’s met WBG-apparaten ideaal voor toepassingen in middelspanningsgelijkstroomsystemen (MVDC), zoals het koppelen van zonnepanelen of windturbines in utility-scale netwerken, datacenters en industriële centra. Terwijl de eerste prototypes met GaN-HEMT’s gericht waren op lagere spanningen en vermogens, tonen de recentere bipolaire SiC-gebaseerde HSCC’s dat hoge spanningen en vermogens met hoge efficiëntie haalbaar zijn. De verwachting is dat met verdere ontwikkeling van GaN-technologie en bijbehorende diodes (zoals MPS of JBS) de prestaties en vermogensdichtheid nog verder kunnen verbeteren.

Het samenspel van materiaaleigenschappen, ontwerpprincipes en geavanceerde schakeltopologieën maakt duidelijk dat de toekomst van hoogspanningsvermogenselektronica onlosmakelijk verbonden is met de vooruitgang in WBG-technologieën. Het begrijpen van de fysische basis en de operationele uitdagingen is essentieel om het potentieel van deze systemen ten volle te benutten en om innovaties te stimuleren die leiden tot nog kleinere, efficiëntere en krachtigere omzetters.

Daarnaast is het belangrijk om niet alleen te focussen op het rendement en de vermogensdichtheid, maar ook op de thermische beheersing en betrouwbaarheid op lange termijn van WBG-apparaten. Ondanks hun hogere temperatuurtolerantie vereisen ze geavanceerde koelingsstrategieën en zorgvuldige integratie in systeemontwerpen om falen door thermische spanningen en elektrische overstressing te voorkomen. Bovendien moet rekening worden gehouden met de beschikbaarheid en kosten van geavanceerde WBG-componenten bij de opschaling naar commerciële toepassingen.

Hoe Politieke Communicatie Zich Ontwikkelt: Het Hot Take Fenomeen en de Kracht van Provocatie
Hoe werkt corrosiemonitoring met coupons en wat moet men weten over de beperkingen en interpretaties?
Hoe heeft Trump de Republikeinse en Democratische partijen fundamenteel veranderd?