Wybrane zagadnienia energoelektroniki w projektach badawczych

Referat wygłoszony:

Politechnika Rzeszowska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki

Listopad 30, 2022, Poland – Rzeszów

dr hab. inż. Cezary Worek, prof. AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza Instytut Elektroniki

Streszczenie

Termin Przemysł 4.0 (ang. Industry 4.0) odnosi się do ogłoszonej czwartej rewolucji przemysłowej i związany jest z przemysłowymi systemami produkcyjnymi CPS (ang. Cyber‑physical Production Systems). Został on użyty po raz pierwszy na targach w Hanowerze w 2011 roku, i do chwili obecnej ulega uzupełnieniom i modyfikacjom [1,2]. Pomijając fakt, iż przełomy w technice czy też w nauce powinny być ogłaszane post factum, idee zawarte w tych opracowaniach są na tyle interesujące że powinno się im bliżej przyjrzeć ze względu na całościowe spojrzenie na procesy wytwórcze obejmujące projektowanie, produkcję, obsługę techniczną, ekonomię, finanse i zarządzanie silnie wspomagane najnowszymi osiągnięciami z dziedziny ICT (ang. Information and Communications Technology). Spośród całej gamy szczególnie dwa filary Przemysłu 4.0 mogą znaleźć zastosowanie w projektach badawczych związanych z energoelektroniką które są nakierowane na teraźniejsze lub bliskie zastosowania praktyczne [3]: cyfrowe bliźniaczki (ang. Digital Twins) służące głównie do cyfrowych symulacji i reprezentacji wirtualnej produktu, jego procesu wytwarzania jak również obsługi oraz wytwarzanie przestrzenne/drukowanie 3D przyśpieszające prototypowanie i produkcję małoseryjną. Wplatają się one bezpośrednio w kierunki rozwoju układów energoelektronicznych którym, ze względu na postęp techniczny i powszechne zastosowanie, stawiane są coraz to wyższe wymagania związane głównie ze sprawnością energetyczną, wymiarami i masą, niezawodnością, kosztami produkcji, wymaganiami EMC jak i kosztem opracowywania nowych konstrukcji. W chwili obecnej obejmują one głównie:

• Analizę i budowę układów z elementami półprzewodnikowymi o szerokiej przerwie energetycznej.
• Opracowywanie nowych algorytmów i sposobów cyfrowego sterowania tzw. zasilacze cyfrowe.
• Projektowanie i modelowanie elementów indukcyjnych jak również zintegrowanych elementów magnetycznych.
• Rozwijanie i wykorzystywanie koncepcji bliźniaków cyfrowych.
• Opracowywanie nowy topologii układów przetwarzania energii.

W przypadku przyrządów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej mamy do czynienia z nową jakością związaną ze znaczną poprawą parametrów kluczy energoelektronicznych pracujących w zakresie niskich i średnich mocy takich jak rezystancja kanału, szybkość przełączania czy też zmniejszenie pojemności pasożytniczych. W chwili obecnej dominują te oparte na materiałach takich jak SiC czy też GaN ale w laboratoriach już prowadzone są intensywne prace związane z takimi materiałami jak Ga₂O₃, diamentem, arsenkiem boru itp. Jednak zwiększenie szybkości przełączania znacznie skomplikowało budowę układów sterujących gdyż czasy narastania sygnałów bramkowych są liczone w pojedynczych nanosekundach a szybkości zmian napięcia dren-źródło osiągnęły wartości kilkudziesięciu woltów na nanosekundę. Wymusza to bardzo precyzyjny dobór podzespołów, topologię płytki PCB ukierunkowaną na minimalizacje parametrów pasożytniczych jak również sposób odprowadzenia ciepła. W tym celu niezbędne jest już korzystanie z zaawansowanych narzędzi EDA takich jak ADS, ANSYS, CST Studio, Siemens EDA, Cadence itp. Z kolei opracowywanie nowych algorytmów i sposobów cyfrowego sterowania stało się możliwe do zastosowania na szerszą skalę za sprawą potanienia elementów FPGA oraz wprowadzenia na rynek mikrokontrolerów nowej klasy nazywanej DSC (ang. Digital Signal Controllers) takich jak np. dsPIC33, STM32G4x4, C2000, C5000, 56800EX/F, XDPP1100. Pozwala to w pełni wykorzystać potencjał cyfrowego przetwarzania sygnałów oraz możliwość implementacji zaawansowanych algorytmów kontrolno-sterujących.  Aby w pełni przetestować poprawność działania takich systemów wykorzystuje się już środowiska do symulacji analogowo-cyfrowych (ang. Mixed Signal Simulation) opartych o oprogramowanie XSPICE, VHDL-AMS, Verilog-AMS, Matlab&Simulink [4]. Ze względu na to, że następnym istotnym elementem w układach energoelektronicznych są  elementy indukcyjne ich projektowi poświęca się dużą część pracy gdyż optymalizacja ich konstrukcji jest złożonym, wielowymiarowym zagadnieniem. Obejmuje ona między innymi  szacowanie strat w uzwojeniach, w rdzeniu magnetycznym, określanie elementów pasożytniczych uwzględniających modele 3D jak również parametry termiczne takiego elementu [5]. Dodatkowo proces optymalizacji obejmuje również metody pomiarowe związane z weryfikacją ilościową modeli symulacyjnych i fizycznie zaprojektowanych podzespołów ale również analizę ekonomiczną w związku z koniecznością minimalizacji masy i rozmiarów elementu. Wszystkie opisane powyżej zagadnienia przybliżyły nas do koncepcji bliźniaków cyfrowych w której prowadzenie projektu układów energoelektronicznych odbywa się już całkowicie w domenie cyfrowej a zbudowane modele fizyczne układów i podzespołów mają swoją reprezentację wirtualną łącznie z badaniami termicznymi i EMC [6]. W dłuższej perspektywie zmniejszy to znacznie czas i koszty opracowywania nowych konstrukcji (ang. time-to-market), zwiększy jakość i możliwości optymalizacji konstrukcji produktów ze względu na powiększone możliwości testowania. To oczywiście tylko najważniejsze efekty niemniej wymagają budowy lub wykorzystania złożonych, kompleksowych narzędzi (np. ADS, Siemens EDA, Cadence itp.). Na koniec należy wspomnieć o trendzie związanym z coraz to większa integracją układów energoelektronicznych polegającą na łączeniu wielu bloków funkcjonalnych w pojedynczym układzie scalonym lub module [7, 8, 9]. Sprzyja to opracowywaniu i wprowadzaniu do urządzeń nowych topologii i rozwiązań układowych gdyż wielokrotnie są one uzasadnione ekonomicznie wyłącznie w technice wysokiej skali integracji.

Podsumowując opis wybrany zagadnień energoelektroniki w projektach badawczych można stwierdzić, iż najbliższe lata będą etapem rozwoju i wprowadzania na szerszą skalę cyfrowych rozwiązań, w tym narzędzi EDA jak również nowych typów elementów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej. W związku z tym można oczekiwać dalszego zwiększania się ich sprawności energetycznej oraz zmniejszenia masy i rozmiarów ze względu na pracę z wyższymi częstotliwościami.

Literatura

1. Kagermann, W. Wahlster, J. Helbig , Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0. Final report of the Industrie 4.0 Working Group. April 2013.
2. Drath, A. Horch, Industrie 4.0: Hit or Hype?, IEEE Industrial Electronics Magazine, June 2014.
3. https://www.sap.com/poland/insights/what-is-industry-4-0.html
4. Zapart, C. Worek, A mixed-mode analog-digital simulation of LLC resonant power converter with the quality factor limiter, Przegląd Elektrotechniczny, 2021 R. 97 nr 2,
5. Szczerba, S. Ligenza, C. Worek, Inductor AC resistance extraction method from an impedance measurement based on complex permeability model, 19th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), Publikacja dostępna online od: 2021-05-21.://ieeexplore-1ieee-1org-1000047ol01ca.wbg2.bg.agh.edu.pl/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9432602
6. https://www.keysight.com/us/en/assets/3121-1034/application-notes/Virtual-Reference-Design-PathWave-ADS-Workspace-for-Transphorm-tdttp4000w066c.pdf
7. https://www.power.com/company/our-innovations/powigan-technology
8. https://www.ti.com/product/LMG3411R070
9. https://www.microchip.com/en-us/product/MSCSM120VR1M16CT3AG-Module