Desafíos para diseñar un inversor de potencia de alta densidad

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Google ha anunciado un concurso para diseñar un inversor de potencia a escala de kW (ygt; 2 kVA) con una reducción del tamaño del 90% en comparación con los diseños actuales. El objetivo es hacer funcionar los electrodomésticos desde un pequeño inversor, que de alguna manera fomenta un mayor uso de la energía solar. (También sería útil en sus centros de datos).

¿Cuáles son algunos desafíos en este diseño? En los adaptadores de pared para portátiles, la densidad de potencia se ha incrementado dramáticamente con el tiempo al moverse hacia reguladores de conmutación de frecuencias más altas, lo que permite el uso de componentes más pequeños. También es mejor el modelado 3D para permitir que los componentes de empaque se ajusten más al espacio.

¿Es probable que estas técnicas también mejoren los inversores, o presentarían diferentes problemas para superar? ¿Qué enfoques es probable que se adopten? Están fomentando directamente el uso de componentes de nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC). ¿Es probable que el silicio personalizado u otros componentes sean necesarios, o es plausible que un diseño de este tipo pueda construirse en gran parte con componentes listos para usar?

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pregunta Matt B.

2 respuestas

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El objetivo de menor densidad de potencia del 'desafío de la caja pequeña' de 50 W por pulgada cúbica se traduce en poco más de 3 kW por litro, lo que es una unidad más ampliamente utilizada en la literatura.

Para un inversor trifásico alimentado por CC para una aplicación de motor, en el que hay muy pocos requisitos de almacenamiento de energía, se han demostrado 30 kW / litro, es decir, un orden de magnitud más allá de la "caja pequeña" targed:

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Para lograr la ondulación de corriente de entrada baja requerida (que equivale a una ondulación de potencia de entrada baja) mientras se suministra potencia de salida de CA monofásica con su naturaleza pulsante inherente, se requiere almacenamiento de energía dentro del inversor (en otras palabras, 1 + 1 = 2).

Un buen ejemplo de lo que se puede lograr se puede encontrar en el siguiente documento (2.75-4.86 kW / l, 94.9% de ef. pico, todo-Si):

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(No todas las cifras de eficiencia coinciden y no hay una foto de hardware experimental, pero es un ejemplo de algo en el rango 'cerca, pero no hay cigarros' para el LBC). Existe una serie de publicaciones sobre esta técnica o variaciones de la misma, que permiten una mayor utilización de los condensadores que el enfoque de filtrado de enlace de CC "a granel" convencional, lo que resulta en una sobrecarga significativa de almacenamiento de energía de "DC" si se requiere una ondulación de bajo voltaje.

Como lo demuestran los diagramas del 'Frente de Pareto' (vea también el trabajo detallado de Kolar et al. de ETH Zurich), la eficiencia extrema y la alta densidad de potencia no necesariamente van de la mano, y si bien puede hacerlo de alguna manera Al arrojar más silicio (o SiC) al problema, la autodescarga y las pérdidas por conducción de la puerta ponen un límite superior a esto. Vea los ejemplos de la aplicación CoolMOS C7 de Infineon ('Cómo dominar el arte de la rapidez')

Hay varias compensaciones que deben considerarse aquí: el aumento de las pérdidas (y, por lo tanto, el volumen del disipador de calor) de una mayor frecuencia de conmutación frente a las reducidas dimensiones de los componentes del filtro, por ejemplo. Todas las cosas bien entendidas. Yo sugeriría que lo "inteligente" está en la optimización simultánea de los diversos compromisos de diseño y la maximización del rendimiento de los componentes individuales.

El factor que no es un problema aquí es el costo (o confiabilidad, más allá de una prueba de 100 horas). En un gráfico tridimensional del costo por kW frente a la eficiencia frente a la densidad de potencia, me atrevería a suponer que un pequeño inversor solar comercial típico está tan arriba de la curva de eficiencia como sea posible para un límite de costo estricto, sacrificando la densidad de potencia en el proceso.

    
respondido por el Niall Oswald
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Diría que Don Lancaster en enlace probablemente esté más cerca de esto que cualquier otra persona que haya visto. Está desarrollando una tecnología trifásica basada en lo que él llama "ondas sinusoidales mágicas", que son trenes de pulsos PWM cuidadosamente sincronizados, elegidos cuidadosamente para cancelar los armónicos.

Ahora, sé que Google ha indicado específicamente una sola fase, sin embargo, son problemas importantes con 60 Hz. monofásico ya que la potencia vibra a una velocidad de 120 Hz (dos pulsaciones por ciclo). Nikola Tesla vio esto hace mucho tiempo, y vio que la fase trifásica era el camino para un acoplamiento de potencia suave.

Por todo lo que he visto, creo que Don está más cerca de un diseño de convertidor óptimo que cualquier otra cosa que haya visto por ahí. No soy chelín para él. También estoy siguiendo su trabajo tratando de construir un convertidor a mí mismo.

    
respondido por el Steve

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