Nye løsninger kan tage livet af den irriterende klods på ledningen

I 2010 viste en Gallup-undersøgelse, at 56 procent af danskere brugte bærbare computere, og det vil være logisk at gå ud fra, at endnu flere af os arbejder, spiller og får vores nyheder ved hjælp af bærbare PC’er i dag.

Det er endda ret sandsynligt, at du faktisk sidder med en laptop, mens du læser denne artikel.

Enhver bærbar computer har en strømforsyning, og på siden af den kan du læse, at den laver vekselstrøm fra stikkontakten (AC) om til en jævnstrøm (DC). Strømforsyningen konverterer samtidig stikkontaktens 230 volt til en langt lavere spænding. For eksempel omformer strømforsyningen til computeren, som denne artikel er skrevet på, 230 volt til 20 volt, men ellers er inputspændingen lidt forskellig fra computer til computer.

For at konvertere spændingen og strømmen har strømforsyningen brug for en hel del komponenter, som for PC’ers vedkommende gemmer sig inde i en forholdsvis stor klods, der har irriteret mange brugere siden tidernes morgen.

Men nu har danske forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) udviklet en teknologi, der på længere sigt vil kunne give producenterne mulighed for at gøre strømforsyningen mindre, og mindre irriterende.

Højere frekvens sparer plads

Strømforsyningen fungerer ved hjælp af ‘switch mode’-elektronik, hvor man tænder og slukker for strømmen med et bestemt puls-pause-forhold og en bestemt frekvens.

»I ‘switch mode’-elektronik skal man bruge et energilager til at lagre energien i det korte øjeblik, hvor man switcher. Jo højere frekvens man arbejder med, desto mindre energilagre er der brug for, fordi de skal holde på energien i kortere tid ved en højere frekvens,« forklarer Michael A. E. Andersen, professor og viceinstitutdirektør for Institut for Elektroteknologi (DTU Elektro) ved DTU.

»Det vil sige, at man faktisk kan krympe størrelsen, når man går op i frekvens,« fastslår Michael A. E. Andersen.

Problemet med de høje frekvenser er imidlertid, at energitabet er proportionelt med skiftefrekvensen. Tabet sker i det meget korte øjeblik, hvor man enten tænder eller slukker for strømmen, og der både er strøm igennem komponenten og spænding over den.

Derfor går man ikke op i megahertz-området (MHz), men arbejder med frekvenser i kilohertz-området (kHz), når det drejer sig om den slags konvertere i blandt andet strømforsyninger.

»Ved at bruge nogle resonanskomponenter har vores forskere haft succes med at få strøm og spænding til at opføre sig som et par bløde kurver. Derfor er der ikke længere overlap mellem strøm og spænding, og man kan godt gå op i frekvens og opnå fordelen ved, at komponentstørrelserne bliver mindre,« fortæller Michael A. E. Andersen.

Forskerne fra DTU har brugt skiftefrekvenser op til 300 MHz og har dokumenteret, hvor stor en besparelse en sådan teknik kan give i forhold til konverterens størrelse, vægt, effektivitet og pris.

En del af et stort samarbejde mellem universiteterne og erhvervslivet

DTU Elektros forskningsprojektet er blot et ud af cirka 20 projekter, der alle er en del af et større projekt, Intelligent and Efficient Power Electronics (IEPE) (se faktaboks), hvor virksomhederne KK Wind Solutions, Vestas, Danfoss og Grundfos samarbejder med Aalborg Universitet, DTU, Syddansk Universitet og Center for Elektriske Energisystemer.

Michael A. E. Andersen har været glad for de samarbejdsmuligheder, som IEPE har skabt:

»Virksomhederne står med nogle faktiske behov, de gerne vil have dækket, og universitetet kan pege der, hvor der enten er en barriere eller muligheder for en fremtidig udvikling,« siger Michael A. E. Andersen.

Han får opbakning fra Stig Munk-Nielsen, der er projektleder for IEPE og professor med særlige opgaver ved Institut for Energiteknik, Aalborg Universitet:

»Nogle af projekterne begyndte med, at virksomhederne sagde, at de havde et problem. De havde gjort sig nogle tanker og spurgte de andre deltagere om det. En sådan fremgangsmåde har vi været meget glade for,« siger Stig Munk-Nielsen.

»To gange om året mødes vi til workshopper, hvor vi fortæller om vores ideer og resultater, så der sker en videnspredning. For eksempel har KK Wind Solutions præsenteret sin viden om en megawatt-konverter, som de havde lavet til vindmølleindustrien, og det viste sig, at andre virksomheder kunne overføre den viden til andre brancher.«

Nye job i en spinoffvirksomhed

»Vores mission er at tage nogle idéer og løfte dem op på et højere niveau. Nogle af idéerne har selvfølgelig vist sig ikke at holde i virkeligheden. Men vi vil gerne se, hvor langt vi kan piske disse ideer frem, så de eventuelt bliver til job og øget omsætning i virksomhederne,« fortæller Stig Munk-Nielsen.

Alene DTU’s idé om at bruge en højere skiftefrekvens i konvertere har foreløbig resulteret i 14 job. De er blevet skabt i spinoffvirksomheden Nordic Power Converters, som har haft fokus på at udvikle løsninger inden for LED-belysningen.

»Man kan forestille sig, at strømforsyninger til bærbare computere bliver det næste anvendelsesområde, og jeg ved også, at de arbejder på flere spændende anvendelser,« siger Michael A. E. Andersen, der er DTU’s repræsentant i Nordic Power Converters’ bestyrelse.

Nye materialer forbedrer effektiviteten

Et andet IEPE-projekt, udført af senioringeniør Marian Lungeanu fra Danfoss, har foreløbig ikke givet nye ansættelser. Marian Lungeanus chefer skal først tage stilling til, hvorvidt de skal satse på en videreudvikling og produktion af teknologien. Men resultaterne har været lovende.

Ved at erstatte ‘insulated-gate bipolar-transistorer’ (IGBT) med ‘silicon carbide metal–oxide–semiconductor field-effect-transistorer’ (SiC MOSFET) har Marian Lungeanu opnået en væsentlig forbedring i effektiviteten af frekvensomformere, der styrer elektriske motorer. Ved en skiftefrekvens på 16 kHz er effekttabet således blevet reduceret fra cirka syv til cirka fire procent.

»Elevatorer, køleanlæg og mange andre applikationer har motorer tæt på mennesker, og der er brug for, at de ikke støjer. Hvis man skal undgå, at vi hører støj fra apparatet, kan det være en god idé at gå op til 16 kHz i skiftefrekvens, fordi mennesker kun kan høre lyde fra et par hundrede Hz til cirka 16 kHz,« forklarer Marian Lungeanu.

»Ofte bliver apparaterne rigtig store, enten på grund af det betydelige effekttab eller fordi man skal konstruere en løsning til at dæmpe støjen. Men nu har vi så fået mulighed for at producere mindre apparater, fordi tabet ved den høje frekvens, hvor støjen forsvinder, er blevet mindre.«

Et spørgsmål om økonomi

Støj- og pladsreduktion er kun en af flere fordele ved den frekvensomformerteknologi, som Marian Lungeanu har udviklet.

Teknologien kan også bruges i for eksempel packaging-applikationer og andre maskiner, hvor der er brug for hurtig respons og høj virkningsgrad.

I sidste ende vil det dog altid være et spørgsmål om, hvorvidt den nye besparelse bliver større end den ekstra udgift til de mere effektive SiC MOSFET-komponenter, der er dyrere end IGBT-komponenterne.

Ud over de praktiske løsninger har IEPE-projekterne også resulteret i en lang række videnskabelige artikler, ph.d.-afhandlinger, rapporter og præsentationer. Du kan se hele publikationslisten ved at klikke her.

Ved at klikke her kan du desuden høre en senioringeniør fra KK Wind Solutions og en ph.d.-studerende fra Aalborg Universitet fortælle om deres oplevelser i forbindelse med IEPE-samarbejdet.