Dies ist das sechster und letzter Teil einer sechsteiligen Blogserie von Mouser Electronics!
Innovative Topologien und Materialien für die Energieumwandlung
Von Mark Patrick, Mouser Electronics
Welche Themen werden in der Reihe behandelt?
Industrielle Energie wird in dieser Blogserie analysiert: Wie werden neue Materialtechnologien und Konstruktionstechniken Energieeinsparungen im nächsten Jahrzehnt ermöglichen?
Blog 1: Einleitung: Die industrielle Energieumwandlung der Zukunft
Blog 2: Konverter in der vierten industriellen Revolution
Blog 3: Der Wert von Power over Ethernet (PoE)
Blog 4: Energiegewinnung im industriellen Bereich
Blog 5: PoL: Industrielle Schaltungen vor Energieherausforderungen
Blog 6: Das nächste Jahrzehnt industrieller Energie
Die Renaissance der Maschinen
Veröffentlichte Analysen der Prognosen für die Branche im nächsten Jahrzehnt sprechen vor allem von Automatisierung, künstlicher Intelligenz (KI) und „Big Data“. Wir prognostizieren „intelligente Fabriken“, die 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche auf mechanisierte Weise mit mobilen und autonomen Robotern arbeiten, die eine hohe Produktivität erreichen und nur sehr wenig menschliches Eingreifen erfordern. In Unternehmen, die noch Bediener haben, stellen wir uns die Einführung von Cobots vor (siehe Abbildung 1), die die Bediener durch Beobachten und Lernen unterstützen. IIoT und Industrie 4.0 werden mit Edge-Intelligenz zum Mainstream, bei der Sensoren und Aktoren mit dem industriellen Prozess selbst in Kontakt stehen. Die in diesem Zusammenhang gewonnenen Daten werden in die Cloud übertragen, um eine sofortige Entscheidungsfindung in allen globalen Szenarien zu ermöglichen, Prozesse zu optimieren und den zukünftigen Bedarf (von der Lieferung von Rohstoffen bis zur Wartungsplanung) vorherzusagen. 5G mit Datengeschwindigkeiten von bis zu 20 Gbit/s wird bei diesem Ausbau eine entscheidende Rolle spielen.
Die industrielle Zukunft mag mit der Hinzufügung so vieler Roboter und Cobots etwas unmenschlich erscheinen, aber das Weltwirtschaftsforum prognostiziert die Schaffung von 2022 Millionen neuen Arbeitsplätzen im KI-Sektor bis 58. Einige davon werden bei Unternehmen eingesetzt, die an Leistungsumwandlungsgeräten arbeiten, um die exponentiellen Verbesserungen zu erzielen, die sowohl in Bezug auf die Effizienz als auch auf die Leistungsdichteleistung erforderlich sind.
Außerdem können Konstrukteure gezwungen sein, „weitere 1 %“ Effizienzsteigerung zu erzielen, wenn sie bereits einen Wirkungsgrad von 98 % in einem Antrieb erreichen. Der Druck zur Effizienzsteigerung wird weiter zunehmen.
Nehmen Sie die Herausforderung der Effizienz an
Glücklicherweise mögen Ingenieure Herausforderungen. Viele lassen sich von neuen Halbleitertechnologien und Leistungswandlertopologien für inkrementelle Verbesserungen inspirieren. Der zweite Teil dieser Blogserie befasste sich mit Wide Band Semiconductors (WBGs). Seine Verwendung hat eine Welt von Möglichkeiten eröffnet, nicht nur zur Verbesserung der Leistungsumwandlungseffizienz, sondern auch zum Umschalten auf höhere Frequenzen, mit den zusätzlichen Vorteilen kleinerer zugehöriger Komponenten, insbesondere magnetischer.
Konvertierungstopologien
Wandlertopologien wie phasenverschobene Vollbrücken (PSFB) oder Induktivitäts-/Kondensator-orientierte LLC-Anordnungen (die bei hoher Frequenz resonant schalten) erreichen mit WBG-Halbleitern einen nahezu maximalen Wirkungsgrad bei minimalen Verlusten. Diese optimale Situation, bei der mehr Umrichter auf einem gegebenen Raum installiert sind, reduziert Emissionen und erhöht die Leistungsdichte. Das Nettoergebnis sind niedrigere Gemeinkosten und eine bessere Raumnutzung, zwei Vorteile, die in der modernen Industrie von entscheidender Bedeutung sind. Außerdem bedeutet die Erhöhung der Dichte der Konverter kein thermisches Problem, da die WBG-Geräte im Wesentlichen hohe Temperaturen vertragen.
PoE
Auch für periphere Sensoren und Aktuatoren ist die Leistungswandlungseffizienz ein Thema. Wie wir bereits im dritten Blogbeitrag erklärt haben, ist es nicht immer einfach, Strom an den Perimeter zu bringen, und jedes Watt muss gespart werden. Es ist daher eine große Hilfe, bis zu 70 Watt nutzbare Leistung durch die Ethernet-Kabel leiten zu können und so eine schnelle Kommunikation mit der im Sensor oder Aktor eingebetteten Intelligenz zu integrieren.
Energieernte
Wenn Power over Ethernet (PoE) nicht möglich ist und eine drahtlose Kommunikation erforderlich ist, ist Power Harvesting die Lösung, um die lokale Stromversorgung zu decken (die verschiedenen Ansätze wurden im vierten Blog dieser Serie behandelt). Es gibt einen Trend zur Reduzierung des Energieverlusts an die Umgebung durch die Verwendung von „lights out“-Fertigung, niedrige HF-Pegel für begrenzte EMI sowie einen gleichmäßigeren Maschinenbetrieb mit weniger Vibrationen. Selbst wenn dies zutrifft, kann immer noch Energie aus gelegentlichen Ladungen auf Mikrowellenniveau gewonnen werden, wenn auch nur aus thermischen Gradienten.
Pol
Im fünften Blog haben wir gesehen, dass Architekten von Stromversorgungssystemen die Leistungsanforderungen von hochintegrierten ICs berücksichtigen müssen, die in der Prozesssteuerungselektronik verwendet werden – in potenziell feindlichen Umgebungen – sowohl aus elektrischer als auch aus mechanischer Sicht. Die Kernspannungen von Prozessoren, die heute unter 1 V liegen, müssen präzise und rauschfrei sein; Dies erfordert die Verwendung von Point of Load (PoL)-Wandlern, die selbst Leistungsverarbeitungs-Subsysteme sein können (mit eingebetteten Mikrocontrollern zur Maximierung von Effizienz und Leistung). Die CPU-Stromschienen müssen mehr Strom liefern (bis zu Hunderten von Ampere), daher müssen sie näher an der Last platziert werden, um Spannungsabfälle zu vermeiden. Die Leistung einzelner GaN- und Breitbandgeräte kann noch verbessert werden. Die Forschung zur Integration (seitwärts GaN) mehrerer Bauelemente auf derselben Oberfläche wird jedoch wahrscheinlich einen großen Einfluss auf die zukünftige Leistungsumwandlungseffizienz haben.
Wir brauchen die Industrie sicherlich im nächsten Jahrzehnt, um einen „ganzheitlicheren“ Ansatz für die Energienutzung zu verfolgen. Wie wir bereits im Einführungsartikel erklärt haben, wird die Nachfrage nach industrieller Energie weltweit sicherlich steigen und um dies auszugleichen, müssen wir alle möglichen Effizienzsteigerungen in Betracht ziehen.
Die Industrie, die sich am Ende der Energieumwandlungskette befindet, muss ihre Rolle bei der Reduzierung von Energieverlusten spielen. Derzeit wird der Großteil der zugeführten Energie in „Abwärme“ umgewandelt. Gleichzeitig verbrauchen die Kommunen Brennstoff für ihre Heizung. Es gibt Möglichkeiten, heißes Wasser von den Wärmetauschern der Erzeuger zu den Verbrauchern zu übertragen. Es besteht kein Zweifel, dass die Fabriken der Zukunft den Energiebedarf der Kommunen besser integrieren müssen.
Schlussfolgerungen
Es ist sehr wahrscheinlich, dass das IIoT seine Expansion im nächsten Jahrzehnt fortsetzen wird. KI, Predictive Maintenance und Cobots sind nur einige der Treiber, die diese Expansion begünstigen werden. Edge Computing wird die schnelle Datenverarbeitung in Produktionsanlagen vorantreiben, und Technologien wie 5G werden Cloud-Verbindungen zuverlässiger machen, um die Erfassung, Verteilung und Verarbeitung von Big Data an allen Standorten zu ermöglichen. Beide Technologien werden maximal genutzt.
In den nächsten zehn Jahren können wir spannende Möglichkeiten erwarten, wie z. B. die Forschung zur Integration von Breitbandtechnologien in monolithische Gehäuse, um das Design von PoL-Konvertern zu verbessern.
Mäusefänger Engagement für mehr Effizienz und Umweltschutz mit einer Reihe hochmoderner elektronischer Komponenten, sowohl für die Energieelektronik-Designs von heute als auch für die des nächsten Jahrzehnts.
