Každý střídavý elektrický pohon se musí napájet napětím proměnné frekvence a amplitudy, aby bylo možné regulovat otáčky, točivý moment na hřídeli a případně polohu rotoru. Pro vytvoření požadovaného napětí se používají měniče. Jejich nezbytnou součástí je výkonový tranzistor, který slouží jako elektronický spínač.
“Zkoumáme jednu z novějších topologií (způsob zapojení výkonových součástek - pozn.) střídače, a to tzv. dual inverter. V poslední době je v rámci našeho oboru zkoumána zejména pro aplikace v bateriové elektrické trakci, tedy pro elektromobily a letadla,” přiblížil dr. Ondřej Lipčák.
Na zkoumání různých modulačních strategií (specifické způsoby, jimiž se spínají tranzistory - pozn.) topologie dual invertoru s ním spolupracuje dr. Pavel Skarolek a v rámci svého doktorátu i Ing. Filip Baum (všichni z katedry elektrických pohonů a trakce FEL ČVUT). Zkoumají je z hlediska ztrát a tedy co nejlepšího využití stejnosměrného napětí, které napájí střídače. Dále např. z hlediska výstupního střídavého napětí, aby bylo co nejméně zkreslené parazitními harmonickými složkami.
Budoucnost patří galium-nitridu
V topologii dual inverter zkoumají konkrétně využití moderních typů tranzistorů na bázi galium-nitridu (GaN), které zřejmě v budoucnu nahradí starší tranzistory na bázi křemíku (Si). “Oproti tradičním křemíkovým tranzistorům mají lepší vlastnosti. Například dovolují jít na vyšší spínací frekvence, díky čemuž můžeme zmenšit pasivní akumulační prvky jako indukčnosti a kapacity a zároveň udržovat vysokou kvalitu výstupního proudu,” pokračuje dr. Lipčák.
Cílem je, aby motor nehlučel, nevibroval a měl co nejmenší ztráty. A právě toho lze dosáhnout vyhlazením přirozeně “chlupaté” amplitudy střídavého proudu tak, aby se co nejvíce podobala sinusovce. Platí zde přitom přímá úměra: čím vyšší spínací frekvence, tím je proud motoru vyhlazenější. Tranzistory na bázi GaN umožňují závěrná napětí stovky voltů a desítky amper proudu na spínacích frekvencích o stovkách kilohertz.
Samotná technologie spínače na bázi galia nitridu je přitom poměrně stará. “Pochází z doby radiofrekvenčních vysílačů, ale do výkonové elektroniky se dostává až v posledních pěti až sedmi letech. Komerční zařízení využívající tuto technologii jako např. nabiječky notebooků jsou na trhu ještě kratší dobu,” upozornil dr. Pavel Skarolek.
Výhodou nabíječek na bázi GaN je, že jsou menší a zároveň dosáhnou stejného výkonu. Nebo dosahují větších výkonů při velikosti, která se rovná těm křemíkovým. V současnosti jsou na trhu sice k dostání, nejsou ale tak běžné a levné jako ty křemíkové. V brzké budoucnosti je ale díky svým přednostem pravděpodobně vytlačí.
Velikost ovšem přináší i jednu nevýhodu, a to je chlazení. Malé součástky mají zákonitě i malou styčnou plochu pro odvod tepla. A pokud se používají na velký výkon, je problém z nich teplo odvést. To vzniká při ztrátovém výkonu, vedle toho se musí počítat se spínacími a vodivostními ztrátami. “Návrh mechanické konstrukce a desky plošných spojů je proto velkou výzvou,” přiznává dr. Skarolek.
Výkonová elektronika jako desetiboj elektrotechniky
Zákonitostí, se kterými musejí vědci počítat při návrhu koncepce a stavbě prototypu, je přitom celá řada. Jak říká dr. Lipčák, obor elektrických pohonů je takovým desetibojem elektrotechniky, protože od vědců vyžaduje všestrannost.
“Když se chcete zabývat elektrickými pohony, musíte se orientovat ve spoustě dílčích oborů. Musíte rozumět výkonové elektronice, teorii elektrického stroje, teorii regulace a základům mechaniky. Zároveň musíme umět programovat, abychom mohli zařízení řídit. Samozřejmostí je pak zvládnutí matematiky a jejích dílčích oborů,” podává výčet dr. Lipčák.
“Narozdíl třeba od programování čistého softwaru, kde chyba končí zamrzlou obrazovkou, může drobná chyba u výkonové elektroniky skončit explozí,” upozorňuje Ing. Baum.
