Inverter ad altissima efficienza

[mario_maggi]

Ciao
Una start-up californiana ha dimostrato che un loro inverter - che usa l'intelligenza artificiale - ha funzionato con un efficienza superiore al 99,3 %: https://www.evlist.it/it/eventi-e-novita/2021-04-22-inverter-con-efficienza-superiore-al-99
Su veicoli elettrici un inverter di questa categoria permette di aumentare la percorrenza a parità di batteria.
Buona lettura,
Mario

[brabus]

Fantastico.

Mi fa tornare alla mente un incontro intrauniversitario al quale partecipai nel 2008 a Padova. Un luminare dell'ETH di Zurigo illustrava i risultati del loro convertitore avente un'efficienza record del 99,99%. Sì, il loro obbiettivo era il raggiungimento dei "due nove dopo la virgola".

La conclusione tecnica era ragionevolmente semplice, doptutto si trattava di dimensionare adeguatamente il circuito in ragione dell'efficienza.

La conclusione teorica, invece, fu ben più interessante: dimostrarono matematicamente che l'efficienza va di pari passo con le dimensioni fisiche del convertitore. Secondo le loro osservazioni, un convertitore efficiente deve essere giocoforza voluminoso.
Questo pone seri limiti nel mondo dell'embedded, pensiamo ad esempio ai processori dei nostri smartphone, dove l'ingombro è limitato; allo stesso tempo, col salire della potenza, il problema si ripropone a bordo di un veicolo o presso una stazione di ricarica.
Vediamo infatti che il convertitore californiano è piuttosto voluminoso, pur essendo passati 15 anni da quella osservazione.

Sempre parlando dell'ETH Zurich, vediamo il loro motore da 40 MILIONI di giri al minuto: https://pes.ee.ethz.ch/research/researc ... ors-1.html

[Meiko]

L'uso dei componenti al carburo di silicio sta di fatto cambiando molte cose. Nel settore dei motori elettrici le cose stanno diventando sempre più complesse e qui bisogna fare una distinzione: Il motore e il controllore, sono due cose differenti e quando si parla di efficienza bisogna capire se si fa riferimento al motore o al controllore, oppure all'abbinamento dei due.
I mosfet a carburo di silicio usati per i controllori, stanno mandando in pensione gli IGBT per la loro efficienza e questo è un fatto indiscutibile. L'intelligenza artificiale invece finisce nel FOC e nel DTC che per i motori multifase a fasi variabili è fondamentale, altrimenti il sistema non va!
I motori elettrici, anche loro stanno subendo delle modificazioni ma, non è tutto oro quello che luccica, e a parte quelle realizzazioni fatte a livello di ricerca, quelli più convenzionali sono comunque afflitti dalla natura fisica dei materiali con cui vengono costruiti.
Ben vengano i SiC-Mos, anche perché, se si parla di veicoli elettrici oltre al controllore del motore, c'è un altro apparato che è vitale, ovvero il carica batterie.
Sto provando attualmente dei nuovi carica batteria prototipo basati su SiC-Mos che oltre ad essere più piccoli a parità di potenza, non scaldano e sono privi di ventola. Tanto per dare la misura: un 8,3 kW ad alta frequenza in tecnologia IGBT è grande come un trolley (di quelli non imbarcabili in cabina degli aerei), sono pieni di ventole, quando non c’è addirittura un raffreddamento ad acqua. Quello a SiC-Mos ci sta in una scatola delle scarpe. Diventa un problema metterci i cavi, si fa fatica a collegarli perché sono troppo grossi e si portano in giro la scatoletta.
Solo una cosa mi spaventa, che questa bella tecnologia venga affossata da interessi economici. Purtroppo più sprechi, più consumi e qualcuno ci guadagna. Speriamo non accada!

[lelerelele]

Molto intressante, non conoscevo gli sviluppi SIC-Mos, un link che ho trovato illuminante.

saluti.

[Meiko]

Bell'articolo lelerelele, è interessante, però io resto di un parere: è sempre troppo presto per giudicare.
Fino a qualche anno fa i Sic-Mos erano inimmaginabili, ormai non dico che li mettano negli aspirapolveri, ma quasi ci siamo.
Tutte le tecnologie evolvono, serve solo che quelche tizio in qualche laboratorio dica: <Orpo questa è nuova, ma guarda te! Non avrei proprio immaginato che si poteva ottenere tutto questo con un pezzo di scotch>. E' così che vanno molte volte le cose, poi certo bisgna affinare la tecnica e qui vien il difficile!

[SandroCalligaro]

... l'efficienza va di pari passo con le dimensioni fisiche del convertitore. Secondo le loro osservazioni, un convertitore efficiente deve essere giocoforza voluminoso.
[..]
Vediamo infatti che il convertitore californiano è piuttosto voluminoso, pur essendo passati 15 anni da quella osservazione.

Senza nulla togliere all'affermazione (forse era Kolar, il professore?), quel convertitore a me non sembra tanto voluminoso, per 200 kVA.

Comunque, credo che l'affermazione sia valida a parità di tecnologia (semiconduttore, in particolare) disponibile. Se si può commutare a frequenza più alta, si tende comunque a poter diminuire le dimensioni dei magnetici e dei condensatori.


Pre-Switch, l'azienda che ha dimostrato l'inverter "con intelligenza artificiale", a quanto capisco propone un circuito ausiliario, che permette di commutare in soft-switching un mezzo ponte (cioè una gamba di inverter).
L'intelligenza artificiale, se così vogliamo chiamarla (qualche dubbio ce l'avrei) identifica la temporizzazione ottima del circuito ausiliario.
https://www.pre-switch.com/single-post/2020/03/09/cleanwave200-demonstration-and-explanation-of-pre-switch-ai-during-initial-power-up-and-f

Il fatto è che, per ridurre le perdite di commutazione sulla gamba principale, bisogna far passare una corrente grande (anche se impulsiva) su una "gamba" ausiliaria, che lavora a metà tensione (ma deve bloccare anche la tensione negativa).
Da notare che, nel controllo motore (o comunque quando il carico ha induttanza grande), una delle due commutazioni della gamba avviene naturalmente in ZVS (Zero Voltage Switching), per lo meno a corrente sufficientemente alta (per inverter ad IGBT, solitamente bastano correnti piccole, rispetto alla nominale).

Questo non toglie che la cosa sia interessante, ma è stata anche presentata "molto bene".

[SandroCalligaro]

Sto provando attualmente dei nuovi carica batteria prototipo basati su SiC-Mos che oltre ad essere più piccoli a parità di potenza, non scaldano e sono privi di ventola. Tanto per dare la misura: un 8,3 kW ad alta frequenza in tecnologia IGBT è grande come un trolley (di quelli non imbarcabili in cabina degli aerei), sono pieni di ventole, quando non c’è addirittura un raffreddamento ad acqua.

Veramente sono così grandi? Di che correnti di uscita parliamo?

[Meiko]

Sono più piccoli di un foglio A4 e lo spessore è di circa 10cm. Le correnti sono di circa 100Amp continuativi ad 85V.
Ormai l'elettronica di controllo occupa il volume di uno smartphone, i SicMos sono due + 2 diodi tutti in TO247, questi ci stanno in una scatola di fiammiferi.
Per cui le dimensioni sono determinate dai Condensatori, dai Trasformatori e dalle varie induttanze da alta frequenza in ferrite che non possono essere più piccoli di tanto, anche perché serve la sezione del rame.
Poi bisogna ricordare che questi sistemi richiedono:
1) il rifasamento, perciò un induttore.
2) i filtri EMC sulla linea di rete.
3) il filtro di ricostruzione di Corrente e poi quello di Tensione e qui sono altri due induttori con capacità a bassissimo ESR altrimenti saltano.
Certo che se bastassero solo i componenti attivi, allora tutto sarebbe ancor più piccolo.
Tieni conto che i carica batterie a bordo delle vetture elettriche, che vanno tra i 400V e i 600V per potenze da 22kW sono grossi solo il doppio di quello che sto provando io, ma in quel caso gioca a favore l'alta tensione di uscita, e comunque sono sempre i dispositivi ausiliari a causare l'aumento delle dimensioni.
La cosa veramente importante però è il fatto che in questi carica-batterie a SicMos non c'è il raffreddamento, uno uguale a IGBT ha bisogno di raffreddamento ad acqua.

[fpalone]

... in una scatola di fiammiferi.

Beh, questo convertitore che sta a Latina è un po' più grande ... ma raggiunge già il 99.3 % di efficienza (inclusi trasformatori, filtri e servizi ausiliari, il ponte di conversione è sopra al 99.5%)!
Inoltre il THD delle correnti immesse in rete è inferiore al 5%, con un fattore di potenza di oltre 0.99 .
come dice giustamente brabus

F Secondo le loro osservazioni, un convertitore efficiente deve essere giocoforza voluminoso.

in effetti è efficiente ma un po' voluminoso!

[SandroCalligaro]

Veramente sono così grandi? Di che correnti di uscita parliamo?

Meiko, scusami, non mi sono espresso bene: mi riferivo a quelli ad IGBT.
Mi sembrano grandini ("dimensioni di un trolley"), per essere allo stato dell'arte...