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Darnell: Entwicklungen und Trends

Jenseits idealer Produkte und unangenehmer Wahrheiten

9. Januar 2017, 15:14 Uhr | Von Jeff Shepard, Gründer und CEO von Darnell

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Das Potenzial ganz neuer Power-Archikteturen

Neue Power-Architekturen zur Umsetzung von 48 auf 1 V haben an Bedeutung gewonnen, seit die Anforderungen an die Leistungsdichte in Server-Farmen im Gefolge von Trends wie Deep Learning und künstlicher Intelligenz rasant gestiegen sind. Alle vorgestellten GaN-Systeme boten Effizienz- und Leistungsdichte-Werte, die deutlich über dem heutiger siliziumbasierter Systeme liegen. Ein nicht isolierter zweistufiger Wandler bot die höchste Leistungsdichte, die niedrigsten Anschaffungskosten, die schnellste Transientenreaktion und die zweitbeste Effizienz. Wenn Effizienz der wichtigste Faktor ist, dann kann ein einstufiges, transformerbasiert System eine Effizienz von bis zu 90 Prozent erreichen, aber um den Preis höherer Kosten, Abstrichen bei der Leistungsdichte und in der Transientenreaktion.

Die Formel für Negawatt-Kosten

Dr. Ohashis Vortrag trug den Titel: »Horizon beyond Ideal Power Devices«. Seine Intention: die Power-Electronics-Branche zu Veränderungen in ihren Entwicklungsanstrengungen zu bewegen. Anstatt nur einfach elektrische Effizienz zu messen, fordert er vor allem einen effizienten Umgang mit der erzeugten Energie. Dafür kreiiert er ein neues Konzept: Negawatt-Cost. Der Einsatz fortschrittlicher Leistungselektronikkomponenten und –systeme ist für die Umsetzung dieses Ziels von entscheidend.

Der allgegenwärtige Einsatz von Power Electronics, so Dr. Ohashi, wird von großer Bedeutung für den zukünftigen Energieverbrauch werden. Energieersparnis durch effiziente Power-Electronic-Systeme ist gleichbedeutend mit einem elektrischen Energie-Dynamo in Form von Negawatt. Dafür wird das neue Ziel, Negawatt-Kosten, wie folgt definiert:

Negawatt cost = (System Cost + Running Cost) / (Saved Energy x Operation Time)

Für Dr. Ohashi ist die Reduzierung der Negawatt-Kosten ein essentielles Ziel, um Menschen und Industrie mit bezahlbarer Energie zu versorgen, und zwar nicht nur in den entwickelten Industriestaaten, sondern auch in den Entwicklungsländern. In der Konsequenz werden die Systemkosten in Zukunft vor allem durch die Produktivität bestimmt, sowie von den erfolgten Energieeinsparungen. Eine ebenfalls wichtige Rolle bei der Reduzierung der laufenden Kosten spielen die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Power Devices.

Dr. Ohashi stellt fest: Zwei große Veränderungen beim Einsatz effizienter elektrischer Energie werden in Zukunft entscheidend sein. So wird es eine Herausforderung darstellten, den allgegenwärtigen Einsatz effizienter Power Electronics mit dem Ziel einer Reduzierung der Negawatt-Kosten voranzutrieben. Dass es sich lohnt, zeigt eine Beispielrechnung: Die Negawatt-Kosten für einen hocheffizienten 100-kW-Motorantrieb bewegen sich zwischen 11 Yen/kW pro Stunde bis 15 Yen/kW pro Stunde. Das entspricht ziemlich genau den Kosten für erzeugte Energie durch einen Generator oder eine Windturbine. Um Systeme und Komponenten mit niedrigeren Negawatt-Kosten herzustellen, bedarf es vor allem Bauteile und Komponenten mit niedrigen Verlustleistungen, leistungsstarker Konverter mit hoher Leistungsdichte und Produkte und Komponenten mit hoher Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Die zweite große Herausforderung sieht Dr. Ohashi darin, das Energie-Internet als Service Domain zu begreifen, indem man das Distributed-Energy-Network und das Digital-Netwerk zusammenführt, und zwar hauptsächlich durch die Halbleiter-Domain und die Funktions-Domain. Die Energy-Internet-Domain basiert vor allem auf der Halbleiter-Domain. Die Halbleiter-Domain und die Service-Domain werden verbunden werden durch die Functional-Domain, die sich im Wesentlichen aus integrierten Power-Konvertern, Halbleiter-Transformern, Energy-Routers, intelligenten Sicherungen, Daten-Centern, Basisstationen, Wi-Fi und so weiter zusammensetzt. In der Halbleiter-Domain werden sich in Zukunft nach Dr. Ohashis Überzeugung neue Produkte entwickeln, die eine hochintegrierte, nahtlose Verbindung von Sensor, Prozessor, Speicher-, Kommunikations- und Power-Bauteil darstellen werden, und all das auf On-Chip- und In-Package-Level.

Gleichzeitig ist es nach Überzeugung von Dr. Ohashi notwendig, dass Software-, Protokoll- und neue Power-Network-Theorien (inklusive der Entwicklung von Software Defined Power) vorangetrieben werden. Parallel dazu müssen neue Entwicklungen im Material- und Produktionsbereich vorangetrieben werden. Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Disziplinen, so Dr. Ohashi, wird dringend notwendig sein, um diese Ziele zu erreichen.