”Vi startede forskningsprojektet med at sprænge transistorer i luften”

På seks år har forskningsprojektet IEPE været med til at gøre Danmark førende og internationalt anerkendt inden for forskning i effektelektronik. Forskningen har resulteret i 156 videnskabelige publikationer, 12 patenter og en ny prisvindende startup-virksomhed.

Hvad sker der, hvis man tager en transistor, øger spændingen, så den bliver varmet op til 100 grader, og man oven i det øger energitabet? Den brænder sammen.

Hvorfor er det interessant at vide? Det er det, fordi en øget spænding gør det muligt at transportere mere energi over længere afstande – og dermed sikre en masse besparelser.

Det hele begyndte med en elementær undren over transistorer tilbage i 2012, og nu – blot seks år senere – er forskningsprojektet IEPE blandt verdens førende, når det gælder effektelektronik, som er de transformere, transistorer og konvertere, der får vores elektriske apparater til at fungere.

– Vi startede projektet i 2012 med at sprænge transistorer i luften. Vi er jo ingeniører og for at forstå tingene ordentligt – altså hvordan de fungerer, hvornår de holder op med at fungere og hvorfor – så vil vi gerne skille dem ad, ødelægge dem, og selv lave dem igen, siger Stig Munk-Nielsen, professor MSO ved Institut for Energiteknologi, Aalborg Universitet.

Han står i spidsen for forskningsprojektet, der er finansieret af Innovationsfonden, og som i samarbejde med en række af Danmarks største energivirksomheder har udviklet smartere og mere energieffektiv effektelektronik.

Højere spænding og mindre energitab
Effektelektronik sikrer blandt andet, at et elektrisk apparat hele tiden får den optimale mængde spænding tilført – det kan være din mobiloplader, som skal omforme de 230V fra stikkontakten til 12V, så opladeren ikke brænder sammen.

Det er også effektelektronik, som omformer jævnstrøm til vekselstrøm og sørger for, at den elektricitet, der produceres i vindmøller eller vandkraftværker, kan transporteres over el-nettet i Danmark.

Her er det helt centralt, at tilpasningen sker så energieffektivt som muligt. Med andre ord skal tabet af energi i effektelektronikken mindskes.

– I bund og grund tilpasser effektelektronik spændingen, så apparatet i hver sin ende er glad og tilfreds, siger Stig Munk Nielsen fra Aalborg Universitet.

Derudover er effektelektronikken essentiel for at optimere transporten af elektricitet, hvor man helst vil have så høj spænding som muligt.

Det var derfor, Stig Munk Nielsen begyndte forskningsprojektet med at teste effektelektronikkens begrænsninger. Efter at have sprunget transistorer i luften fandt forskerne ud af, hvor de skulle sætte ind for at gøre dem mere effektive og i stand til at håndtere den højere strøm.

Det har blandt andet resulteret i en ny konverter til vindmøller, som kan klare en spænding på 15.000 volt, hvilket er det dobbelte af traditionelle konvertere.

Mobilopladere skrumper og bliver mere effektive
En anden udfordring i effektelektronikken er, at der tabes energi, når en spænding konverteres. Det er den varme, man kan mærke på sin mobiloplader. Omkring to procent af energien går tabt.

En vindmølle på 10 megawatt taber omkring 200 kilowatt, når spændingen konverteres til at blive sendt ud på el-nettet.

Der er altså store energibesparelser at hente ved at mindske energitabet. I forskningsprojektet har forskerne udviklet en strømforsyning, som kan konvertere 2.000 watt stort set uden tab af energi.

Det har de gjort ved at bruge en ny type halvleder og ved at fjerne såkaldte parasitiske egenskaber i transformeren (hvor der sker unødvendigt energitab).

- Det er lykkedes en gruppe af vores forskere at udvikle en strømforsyning med så lille et energitab, at det slet ikke er til at forstå, siger Stig Munk Nielsen.

Samtidig kan for eksempel opladere gøres mindre, når effektelektronikfrekvensen øges – ligesom regnekraften for en computer øges, når cpu frekvensen går op.

IEPE-holdet har ledt efter den øvre grænse for effektelektronikfrekvensen og er foreløbig landet på frekvenser, som er cirka 1.000 gange højere end standardfrekvenser på 30kHz.

Nye banebrydende løsninger har skabt grundlaget for spinoff-virksomheden Nordic Power Converters, som er baseret på en ph.d.-studerende Mickey Madsens arbejde i IEPE. Virksomheden har vundet adskillige priser for sine banebrydende strømforsyninger.

Ny teknologi skal overvåge effektelektronik
Effektelektronik er til stede over alt i dagligdagen i det moderne samfund. Hvis det ikke fungerer, holder vores elektriske apparater op med at virke. Det er irriterende, hvis mobilopladeren brænder sammen. Så må man ud og købe en ny.

Anderledes store konsekvenser har det, hvis konverteren i en vindmølle brænder sammen eller måske bare ikke fungerer optimalt. Det giver tab af energi og i værste fald stop for vindmøllen, som så ikke leverer strøm.

Forskerne har derfor udviklet et lille stykke elektronik, som kan holde øje med effektelektronikken.

IEPE gatekeeperen, som den hedder, overvåger ændringer i spændingen og varmetabet i effektelektronikken. Hvis det ændrer sig faretruende meget, skal systemet kunne advare om det, så vindmøllekonverteren kan blive repareret i tide før driftstop.

- Med IEPE-gate driveren kan vi måle ganske små ændringer i effektelektronikken. Vores ønske med det her er, at antal mølledriftsstop reduceres, siger Stig Munk-Nielsen.

Systemet bliver lige nu testet i en vindmølle hvor 192 IEPE gatedriver-kredsløb overvåger effektelektronikken dag og nat.

Om projektet
Fakta

IEPE står for Intelligent and Efficient Power Electronics, og forskerne i projektet har i alt publiceret 156 videnskabelige artikler om projektet i løbet af de seks år fra 2012-2018. Det har resulteret i 12 patienter, sandsynligvis med et 13. på vej.

Projektlederen er fra Aalborg Universitet, som i en kollektiv indsats med DTU og Syddansk Universitet samt KK Wind Solutions A/S, Grundfos, Danfoss A/S og Vestas Wind Systems A/S har løftet niveauet for effektelektronik i Danmark.

"Projektet har været spændende hele vejen igennem fra start til slut. Alle partnere både virksomheder og universiteter er med også nu til slut. Og de ville alle sammen have mere."
- Stig Munk-Nielsen