Jõuelektroonika teeb energiapöörde võimalikuks ja elu paremaks

Ilma jõuelektroonikata ei ole põhimõtteliselt võimalik rääkida rohe- või energiapöördest ega energiakulude kokkuhoiust.

DMITRI VINNIKOV

Tallinna tehnikaülikooli jõu­elektroonika uurimisrühm, kuhu kuuluvad lisaks Dmitri Vinnikovile Oleksandr Husev, Andrei Blinov, Andrii Chub jt (kokku on uurimis­rühmas 22 inimest), pälvis viimase nelja aasta teadustöö eest riikliku teaduse aastapreemia tehnika­teaduste alal. Sellega tunnustati panust energia­tõhusate jõuelektroonikasüsteemide uurimisse ja arendamisse.

Jõuelektroonikal on maailma energiapöördes keskne roll – see tagab elektertranspordi ja taastuvenergeetika kiire arengu. Ilma jõuelektroonikata ei ole põhimõtteliselt võimalik rääkida rohe- või energiapöördest ega energiakulude kokkuhoiust.

Jõuelektroonika ülesanne on muundada elekter seadmete tööks vajalikule kujule. Selliseid muundureid kasutatakse peaaegu kõigis seadmetes alates mobiiltelefonidest kuni lennukiteni. Valdav osa meie igapäevasest tehnoloogiast, nagu elektriautod, induktsioonpliidid, soojuspumbad jms, sisaldab jõuelektroonikat.

Kuna jõuelektroonikal põhinevad energiamuundurid on igapäevatehnoloogia põhikomponent, on väga oluline, et need oleksid võimalikult tõhusad, töökindlad ja odavad. Meie teadustöö eesmärk ongi olnud muuta sellised seadmed veel paremaks ja kättesaadavamaks, et rohepööre oleks igale inimesele ja kogu ühiskonnale ka taskukohane.

Viimaste aastakümnete progress pooljuhttehnoloogias on aidanud muuta muundurid nutikamaks, kompaktsemaks ja kergemaks. Kõige tähtsam nõue muunduritele on suur kasutegur, mis vähendab energiakulu, ning suur töökindlus, mis võimaldab seadmetel töötada aastakümneid ilma hoolduseta. Uus suund on universaalsus, mis võimaldab muunduril täita mitut otstarvet. Näitena võiks tuua USB Type-C standardi, mis lubab sama tehnoloogia abil edastada nii energiat kui ka andmeid.

Meie uurimisrühma põhieesmärk on aidata energiamuundureid veelgi energiatõhusamaks ja töökindlamaks arendada.

Uus meetod energiatõhususe ja töökindluse parendamiseks. Selleks et muuta tänapäevased jõuelektroonikaseadmed veel tõhusamaks, töökindlamaks ja paindlikumaks, vähendades samal ajal nende ülalpidamiskulu, töötasime välja ja juurutasime jõuelektroonika süsteemide energiatõhususe ja töökindluse parendamiseks uue meetodi – topoloogiat muutva juhtimise (TMJ, ingl Topology Morphing Control).

TMJi abil on võimalik jõupooljuhtmuunduri topoloogiat ehk skeemilahendust dünaamiliselt ümber konfigureerida ja muuta selle parameetreid vastavalt rakenduse hetkevajadustele. Üks tähtis verstapost oli uue TMJ-tehnoloogia praktiliste kasutusjuhtude põhjalik uurimine koos oskuste arendamise ja projekteerimisjuhiste koostamisega, et lihtsustada tehnoloogia tööstuslikku kasutuselevõttu. Demonstreerisime TMJi eeliseid eri rakendustes, aidates seega kaasa uue suuna – tarkvarapõhise jõuelektroonika tekkele.

Näiteks on TMJ-meetodi tähtsaim praktiline väljund maksimaalse võimsuspunkti jälgimise (ingl Maximim Power Point Tracking, MPPT) töövahemiku laiendamine päikese-mikromuundurites. Hiljem kasvas sellest välja maailmas esimene kaubanduslik päikese-mikromuundur koos ülitõhusa varjutuskindla maksimaalse võimsuspunkti jälgimisega, Opti­Verter, mille töötas välja Eesti idufirma Ubik Solutions OÜ. Koos tööstuspartneritega on meeskond välja pakkunud ka uudse jõu­elektroonika „legoklotsi“ kontseptsiooni, mille kaubamärgiks sai Flexi­Verter. Seda seadet saab kasutada päikese­paneelide või aku-energiasalvestite kiireks ühendamiseks kodusesse energiatootmissüsteemi. Nutikas muundur suudab iseseisvalt tuvastada energiaallika liigi ja kohanduda selle eripäradega. See lihtsustab märkimisväärselt majapidamiste taastuvenergiasüsteemide projekteerimist ja paigaldamist ning võimaldab kiiremat üleminekut jätkusuutlikule ringmajandusele.

Suur eesmärk – tagada pidev energia­tootmine ka rikete korral. TMJ-tehnoloogia sobib ka missioonikriitilistesse rakendustesse, kus töökindlus ja tõrketaluvus on ülimalt olulised. Mõne komponendi rikke korral saab muundur end ümber konfigureerida ja jätkata tööd kuni planeeritud hoolduseni. TMJ-tehnoloogiat kasutades töötasime päikesepaneelidele välja maailmas esimese rikkekindla muunduri, mis suudab tagada pideva energiatootmise kuni kahe pooljuhtkomponendi rikke korral.

Lisaks sellele töötasime Katari riikliku teadusfondi (QNRF) toel välja Katari rasketesse kliimatingimustesse sobiva elektrisõidukite kiirlaadija uue lahenduse, et parandada laadimistaristu töökindlust ja vähendada selle jooksvaid kulusid.

TMJ-tehnoloogia eeliseid oleme näidanud ka mitmes muus rakenduses. Näiteks Euroopa jõuelektroonika keskuse (ECPE) rahastatud uurimis- ja innovatsiooniprojekti raames, mida toetasid ka Daimler-Benz AG ja Volkswagen AG, arendati välja kompaktse elektrisõidukite pardalaadija tehnoloogia, mis võimaldab kahesuunalist energiavoogu elektrisõiduki ja elektrivõrgu vahel ning suudab tõhusalt sõidukit laadida isegi elektrivõrgu osalise rikke korral.

TMJ mängib võtmerolli tulevase CERNi ringpõrguti (ingl Future Circular Collider, FCC) elektriliste süsteemide loomisse. Seal on TMJi ülesanne parandada suure energiatarbega teaduskatsete jätkusuutlikkust. Rahvusvaheline huvi väljatöötatud lahenduste vastu tõestab nende suurt praktilist väärtust eri rakendustes.

Juhtiv jõuelektroonika uurimiskeskus Balti riikides. Suurem osa TNJiga seotud teadustööst toimus COVID-19 pandeemia ajal. Eriti keeruline oli töö planeerimine ja korraldamine laboris, kus katseid sooritati ööpäev ringi kolmes vahetuses, järgides 2 + 2 sotsiaalse distantsi reeglit.

Raskused aga karastavad, sest põneva uurimistöö kohta on aastatel 2020–2023 avaldatud kokku üle 60 teaduspublikatsiooni, kaitstud viis doktoritööd ja vormistatud kuus patenti. Lisaks magusale tunnustusele on rõõmustavaid tulemusi veelgi. Kolm uurimisrühma liiget (käesoleva artikli autor, Oleksandr Husev ja Andrii Chub) on Stanfordi ülikool arvanud kahe protsendi maailma kõige mõjukamate teadlaste hulka.

Võime rõõmu tunda, et meie rühmast on saanud juhtiv jõuelektroonika uurimiskeskus Balti riikides ja üks suurimaid Põhja-Euroopas. Oleme rahvusvaheline meeskond, mistõttu on mul eriline rõõm jagada riiklikku teaduspreemiat oma Ukraina kolleegide ja sõpradega – Andrii Chubi, Andrei Blinovi ja Oleksandr Huseviga, kellega oleme Tallinna tehnikaülikoolis koos töötanud viimased kümme aastat. Meie meeskonna tugevuste hulgas on kahtlemata vastastikune usaldus, mitmekesisuse austamine, teaduslik uudishimu, hea meeskonnatöö ja pidev õppimine, olenemata vanusest ja karjääripositsioonist. Tugevalt praktiline lähenemine teaduse tegemisele võimaldab koolitada ka uut põlvkonda insenere, kes on valmis igaks katsumuseks nii teaduses kui ka tööstuses.

Dmitri Vinnikov on akadeemik, Tallinna tehnikaülikooli teadlane, jõuelektroonika uurimisrühma juht.