Vermogenselektronica: de stille kracht achter de internationale techrevolutie

Vermogenselektronica vormt de ruggengraat van hightechsystemen, van geavanceerde chipmachines tot levensreddende medische elektronica. “Het moet allemaal sneller en nauwkeuriger,” aldus Bas Vermulst, associate professor in vermogenselektronica aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). Als keynotespreker tijdens het Power Electronics & Energy Storage event, op 17 juni in Den Bosch, vertelt hij over de rol van power electronics in de hightechindustrie.

“Vermogenselektronica is van groot belang voor de Nederlandse economie en het BBP,” vertelt Vermulst . “Het speelt een sleutelrol in veel hightech toepassingen. Voor typisch Nederlandse bedrijven als Philips en ASML, die internationaal toonaangevend zijn, is vermogenselektronica zelfs onmisbaar. Zo produceren de lithografiemachines van ASML wereldwijd 90% van alle moderne chips. Van de chips in laptops en telefoons tot die in AI-toepassingen. Daar mogen we als klein land best trots op zijn.”

Uitdagingen

Dat vermogenselektronica booming is, merken Vermulst  en zijn collega’s dagelijks. “Er is grote behoefte aan kennis. Bedrijven zijn niet alleen op zoek naar geschoold personeel, maar ook naar oplossingen voor hun technologische problemen en kloppen daarvoor bij ons aan.”

Zelf werkte Vermulst van 2009 tot 2017 bij Prodrive Technologies als ingenieur en systeemarchitect. Hij begrijpt waar de industrie in de praktijk tegenaan loopt. “Bij het nauwkeuriger maken van elektronica, zijn lineariteit, ruis en drift de meest voorkomende uitdagingen. Lineariteit en ruis kun je letterlijk horen. Ruis kennen we allemaal van de radio maar ook lineariteit herkennen onze oren goed. Tijdens mijn presentatie zal ik wat audiofragmenten van deze verstoringen afspelen.”

Verstoringen

Hij legt uit wat er technisch gezien aan de hand is: “Bij problemen met lineariteit heeft de uitgang geen rechtlijnig karakter ten opzichte van de ingang, waardoor de nauwkeurigheid van het signaal afneemt. Ruis houdt in dat de uitgang is verstoord, terwijl ‘drift’ betekent dat de converter na verloop van tijd geen correct signaal meer geeft, bijvoorbeeld door veroudering of opwarming.”

“De oorzaak van dit soort verstoringen ligt meestal op component- en implementatieniveau. De gebruikte stroomsensoren zijn bijvoorbeeld niet geschikt. Of de signalen zijn onhandig verbonden op de printplaat, waardoor ze vatbaar worden voor verstoring van buitenaf. Ook bij de selectie van componenten gaat het geregeld mis. Dan houdt de ingenieur bij de keuze voor een component bijvoorbeeld onvoldoende rekening met levensduur. Hierdoor functioneert het systeem niet zo als bedoeld. Een kleine fout met grote gevolgen.”

Moeizame samenwerking

En dan is er de uitdaging van interdisciplinaire samenwerking. “De ontwikkeling van vermogenselektronica is een complex proces. Veel verschillende domeinen komen bij elkaar: elektrotechniek, thermodynamica, mechanica, printplaattechnologie en noem maar op. Mensen met verschillende expertisen werken aan hetzelfde product. Goede afstemming en communicatie is dan cruciaal. Als dit niet optimaal verloopt, neemt de kans op misverstanden en fouten snel toe. Als ontwerper moet je het overzicht houden en fungeren als spin in het web.”

Praktische oplossingen

Toch zijn volgens de ingenieur veel problemen te voorkomen. Hij geeft enkele voorbeelden. “Binnen de onderzoekslijn werken we aan meerdere praktische oplossingen voor nauwkeurigere en snellere vermogenselektronica. Zo hebben we een Delta-Sigma-modulatieschema ontwikkeld als alternatief voor de pulsbreedtemodulatie die nu vaak wordt gebruikt om de omvormer te moduleren. Delta-sigma-modulatie gebruikt oversampling en noise shaping. Hierdoor bereiken ADC’s en DAC’s een hoge resolutie en nauwkeurigheid, zelfs met eenvoudige hardware. Dit maakt een snellere en nauwkeurigere converter mogelijk.”

Een tweede manier om de schakelfrequentie en nauwkeurigheid van halfgeleiders te verhogen, is door de inzet van siliciumcarbide (SiC) of galliumnitride (GaN) in plaats van silicium. Vermulst: “Halfgeleiders op basis van SiC en GaN maken het mogelijk om tientallen malen sneller te schakelen waardoor de prestaties en nauwkeurigheid aanzienlijk verbeteren. Zeker bij toepassingen die een hoge snelheid vereisen, zijn de voordelen groot.”

Nadeel van SiC en GaN is dat het kostbaarder is om mee te bouwen, al zullen de kosten dalen zodra meer bedrijven het gaan gebruiken. Een tweede bezwaar is dat de componenten jonger zijn waardoor er bijvoorbeeld minder bekend is over de levensduur en betrouwbaarheid op de lange termijn. Dit houdt sommige bedrijven tegen. Onterecht, vindt Vermulst. “Het is een kosten-baten afweging. Als je te lang wacht met het onderzoeken en toepassen van nieuwe technologieën mis je in de toekomst de boot. Hightech toepassingen vereisen een converter die snel, nauwkeurig en betaalbaar is. En dat kan het beste met de nieuwste technologieën.”

Meer weten?

Wil je meer weten over de toekomst van power electronics in de hightechindustrie?  Meld je dan aan voor de lezing op de website van Power Electronics & Energy Storage. Tot ziens in Den Bosch!