Tehoelektroniikassa

Tehoelektroniikka on sähkötekniikan ala, joka käsittelee sähkön muuntamista ja hallintaa tehovälineillä. Sen tavoitteena on muuntaa, siirtää ja säädellä sähköenergiaa mahdollisimman tehokkaasti, luotettavasti ja käyttöolosuhteiden mukaan. Ala yhdistää sähkötekniikan, elektroniikan, säätötekniikan sekä lämpö- ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) näkökulmat.

Keskeisiä komponentteja ovat tehomoduulit ja teholaitteet, kuten tehomuuntajat, diodit sekä MOSFET- ja IGBT-transistorit sekä niiden ajurit. Passiivisia komponentteja ovat induktorit, kondensaattorit ja suodattimet. Tärkeää on myös jäähdytys, pakkaus ja terminen suunnittelu sekä sähkömagneettinen yhteensopivuus. Mallintaminen ja suunnittelu perustuvat sekä analogi- että digitaalisiin menetelmiin.

Yleisimmät konfiguraatiot ovat AC-DC-tyyppiset virtalähteet, DC-DC-muuntimet (buck, boost, buck-boost sekä niiden kytkennäiset laajennukset), DC-AC-invertterit (PWM- tai SPWM-/SVPWM-ohjauksella) sekä AC-AC-modulaattorit. Kontrolli toteutetaan usein digitaalisesti käyttäen mikrokontrollereita, DSP:itä tai FPGA-piirejä, ja modulaatiotekniikoina käytetään PWM:n lisäksi kehittyneempiä toteutuksia.

Sovellukset kattavat tietokoneiden ja elektronisten laitteiden virtalähteet, moottorikäytön (harjattomat ja muut sähkömoottorit), uusiutuvan energian kytkennät (aurinko- ja tuulijärjestelmät), sähköajoneuvot sekä tehoverkkojen ja varavoiman ratkaisut.

Kehityssuuntaukset liittyvät laajempaan käytön SiC- ja GaN- puolijohteisiin, jotka mahdollistavat korkeammat kytkentänopeudet, paremman hyötysuhteen ja pienemmän kokoluokan. Haasteisiin kuuluvat lämmönhallinta, luotettavuus, sähkömagneettinen yhteensopivuus ja standardien noudattaminen.