Effektelektronik bruges til styre og omdanne elektrisk energi i alle dele af el-systemet og har dermed en nøglerolle i den grønne omstilling. Derfor arbejder forskere på at udvikle bedre og mere pålidelig effektelektronik – for eksempel ved at bruge flydende metaller til at forbinde komponenterne.

Af Francesco Iannuzzo, professor ved AAU Energi

En af vor tids helt store udfordringer er at omstille vores energiforbrug fra helt overvejende at basere sig på fossile brændstoffer til i meget højere grad at basere sig på vedvarende energikilder. Produktionen af energi fra vedvarende energikilder har det grundlæggende problem, at ingen vedvarende energikilde kan levere energi konstant. Når det ikke blæser, producerer vindmøllerne således ingen energi, og når solen ikke skinner, har vi ikke meget glæde af solceller. En energiforsyning baseret på vedvarende energi kræver derfor et energilagringssystem, som kan lagre energi, mens der produceres, og frigive den igen, når der er behov for det.

Grundlæggende finder der to typer af energilagringssystemer: batterier og elektrolysebrændstoffer. I batterier sker energilagring gennem elektroder, der omdanner lavenergikemikalier til højenergikemikalier. Denne reaktion kaldes elektrolyse, og den er reversibel, og derfor kan den akkumulerede elektriske energi genvindes ved omvendt elektrolyse. Elektrolysebrændstoffer som brint eller methanol laves ved hjælp af det samme elektrolyseprincip, som finder sted i batterier, men i stedet for at anvende det omvendte elektrolyseprincip, frigives den lagrede energi ved forbrænding, for eksempel i en bilmotor. Elektrolysebrændstoffer er CO₂-neutrale, fordi produktionen af brændstofferne fjerner den samme mængde CO₂ fra atmosfæren, som der udledes ved forbrænding.

Energi går tabt i konvertering

Når vi snakker om denne omstilling til en energiforsyning baseret på vedvarende energi er et helt centralt koncept, det man kalder virkningsgraden (som har symbolet η). Når en energi omdannes fra en given form (for eksempel elektrisk) til en anden form (for eksempel kemisk), eller i samme form, men med forskellige karakteristika (eksempelvis fra elektrisk lavspænding til elektrisk højspænding), er der uundgåeligt et energitab, som kaldes konverteringstabet. Virkningsgraden er dermed forholdet mellem den opnåede energi og den tilførte energi, og den er altid mindre end én, fordi der aldrig kan opnås mere energi, end der tilføres.

Virkningsgraden er typisk et meget højt tal, når der er tale om elektrisk energiomdannelse, for eksempel 0,9 eller endnu højere. Vi kan altså ud fra virkningsgraden umiddelbart aflæse den relative mængde energi, der går tabt i processen, idet den blot er 1-η. I omstillingen til en vedvarende energiforsyning er det derfor meget vigtigt at reducere den mængde energi, der går tabt ved konvertering. Faktisk sker der i hele processen fra produktion, transport, distribution og forbrug af energi typisk 5-6 omdannelser, hver med en virkningsgrad mindre end 1 og dermed et tab. Hvis hver omdannelse eksempelvis sker med en virkningsgrad på 0,9, betyder 5 konverteringer således, at kun 0,95, dvs. knap 60 % af den oprindelige energi er tilbage. Det forklarer, hvorfor der på globalt plan for hver produceret 10 kWh går mere end 5 kWh tabt på grund af konverteringstab.

Det betyder også, at der potentielt kan være meget at vinde ved at øge effektiviteten af ​​elektriske energitransformationssystemer.

Strategier for at øge virkningsgraden

Men hvilke strategier har vi for at kunne øge virkningsgraden? Der er mange, men grundlæggende falder forskningen indenfor området i to hovedretninger. Den ene handler om at gøre de elektroniske kredsløb, der bruges til at ændre for eksempel spændingen eller strømmen i et elektrisk system, mere effektive. At øge virkningsgraden af et elektronisk kredsløb betyder, at kredsløbet vil producere mindre varme, mens det udfører sin funktion, hvilket betyder mindre tab af energi.

Den anden strategi går ud på at undgå store variationer i energiforbruget. Det skyldes, at konverteringstabene ikke er lineære. Med andre ord er konverteringstabene større ved højt forbrug end ved lavt forbrug. Det er derfor bedre at have et konstant eller næsten konstant energiforbrug – og dermed konstant behov for energiproduktion – frem for et energiforbrug, der varierer meget i løbet af dagen og henover årstiderne.

På Aalborg Universitet har vi ved Institut for Energi (AAU Energy) to forskningsgrupper, der arbejder indenfor begge de nævnte retninger. Den ene gruppe arbejder således med at gøre elektroniske kredsløb mere effektive, mens den anden arbejder med at udvikle intelligente strategier for at balancere energiforbruget, så vi opnår energistrømme, der er så konstante som muligt. Det sidste handler om på grundlag af prognoser og algoritmer baseret på kunstig intelligens at blive bedre til at forudsige energiforbruget i den betragtede periode, så man kan vedtage strategier for at udskyde belastninger, det er muligt at udskyde, for eksempel opladning af elbiler.

Pålidelige komponenter

Når vi arbejder med at udvikle mere effektive elektroniske komponenter, handler det ikke kun om at opnå størst mulig effektivitet. Et ligeså vigtigt aspekt er, at komponenterne er pålidelige, det vil sige, at de ikke svigter og dermed holder længe.

Alle teknologier indenfor vedvarende energi er baseret på elektroniske omformere, der gør det muligt at modulere og regulere den producerede energi over tid. I for eksempel en vindmølle eller en solcellegenerator er elektronikken nødvendig for at omdanne produktionen af ​​variabel energi fra vinden eller solen til en energistrøm med faste parametre (typisk elektrisk spænding og elektrisk frekvens), der gør det muligt at distribuere energien i elnettet. Elektronik, der bruges til at styre og konvertere elektrisk energi, kaldes på fagsprog for effektelektronik. Da vedvarende energisystemer er forholdsvist dyre, skal de elektroniske komponenter, der bruges indenfor dette område, helst kunne holde op til 25 eller endda 30 år. Det er naturligvis en stor udfordring at producere komponenter, der er pålidelige nok til at fungere over så lang en tidshorisont.

Jeg leder selv en forskergruppe på AAU Energy, hvor vi beskæftiger os specifikt med effektelektroniske komponenters pålidelighed. Når man taler om pålidelighed i denne sammenhæng defineres det konkret som, hvor stor en andel af komponenterne, der stadig virker efter et givet antal år. Og her er man selvfølgelig interesseret i at rykke grænserne, så en stadig større andel virker i flere og flere år.

Den anden form for fejl sker tilsvarende ved brud, men her mellem halvlederen og det loddelag, som forbinder chippen med underlaget, som typisk er en kobberoverflade. Denne type fejl, som kaldes delaminering af loddelaget, skyldes ligeledes forskel i termiske ekspansionskoefficienter for de to materialer, der er i kontakt med hinanden. Det fører til spændinger ved grænsefladen mellem halvlederen og loddelaget, som i sidste ende kan danne hulrum under halvlederen eller løsrive den helt.

Begge typer af fejl skyldes altså, at der opstår spændinger i kontaktfladen mellem materialer på grund af den temperaturdrevne udvidelse af materialerne, når komponenterne er i drift. Hvis vi vil øge pålideligheden af ​​strømelektroniske komponenter, er det altså nødvendigt at reducere de termiske belastninger, som grænsefladerne bliver udsat for. En mulighed er her at “overdimensionere” komponenten, hvilket betyder at man bruger en komponent af en højere kategori end nødvendigt for at styre det nødvendige effektniveau. Det er dog en dyr løsning og derfor ikke attraktiv.

Flydende forbindelser giver mere pålidelig elektronik

I vores forskergruppe ved AAU Energy forsøger vi derfor at gå en anden vej og finde løsningerne på materialeniveau. Mere specifikt, arbejder vi på at erstatte materialerne i grænsefladerne med metaller i en flydende tilstand, hvilket giver mulighed for total eliminering af stress.

Vi har udviklet en teknologi, hvor vi forbinder en chip med en kobberbro ovenfor chippen ved hjælp af en dråbe flydende galliumlegering (se foto). Deponering af metallet sker gennem et hul lavet i kobberbroen, som tillader fordeling af den mængde metal, der er nødvendig for at etablere kontakten. Forbindelsen til den nederste del af chippen foregår stadig på konventionel vis ved hjælp af et loddelag, men det er dog planen med tiden at undersøge, om også denne forbindelse kan erstattes med en flydende metallegering.

Vi har med denne prototype opnået overraskende resultater med hensyn til pålidelighed. Således kunne vores teknologi baseret på flydende metal klare 6-10 gange så mange termiske cyklusser – det vil sige gentagen opvarmning og nedkøling – som konventionelle bond wires, før forbindelsen svigtede. Dette lover godt for, at denne teknologi kan fremme udviklingen af effektelektroniske enheder, der er meget mere pålidelige end de hidtil kendte.

Der er dog endnu nogle ulemper ved teknologien, der især handler om, at galliumlegeringer på langt sigt kan reagere med de metalliseringer – dvs. overfladebehandlinger med metaller – der typisk anvendes på den øverste overflade af halvlederchippen. En sådan uønsket reaktion kan i sidste ende beskadige eller ødelægge den effektelektroniske komponent. Af denne grund fokuserer vi nu på at udvikle alternativer til de metalliseringer, der bruges på chipoverflader, der udviser ringe eller ingen reaktivitet med gallium. Vi forventer, at vi indenfor de næste tre år vil kunne få teknologien udviklet i en grad, så det vil være muligt at bruge den i kommercielle produkter. ♦