„6G telekomunikacijų“ infrastruktūros poveikis būsimų lauko mikroinverterių techninėms charakteristikoms.

Artėjantis 6G įdiegimas ir energijos tiekimo iššūkis

Kol 5G ryšių tinklų diegimas vis dar vyksta visame pasaulyje, tyrėjai, standartizavimo organizacijos ir pirmaujančios technologijų įmonės jau kloja technines pagrindas kitos kartos mobiliųjų ryšių sistemoms – 6G. Numatoma, kad komercinė 6G tinklų įdiegimo pradžia įvyks apie 2030 m. Šie tinklai pasiūlys beprecedentinį funkcionalumą, įskaitant terabitų per sekundę duomenų perdavimo greitį, mikrosekundžių uždelstą laiką, integruotą jutiklių veikimą ir ryšį bei sklandų ryšį su milijardais autonomiškų „daiktų interneto“ (IoT) įrenginių. Tačiau šiuos futuristinius tikslus pasiekti reikia radikaliai pakeisti fizinę infrastruktūrą. 6G naudoja itin aukšto dažnio juostas (įskaitant milimetrinio bangos ilgio ir subterahercinio dažnio juostas). Kadangi šių aukšto dažnio signalų bangos ilgis yra labai trumpas, jie stipriai silpnėja per atstumą ir lengvai užbloškiami pastatų, augalijos ir atmosferos drėgmės. Todėl 6G tinklai remsis itin tankiu išorinių mažųjų ląstelių, mikro bazinių stočių ir krašto skaičiavimo mazgų tinklu, kurie bus įrengti ant elektros linijų stulpų, gatvių žibintų, pastatų fasadų ir ryšių bokštų. Šis hiperd Tankus tinklas kelia didelę energijos problemą: elektros tinklas negali lengvai ar ekonomiškai ištempti kintamosios srovės laidų į milijonus nuošalių mikrovietų. Vietinių, labai išsklaidytų saulės fotovoltinių (PV) elementų ir akumuliatorių sistemų integravimas tiesiogiai į šias išorines ląsteles tapo vienintele praktiška 6G infrastruktūros maitinimo sprendimu. Telekomunikacijų įrangos inžinieriams, komunalinių paslaugų operatoriams ir B2B pirkimų direktoriams šis poslinkis radikaliai pakeis išorinių mikroinverterių techninius reikalavimus. Šiame vadove nagrinėjami esminiai techniniai pokyčiai, kuriuos lemia 6G revoliucija.

Ultraukšta galios tankis ir mažos formos faktoriai

Telekomunikacinėje įrangos įrengimo vietoje gatvės stulpe ar šviestuvo stulpe vietos yra absoliučiai ribotos. Miestų planavimo taisyklės ir konstrukcinių vėjo apkrovų ribos apriboja ant stulpų montuojamos įrangos dydį ir svorį. Todėl tradicinio, didelio dydžio invertoriaus naudojimas visiškai neįmanomas.

Norint patenkinti 6G mažųjų ląstelių poreikius, būsimiems lauko mikroinvertoriams reikės pasiekti ultraukštą galios tankį ir labai kompaktišką, mažos formos faktorių:

• Plačiosios juostos puslaidininkinės medžiagos: tradiciniai invertoriai naudoja silicio pagrindu sukurtus IGBT arba MOSFET tranzistorius, kurių jungimo dažniai riboti ir kurie išskiria didelį kiekį šilumos. Būsimi mikroinvertoriai privalės naudoti plačiosios juostos (WBG) medžiagas, ypač galio nitridą (GaN) ir silicio karbidą (SiC). GaN galią valdantys tranzistoriai gali jungtis megahercų dažniu (dešimt–šimtą kartų greičiau nei silicio tranzistoriai), todėl inžinieriai gali sumažinti vidinių induktorių, kondensatorių ir transformatorių dydį iki 70 %, sukurdami mikroinverterį, kurio dydis neviršija įprasto išmaniojo telefono.
• Šilumos valdymas: veikimas tokiais aukštais dažniais mažame, sandariame korpuso viduje reikalauja inovacinio šilumos valdymo sprendimo. Būsimi mikroinvertoriai remsis pažangiomis užpildymo medžiagomis (ypač šilumai laidžiomis epoksidinėmis dervomis, kurios visiškai užpildo korpusą), kad šilumą tiesiogiai perduotų aliumininiam išoriniam korpusui, panaikindami vidaus ventiliatorių poreikį ir užtikrindami ilgalaikį šiluminį patikimumą tiesioginės saulės šviesos poveikiu.

JYINS jau stipriai investuoja į GaN ir SiC galios keitimo tyrimus, užtikrindamas, kad mūsų naujos kartos mikroinverterių eilės būtų visiškai optimizuotos telekomunikacijų OEM gamintojams reikalingam ribotam erdviniam tarpui ir aukštoms šiluminėms sąlygoms.

Ultraukštą patikimumą ir priežiūros nereikalaujančią tarnavimo trukmę

Telekomunikacijų tinklai priskiriami prie kritinės infrastruktūros ir reikalauja 99,999 % veikimo laiko („penki devynetai“ standartas). Vieno mikrovietės gedimas gali sukurti vietinį aprėpties nutrūkimą, sutrikdydamas ryšius su autonomiškais automobiliais arba skubiosios pagalbos paslaugomis. Kadangi 6G tinkluose bus naudojami milijonai mikroceliulių, technikų siuntimas į fizinio komunalinio stulpo mikroinverterių keitimą yra ekonomiškai ir operaciškai neįmanomas. Mikroinverteriai turi būti suprojektuoti taip, kad jų tarnavimo trukmė atitiktų arba viršytų paties telekomunikacijų stulpo tarnavimo trukmę (paprastai 20–25 metai) be jokios fizinės priežiūros.

Norint pasiekti tokio patikimumo lygio, mikroinverterių konstrukcijoms būtina atlikti griežtus medžiagų ir komponentų lygio modernizavimus:

• Elektrolitinių kondensatorių pašalinimas: Skystieji elektrolitiniai kondensatoriai yra pagrindinis tradicinių invertorių verslo taškas, nes jų skystasis elektrolitas per dešimt–penkiolika metų lėtai išdžiūsta, ypač karštuose lauko aplinkos sąlygose. Būsimiems mikroinverteriams visiškai reikės pereiti prie kietųjų būsenos plonųjų plėvelių ar keraminių kondensatorių, kurie užtikrina beveik begalinį veikimo tarnavimo laiką ir visišką stabilumą ekstremaliomis temperatūromis.
• Pažangus aplinkos sandarinimas: Lauko stulpuose montuojamiems mikroinverteriams reikia atlaikyti stiprius lietus, sniegą, dulkių audras ir pakrantės druskos rūką. Išorinė korpuso apvalkalo klasifikacija turi būti IP67 arba IP68, o jo konstrukcija – hermetiškai užsandarintas metalinis korpusas su stiklo ir metalo sandarinimu išorinėms laidų jungtims, visiškai pašalinant vandens arba dulkių patekimo riziką.
• Prognozuojamosios techninės priežiūros algoritmai: ateityje JYINS mikroinverteriai integruos pažangiąją mašininio mokymosi diagnostinę programinę įrangą į savo mikroschemas. Tolydžiai analizuodami mikrosvyruojančius įtampą, srovę ir temperatūrą, inverteris gali prognozuoti komponentų ausimą ir per IoT ryšį įspėti tinklo operatorių keliomis savaitėmis anksčiau nei įvyksta fizinė gedimo situacija, leisdamas planuoti techninę priežiūrą kartu su įprastomis bokštų aptarnavimo operacijomis.

Beveik nulinis elektromagnetinis trikdys (EMI) ir radijo dažnių ekranavimas

Pagal apibrėžimą, telekomunikacinė bazinė stotis yra labai jautrus radijo imtuvas ir siųstuvas. Aukšto dažnio galios inverterio veikimas arti (dažnai tik kelių centimetrų atstumu) 6G aukšto greičio radijo antenų kelia rimtą elektromagnetinės suderinamumo (EMC) grėsmę.

Invertoriai veikia greitai įjungdami ir išjungdami aukštos įtampos nuolatinės srovės (DC) srovę, dėl ko natūraliai susidaro aukšto dažnio elektromagnetinis triukšmas (EMI). Jei šis triukšmas nėra griežtai ekranuojamas, jis gali perduotis į ryšio antenos laidus, sukeliant signalo prastėjimą, duomenų paketų praradimą ir žymų 6G tinklo perdavimo greičio sumažėjimą.

Norint pasiekti suderinamumą su 6G infrastruktūra, mikroinvertorių techniniai reikalavimai turi užtikrinti beveik nulinį EMI lygį:

• Pažangus EMI filtravimas: mikroinvertoriai turi integruoti stiprius, daugiapakopius elektromagnetinio triukšmo filtrais tiek nuolatinės srovės (DC) įėjimo, tiek kintamosios srovės (AC) išėjimo linijose, kad būtų sugautas ir slopinamas aukšto dažnio jungimo triukšmas.
• Aktyvioji apsauga ir korpuso konstrukcija: Inverterio išorinis korpusas turi veikti kaip fizinis Faradėjaus tinklas. Korpusas turi būti pagamintas iš storesnių, liejamosios aliuminio lydinių, su specialiais laidžiaisiais tarpiniais, kurie blokuoja visas spinduliuojamas radijo dažnio (RF) emisijas, atitinkant griežtus telekomunikacijų elektromagnetinio suderinamumo standartus (pvz., EN 301 489 ir FCC 15 dalis, klasė B).
• Minkštieji perjungimo topologijos: Naudojant rezonansines perjungimo topologijas (pvz., LLC rezonansinius keitiklius), inverteris leidžia perjungti tranzistorius nulinės įtampos (ZVS) arba nulinės srovės (ZCS) sąlygomis. Šis minkštasis perjungimas žymiai sumažina stačiuosius įtampos šuolius, kurie pirmiausia sukuria aukšto dažnio elektromagnetinį triukšmą (EMI), todėl gaunamas ypatingai tyri elektrinis profilis.

Kuriant šias pažangias elektromagnetinio suderinamumo (EMC) konstrukcijas, JYINS užtikrina aukšto našumo mikroinverterių technologijos tiekimą, kuri be problemų integruojama į jautrius belaidžius tinklus, teikdama švarią, patikimą žaliąją energiją be ryšių veiklos kokybės pablogėjimo.

Tiesioginės nuolatinės srovės (DC) sujungtos mikro–mikrosistemos architektūros

Tradiciniai saulės elektrinės įrenginiai saulės baterijų nuolatinę srovę (DC) paverčia kintamąja srove (AC), kuri po to paskirstoma ir vėl konvertuojama į nuolatinę srovę (DC) galutinio vartotojo prietaisuose. Šeštosios kartos (6G) mažųjų ląstelių sistemoms, kurios vidinėje veikimo aplinkoje naudoja labai stabilų nuolatinės srovės (pvz., 48 V DC) maitinimą, šis daugietapinis konvertavimas (DC → AC → DC) yra labai neefektyvus ir iki 15 % brangios saulės energijos prarandama kaip šiluma.

Todėl ateities 6G lauko maitinimo sistemos bus orientuotos į itin efektyvias tiesiogines nuolatinės srovės (DC) sujungtas architektūras. Vietoje tradicinių mikroinverterių rinka reikš didelį poreikį ultra-kompaktiškams nuolatinės srovės (DC) į nuolatinę srovę (DC) konverteriams ir protingiems DC mikroinverteriams, kurie tiesiogiai jungtųsi su vietinėmis litio jonų akumuliatorių baterijomis ir 6G maitinimo magistralėmis. Šis tiesioginis nuolatinės srovės (DC) integravimas maksimaliai padidina energijos naudojimo efektyvumą, supaprastina sistemos struktūrą ir užtikrina ultra-stabilų, nepersitrukdymą turintį maitinimą tiesiogiai telekomunikacinėms įrangoms.

JYINS siekia padėti telekomunikacijų pramonei pereiti prie žaliosios, darnios 6G ateities. Nuolatinės investicijos į GaN technologiją, kietųjų medžiagų elektroniką ir pažangią elektromagnetinę ekranavimą užtikrina, kad mūsų būsimi energijos konvertavimo produktai atitiktų ir viršytų rytojų belaidžių tinklų reikalavimus, taip įgalindami hiperprisijungusį pasaulį švaria, patikima ir protinga saulės energija.