Влияние инфраструктуры «6G Telecom» на технические характеристики будущих внешних микроконвертеров.

Наступление 6G и энергетическая проблема

Хотя развертывание сетей беспроводной связи пятого поколения (5G) продолжается по всему миру, исследователи, организации по стандартизации и ведущие технологические компании уже закладывают технические основы следующего поколения мобильной связи — 6G. Коммерческое внедрение сетей 6G ожидается примерно к 2030 году; они обеспечат беспрецедентные возможности, включая скорость передачи данных на уровне терабит в секунду, задержку в микросекундах, интеграцию функций чувствительности и связи, а также бесперебойную связь для миллиардов автономных устройств Интернета вещей (IoT). Однако достижение этих футуристических целей потребует кардинального изменения физической инфраструктуры. Сети 6G будут использовать чрезвычайно высокочастотные диапазоны (включая миллиметровые волны и подтерагерцовые частоты). Поскольку сигналы на этих высоких частотах имеют очень короткую длину волны, они быстро затухают на расстоянии и легко блокируются зданиями, растительностью и влагой в атмосфере. В результате сети 6G будут опираться на сверхплотную сеть уличных малых базовых станций (small cells), микро-базовых станций и узлов вычислений на периферии (edge computing), установленных на опорах линий электропередачи, фонарных столбах, фасадах зданий и телекоммуникационных вышках. Такая гиперплотная сеть порождает колоссальную энергетическую проблему: электрическая сеть не может легко или экономически эффективно проложить физические переменного тока (AC) кабели к миллионам удалённых микроузлов. Интеграция локальных, высоко распределённых солнечных фотоэлектрических (PV) систем и аккумуляторных накопителей непосредственно в эти уличные базовые станции стала единственным практически применимым решением для питания инфраструктуры 6G. Для инженеров-разработчиков телекоммуникационного оборудования, операторов коммунальных служб и руководителей отделов закупок B2B этот переход принципиально изменит технические требования к уличным микроконвертерам. В настоящем руководстве рассматриваются ключевые технические изменения, обусловленные революцией 6G.

Сверхвысокая удельная мощность и миниатюрные габариты

В телекоммуникационной установке на уличном столбе или фонарном столбе пространство крайне ограничено. Градостроительные нормы муниципалитетов и ограничения по ветровой нагрузке на конструкции определяют максимально допустимые размеры и массу оборудования, которое можно разместить на столбах. Поэтому использование традиционного массивного инвертора полностью исключается.

Для удовлетворения потребностей малых базовых станций 6G будущие наружные микропреобразователи должны обеспечивать сверхвысокую удельную мощность и чрезвычайно компактную, миниатюрную конструкцию:

• Полупроводники с широкой запрещённой зоной: Традиционные инверторы используют кремниевые IGBT или MOSFET, которые ограничены по частоте переключения и выделяют значительное количество тепла. Будущие микропреобразователи должны использовать материалы с широкой запрещённой зоной (WBG), в частности нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC). Транзисторы на основе GaN способны переключаться на мегагерцовых частотах (в 10–100 раз быстрее, чем кремниевые), что позволяет инженерам уменьшить размер внутренних дросселей, конденсаторов и трансформаторов до 70 %, создавая микропреобразователь, габариты которого не превышают размеры стандартного смартфона.
• Тепловой менеджмент: Работа на таких высоких частотах внутри компактного герметичного корпуса требует инновационного теплового проектирования. Будущие микропреобразователи будут использовать передовые заливочные материалы (высокотеплопроводные эпоксидные смолы, полностью заполняющие корпус) для прямого отвода тепла к алюминиевому внешнему корпусу, что исключает необходимость во внутренних вентиляторах и обеспечивает долгосрочную тепловую надёжность даже при прямом солнечном свете.

Компания JYINS уже активно инвестирует в исследования по преобразованию мощности на основе нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC), обеспечивая полную оптимизацию наших микропреобразователей следующего поколения под жесткие требования телекоммуникационных OEM-производителей в части компактности и теплового режима.

Сверхвысокая надежность и эксплуатация без технического обслуживания в течение всего срока службы

Телекоммуникационные сети относятся к критически важной инфраструктуре и требуют уровня доступности 99,999 % (стандарт «пять девяток»). Отказ одного микросайта может привести к локальному разрыву покрытия, нарушая связь для автономных транспортных средств или служб экстренного реагирования. Поскольку в сетях 6G будет задействовано миллионы микроклеток, направление сервисных специалистов для замены вышедших из строя микропреобразователей на физических опорах линий электропередачи экономически и операционно нереализуемо. Микропреобразователи должны быть спроектированы так, чтобы их срок службы соответствовал или превышал срок службы самой телекоммуникационной опоры (обычно от двадцати до двадцати пяти лет) при полном отсутствии необходимости в физическом техническом обслуживании.

Для достижения такого уровня надежности конструкции микропреобразователей должны пройти тщательную модернизацию на уровне материалов и компонентов:

• Устранение электролитических конденсаторов: жидкие электролитические конденсаторы являются основной точкой отказа в традиционных инверторах, поскольку их жидкий электролит постепенно высыхает в течение десяти–пятнадцати лет, особенно в жарких условиях эксплуатации на открытом воздухе. В будущем микропреобразователи должны полностью перейти на твердотельные тонкоплёночные или керамические конденсаторы, которые обеспечивают практически неограниченный срок службы и полную стабильность при экстремальных температурах.
• Современная защита от воздействия окружающей среды: микропреобразователи, устанавливаемые на наружных опорах, должны выдерживать ливневые дожди, снег, пыльные бури и солевой туман в прибрежных районах. Внешний корпус должен иметь степень защиты IP67 или IP68, оснащаться герметичным металлическим корпусом с герметичными стекло-металлическими уплотнениями для внешних проводных соединений, что полностью исключает риск проникновения воды или пыли.
• Алгоритмы прогнозирующего технического обслуживания: будущие микропреобразователи JYINS будут интегрировать передовое диагностическое программное обеспечение на основе машинного обучения непосредственно в свои микросхемы. Постоянный анализ микроскопических колебаний напряжения, тока и температуры позволит инвертору прогнозировать износ компонентов и оповестить оператора сети посредством IoT-связи за несколько недель до возникновения физической неисправности, что обеспечит проведение планового технического обслуживания в ходе регулярных обновлений базовых станций сотовой связи.

Почти нулевое электромагнитное излучение (EMI) и экранирование радиочастот

По определению базовая станция связи представляет собой чрезвычайно чувствительный радиоприёмник и радиопередатчик. Эксплуатация высокочастотного силового инвертора в непосредственной близости (часто на расстоянии нескольких сантиметров) от высокоскоростных радиоантенн стандарта 6G создаёт серьёзную угрозу электромагнитной совместимости (EMC).

Инверторы работают путём быстрого включения и выключения высоковольтного постоянного тока, что естественным образом создаёт высокочастотные электромагнитные помехи (ЭМП). Если эти помехи не будут тщательно экранированы, они могут наводиться на линии антенн систем связи, вызывая ухудшение сигнала, потерю пакетов данных и резкое снижение скорости сетей 6G.

Для обеспечения совместимости с инфраструктурой 6G технические характеристики микроИнверторов должны предусматривать практически нулевой уровень ЭМП:

• Усовершенствованные фильтры подавления ЭМП: микроИнверторы должны оснащаться мощными многоступенчатыми фильтрами электромагнитных помех как на линиях постоянного тока (вход), так и на линиях переменного тока (выход) для захвата и подавления высокочастотных шумов, возникающих при переключении.
• Активная экранирующая и герметизирующая конструкция: внешний корпус инвертора должен выполнять функцию физической клетки Фарадея. Корпус должен быть изготовлен из толстых литых алюминиевых сплавов со специальными проводящими прокладками, блокирующими все излучаемые радиочастотные (RF) помехи и соответствующими строгим телекоммуникационным стандартам электромагнитной совместимости (например, EN 301 489 и FCC Part 15 Class B).
• Топологии с мягким переключением: использование резонансных схем переключения (например, резонансных преобразователей LLC) позволяет инвертору переключать транзисторы при нулевом напряжении (ZVS) или нулевом токе (ZCS). Такое мягкое переключение значительно снижает резкие скачки напряжения, которые изначально генерируют высокочастотные электромагнитные помехи (EMI), обеспечивая исключительно «тихый» электрический профиль.

Благодаря внедрению этих передовых решений в области электромагнитной совместимости (ЭМС) компания JYINS готова предложить высокопроизводительные микроИнверторы, которые бесшовно интегрируются в чувствительные беспроводные сети, обеспечивая чистую и надежную «зеленую» энергию без ущерба для производительности связи.

Архитектуры прямого постоянного тока (DC) с микросетями «микро-микро»

Традиционные солнечные установки преобразуют постоянный ток (DC) от солнечных панелей в переменный ток (AC), который затем распределяется и снова преобразуется в постоянный ток внутри бытовых приборов конечного пользователя. Для малых базовых станций 6G, функционирующих внутренне от высокоустойчивого постоянного тока (например, 48 В постоянного тока), такое многоступенчатое преобразование (DC → AC → DC) является крайне неэффективным и приводит к потерям до 15 % ценной солнечной энергии в виде тепла.

Следовательно, будущие внешние энергосистемы 6G будут отдавать предпочтение высокоэффективным архитектурам с прямым подключением по постоянному току. Вместо традиционных микроинверторов рынок будет требовать сверхкомпактных преобразователей постоянного тока в постоянный ток (DC–DC) и интеллектуальных микроинверторов постоянного тока, непосредственно взаимодействующих с локальными литий-ионными аккумуляторными блоками и шинами питания 6G. Такая прямая интеграция по постоянному току обеспечивает максимальную энергоэффективность, упрощает компоновку системы и гарантирует сверхустойчивое, бесперебойное питание телекоммуникационного оборудования напрямую.

JYINS посвящена поддержке перехода телекоммуникационной отрасли к экологичному и устойчивому будущему 6G. Наши постоянные инвестиции в технологию нитрида галлия (GaN), твердотельную электронику и передовые методы электромагнитной экранировки обеспечивают соответствие наших будущих продуктов преобразования энергии — и превышение — строгим техническим требованиям беспроводных сетей будущего, обеспечивая гиперсвязанный мир чистой, надежной и интеллектуальной солнечной энергией.