Твердотільні трансформатори також можуть принести користь заряджанню електромобілів і, в майбутньому, домогосподарствам.
Центри обробки даних стали головним чинником стрімкого зростання попиту на електроенергію, що створює навантаження на енергосистему США. Однак бум центрів обробки даних зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати сприятливим чинником для всіх — твердотільні трансформатори, що замінюють промислові технології сучасною силіконікою.
Енергосистеми наразі покладаються на традиційні трансформаторні технології, які ретельно збираються вручну, а їхня базова конструкція датується 1880-ми роками. Дві мідні котушки, намотані вручну навколо сталевого осердя, створюють електромагнітні поля, які допомагають підвищити рівень напруги змінного струму для передачі на великі відстані або знизити рівень напруги для використання електроенергії в будинках та на підприємствах. Найбільші силові трансформатори не можуть бути масовими, натомість їх виготовляють на замовлення для кожної електричної підстанції компанії-постачальника.
Виробничі обмеження, у поєднанні з боротьбою за оновлення енергетичної інфраструктури США, призвели до того, що компанії-постачальники та інші клієнти змушені чекати до кількох років на постачання нових силових трансформаторів. Це не тільки перешкоджає розширенню інфраструктури енергосистеми, необхідної для підтримки зростаючого попиту на електроенергію, але й затримує процес заміни застарілих силових трансформаторів.
Натомість твердотільні трансформатори використовують високочастотні напівпровідникові перемикачі для перетворення напруги, і можуть виготовлятися масово з використанням напівпровідникових матеріалів, таких як карбід кремнію. Такі трансформатори фізично менші та легші за традиційні, мають модульні конструкції, що дозволяють легко оновлювати або замінювати деталі, і можуть функціонувати як універсальні пристрої силіконіки, виконуючи кілька завдань.
Технологічні компанії, що будують найбільші центри обробки даних зі штучним інтелектом, зацікавлені в твердотільних трансформаторах, оскільки вони впроваджують архітектури живлення постійного струму (DC) для підтримки серверних стійок, заповнених енергоємними чіпами ШІ. Твердотільні трансформатори можуть безпосередньо перетворювати змінний струм (AC) з розподільчої мережі місцевої мережі на постійний струм, який потрібен таким центрам обробки даних — і все це без необхідності окремого електричного пристрою для цього перетворення AC/DC.
«Це, по суті, одна магічна коробка, яка усуває значну частину інфраструктури, а також забезпечує єдиний центр керування, що усуває багато проблем взаємодії, які ви можете побачити в традиційному центрі обробки даних, де різні компоненти всередині центру обробки даних намагаються регулювати одне й те саме», — сказав Срджан Лукич, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті штату Північна Кароліна. «Тепер у вас є один етап перетворення поза залом даних, а потім ви йдете прямо до стійки».
Від «вбивчого застосування» до масового впровадження
Центри обробки даних стали «вбивчим застосуванням для твердотільних трансформаторів на даний момент», — сказав Лукич Ars. Кілька американських компаній, зокрема Amperesand, Heron Power та DG Matrix, сукупно залучили понад 280 мільйонів доларів фінансування за останній рік для комерціалізації технології твердотільних трансформаторів.
Твердотільні трансформатори також можуть значно зменшити кількість міді та інших матеріалів, необхідних для проєктів центрів обробки даних, а їх менший фізичний розмір дозволяє розробникам центрів обробки даних використовувати доступний простір для інших цілей, пояснив Лукич.
У довгостроковій перспективі успішна комерціалізація твердотільних трансформаторів може навіть допомогти полегшити загальний дефіцит ланцюга постачання, що впливає на силові трансформатори. Це зробить трансформатори більш доступними для модернізації та розширення енергосистеми поза межами проєктів центрів обробки даних.
«Існує відносно мало спеціалізованих компаній, які виробляють [традиційні] трансформатори, тоді як твердотільні трансформатори схожі на електронний пристрій», — сказав Лукич. «Це повністю відкриває простір для того, хто може працювати в сфері трансформаторів, а також відкриває, де трансформатори можуть бути вироблені».
Ті самі переваги твердотільних трансформаторів стосуються і заряджання електромобілів, яке так само залежить від постійного струму. Лукич та його колеги нещодавно продемонстрували, як твердотільний трансформатор, підключений до реальної лінії електропередачі, може витримувати потужність до 1 мегавата під час заряджання акумулятора електромобіля — твердотільний трансформатор виконував необхідне зниження напруги, а також перетворення потужності AC на DC.
Демонстрація NC State відбувається в лабораторії доставки електроенергії некомерційного Інституту досліджень електроенергетики в Ленноксі, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Управлінням енергетики Нью-Йорка, яка розпочалася у 2018 році. Твердотільний трансформатор — розміром приблизно 1×1,5×2 метри — перебуває в транспортному контейнері на об’єкті з травня 2026 року і має повернутися до NC State у вересні після місяців тестування в літніх умовах.
«Це виглядає як велика коробка трансформатора з дещо іншою формою, велика маса того, що виглядає як сталь», — сказав Лукич. «Вона замінює три шматки сталі одним шматком сталі та усуває значну частину проводки та траншеї, які вам зазвичай довелося б робити для застосування електромобілів».
Твердотільний трансформатор має модульну конструкцію з активним фронтендом, що взаємодіє з мережею, перетворювачем AC/DC та високочастотним ізоляційним трансформатором, який підвищує або знижує напругу. Вирішальною технологією був виготовлений на замовлення ізоляційний компонент, який може витримувати «повне навантаження мережі, повну напругу розподілу» відносно компактного пристрою, пояснив Лукич.
Інженерні та комерціалізаційні виклики для цієї технології ще попереду. Але Лукич сподівається, що впровадження твердотільних трансформаторів у центрах обробки даних допоможе «знизити ризики» технології для масового впровадження за межами побудови інфраструктури ШІ в технологічній галузі.
«Окрім центрів обробки даних, ми можемо думати про заряджання електромобілів у густонаселених районах», — сказав Лукич. «Багато навантажень у наших домівках зараз є DC, тому ця здатність розподіляти DC у сучасних будинках матиме значні переваги».
За матеріалами: arstechnica.com