Твердотільні трансформатори можуть також покращити зарядку електромобілів і, в майбутньому, побутове електропостачання.
Центри обробки даних стали найбільшим драйвером стрімкого зростання попиту на електроенергію, що створює навантаження на енергетичні мережі США. Проте бум дата-центрів зі штучним інтелектом також прискорив інвестиції в технологію, яка може стати позитивним фактором для всіх — твердотільні силові трансформатори, що замінюють промислові технології минулої доби сучасною силовею електронікою.
Енергетичні мережі наразі покладаються на традиційну трансформаторну технологію, яка збирається вручну і має фундаментальний дизайн, що датується 1880-ми роками. Дві мідні котушки, намотані вручну навколо сталевого осердя, створюють електромагнітні поля, які допомагають підвищувати рівень напруги змінного струму для передачі на великі відстані або знижувати рівень напруги для використання електроенергії в домівках і бізнесі. Найбільші силові трансформатори не можуть виготовлятися масово, натомість їх виготовляють на замовлення для кожної електричної підстанції комунальної компанії.
Обмеження виробництва, у поєднанні з гонитвою за оновленням енергетичної інфраструктури США, означають, що комунальні компанії та інші клієнти повинні чекати до кількох років на постачання нових силових трансформаторів. Це не тільки перешкоджає розширенню інфраструктури енергетичної мережі, 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 їх можна масово виробляти з використанням напівпровідникових матеріалів, таких як карбід кремнію. Такі трансформатори фізично менші та легші за традиційні, мають модульну конструкцію, що забезпечує легке оновлення або заміну компонентів, і можуть функціонувати як універсальні пристрої силової електроніки, 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) від розподільної мережі місцевої мережі на постійний струм, необхідний таким центрам обробки даних — усе це без необхідності окремого електричного пристрою для виконання цього перетворення AC/DC.
«Це свого роду чарівна скринька, яка усуває багато інфраструктури, а також забезпечує єдине місце керування, що усуває багато проблем сумісності, які можуть виникнути в традиційному центрі обробки даних, де різні компоненти в межах центру обробки даних намагаються регулювати одне й те саме», — сказав Срджан Лукич, професор електротехніки та комп’ютерної техніки 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 прямо зараз», — сказав Лукич Ars. Кілька американських компаній, включаючи 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 їхній 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 зменшити загальний дефіцит постачання, що впливає на силові трансформатори. Це зробить трансформатори більш доступними для модернізації та розширення енергетичних мереж за межами проєктів центрів обробки даних.
«Існує відносно невелика кількість 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 місця, де трансформатори можуть вироблятися».
Ті самі переваги твердотільних трансформаторів стосуються і зарядки електромобілів, яка так само покладається на постійний струм. Лукич та його колеги нещодавно продемонстрували, як твердотільний трансформатор, підключений до реальної лінії електропередач, може обробляти до 1 мегавата потужності під час зарядки акумулятора електромобіля — твердотільний трансформатор виконував необхідне зниження напруги, а також перетворення живлення AC в DC.
Демонстрація Університету штату Північна Кароліна відбувається в лабораторії доставки енергії некомерційного Інституту досліджень електроенергетики в Ленноксі, штат Массачусетс, і є кульмінацією співпраці з Управлінням енергетики штату Нью-Йорк, що розпочалася у 2018 році. Твердотільний трансформатор розміром приблизно 1×1,5×2 метри знаходиться в транспортному контейнері на місці з травня 2026 року, і планується його повернення до Університету штату Північна Кароліна у вересні після кількох місяців випробувань в умовах літньої погоди.
«Це виглядає як велика трансформаторна коробка з трохи іншою формою, велика маса того, що виглядає як сталь», — сказав Лукич. «Вона замінює три маси сталі на одну масу сталі та усуває багато проводки та риття траншей, які зазвичай потрібні для застосування електромобілів».
Твердотільний трансформатор має модульну конструкцію з активним фронт-ендом, що взаємодіє з енергомережею, перетворювачем AC/DC та високочастотним ізолюючим трансформатором, який підвищує або знижує напругу. Ключовою технологією став виготовлений на замовлення ізолюючий компонент, який може витримувати «повне навантаження мережі, повну напругу розподілу» у відносно компактному пристрої, пояснив Лукич.
Інженерні та комерційні виклики для технології ще попереду. Але Лукич сподівається, що впровадження твердотільних трансформаторів у центрах обробки даних допоможе «знеризикувати» технологію для масового впровадження за межами розбудови інфраструктури ШІ у сфері технологій.
«Окрім центрів обробки даних, ми можемо розглянути зарядку електромобілів у густонаселених районах», — сказав Лукич. «Багато споживачів у наших домівках зараз використовують постійний струм, тому можливість розподіляти постійний струм у сучасних будинках матиме значні переваги».
За даними порталу: arstechnica.com