Päris tihti küsitakse jõuelektroonikutelt esimese asjana, mida jõuelektroonika üldse endast kujutab. Alles seejärel huvitav inimesi, milliseid keskkonnasõbralikke, energiatõhusaid, innovaatilisi lahendusi Eesti teadlased maailma päästmiseks pakuvad. 

"Kui mõtlete sellele, mis ühendab taastuvenergia tootmist, elektrisõidukeid, soojuspumpasid, LED-valgustust, siis vastus ongi lihtne – kõik need seadmed kasutavad jõuelektroonikat ehk energiamuundureid," rõhutab aasta teaduspreemia laureaat, akadeemik, Tallinna Tehnikaülikooli jõuelektroonika uurimisrühma juht Dmitri Vinnikov. 

Iga nutitelefon, sülearvuti või robottolmuimeja vajab samuti elektrivõrgust laadimiseks jõuelektroonikat. Kui minna veel täpsemaks, on kõigi nende seadmete sees mitmesugused pooljuhtmuundurid, mis annavad toite kas sinna ehitatud protsessoritele, USB-portidele või reguleerivad näiteks ekraani heledust. See ongi jõuelektroonikute tööpõld. 

Revolutsiooniliste lahenduste jahil 

Rohepööre on enamasti seotud elektri kui peamise energialiigi kasutamisega. "See on ka loogiline, kuna taastuvenergiat, näiteks päikese-, tuule- või hüdroenergiat, toodetakse peamiselt elektri kujul," ütleb Vinnikov. See on tema sõnul suur muutus võrreldes endiste aegadega, mil inimkond põletas fossiilkütuseid, et käitada elektritootmiseks suuri auruturbiine. 

"Miks peaksime jätkama energia tootmist jätkusuutmatul viisil, kui areng pakub meile uusi ja puhtaid tehnoloogiaid? Meie eluviis on suurte muutuste lävel," rõhutab Vinnikov. Tänavatele on ilmunud elektrisõidukid ja hooneid köetakse energiatõhusate soojuspumpade abil. Lisaks võib igaüks hakata ise elektritootjaks, paigaldades katusele päikesepaneelid.

Vinnikov soovitab jõuelektroonikast rääkides igaühel mõelda, kui sageli näeb inimene oma värskelt kodumasinal või soojuspumbal sõna inverter. "Kui see on olemas, siis see tähendab, et need seadmed kasutavad energiatõhususe saavutamiseks sisemist jõuelektroonikat. See omakorda tagab, et teie külmik, pesumasin või õhksoojuspump tarbivad võimalikult vähe elektrienergiat," selgitab Vinnikov.

Jõuelektroonika muundurid peavad tema sõnul olema töökindlad ja ohutud. Nii oleks majades elekter, seadmed töötaksid siis, kui inimene neid vajab, ning igaühe isiklikud elektroonikaseadmed saaksid kiiresti laetud ja akud tõhusalt kasutatud. 

Kuigi pingemuundurid on olemas praktiliselt kõigis elektriseadmetes ja jõuelektroonika on juba üle 100 aasta arenenud, pole areng ka tänapäeval seiskunud. See on enamasti seotud uute pooljuhtmaterjalide, nagu ränikarbiidi või galliumnitriidi, kasutuselevõtuga. Need muudavad toiteallikad tõhusamaks, kompaktsemaks ja odavamaks. Lahendused on aga tööstuses juba laialdaselt kasutusele võetud ja edasine areng on aeglustumas. Seetõttu on tulevaste energiatõhususe eesmärkide saavutamiseks vaja uusi lähenemisviise.

Maailmas seatud kliima- ja energiatõhususe eesmärkide saavutamiseks on Vinnikovi hinnangul vaja aga lausa revolutsioonilisi lahendusi. Ühest küljest on uute energiatõhusate lahenduste kiire areng suurendanud vajadust jõuelektrooniliste muundurite järele. Teisalt konkureerib jõuelektroonikatööstus alati ränile kui toorainele koos päikesepaneelide, arvutiprotsessorite ja graafikakaardi kiipide tootjatega. Räninõudlus on eriti kasvanud viimaste aastate krüptoraha kaevandamise tõttu. Muu hulgas põhjustas aastatel 2020–2023 ülemaailmse kiibipuuduse just tohutu nõudlus räni järele. 

Vinnikovi sõnul mõistis tema töörühm seda suundumust nähes, et keerukad jõuelektroonikalahendused peavad tööstuse huvi äratamiseks kasutama vähem pooljuhtkomponente ja nutikamat juhtimist. 

"Omades pikaajalisi kogemusi täiustatud jõuelektroonika juhtimismeetodite alal, oleme pakkunud välja topoloogiat muutva juhtimise (ingl Topology Morphing Control ehk TMC) kui atraktiivse ja funktsionaalse lahenduse. See võib parandada paljude olemasolevate jõupooljuhtmuundurite jõudlust, uuendades lihtsalt nende juhtimistarkvara," tutvustab ta.

Vinnikovi sõnul saavutavad TMC-põhised jõuelektroonikasüsteemid palju parema jõudluse, kui kombineerida odavat disaini nutika juhtimisega. "Need omadused võimaldavad TMC-põhiseid lahendusi käsitleda tarkvaraga määratletud jõuelektroonika lahendustena, luues uue paradigma elektrienergia muundamises," ütleb ta. 

Tarkvarapõhine jõuelektroonika näitab Vinnikovi sõnul suurt potentsiaali, et valmistada masstootmist võimaldavaid universaalseid muundureid. Need maksavad vähem kui erilahendused ja lihtsustavad alalisvoolusüsteemide kasutuselevõttu. "Meie motivatsioon on olla selle innovatsioonilaine esirinnas," tõdeb Vinnikov.

Miniatuursed, aga vägevad

"Jõuelektroonika inseneridena püüdleme selle poole, et meie projekteeritud muundurid oleksid võimalikult väikesed ja tõhusad," nendib tehnikaülikooli jõuelektroonika labori juhataja Andrii Chub. Tema sõnul on üks võimalik lahendus suurendada näiteks trafo ehk isoleeritud pingemuundurite ühe põhikomponendi töösagedust. 

"Meie vahelduvvooluvõrk töötab sagedusel 50 Hz, st pinge muudab oma märki positiivsest negatiivseks ja tagasi 50 korda sekundis. Selle sageduse tulemus on üsna kogukad trafod, mistõttu kasutame oma muundurites sageli palju kõrgemaid sagedusi, näiteks 100 kHz, mis vähendaks trafo kaalu kuni 20 korda," toob Chub näite.

Pooljuhtmuunduri veelgi väiksemaks muutmiseks saab kasutada ka kõrgemaid sagedusi, näiteks 500 kHz. Väga kõrge lülitussagedus võib Chubi sõnul aga insenertehnilise projekteerimistöö hulga keerulisemaks muuta. Samas võivad kahanevad trafod olla paljudes rakendustes piiratud, kuna on vaja paksemat isolatsiooni. Seetõttu tuleb tema sõnul kasutada uuenduslikke juhtimismeetodeid, nagu TMC, et saada igast tõhusamaks muudetud seadmest kätte võimalikult suur jõudlus.

Chubi sõnul otsustasid nad katsetada uudseid rakendusi ka elamute päikeseelektrisüsteemides. Näiteks võivad katusele paigaldatud päikesepaneelid jääda puude, korstnate või kõrvalhoonete varju ning võtavad külge lehti, tolmu, lund või isegi lindude väljaheiteid. Päikesepaneeli tootlikkus sõltub lisaks päikesekiirgusele väljundpingest, mida võib kutsuda paneeli tööpunktiks. Seda pinget saab reguleerida spetsiaalse pingemuunduri abil. Turul pakutakse palju muundureid, mis suudavad maksimumvõimsuse tööpunkti (MVP) otsida. 

"Probleemid tekivad aga osaliselt varjutatud paneelide korral. Varju võivad heita puud, puulehed, korstnad, naaberhooned, lumi, lindude väljaheited jms," loetleb Chub. Osaline varjutus moonutab tema sõnul päikesepaneeli võimsus-pinge tunnusjooni, mistõttu võib tekkida mitu lokaalset MVPd.

"Paljud turul pakutavad päikesepaneeli muundurid suudavad leida ainult esimese MVP, mistõttu jääb oluline osa paneeli võimsusest kasutamata," selgitab Chub. Näiteks ilma varjutuseta annab tüüpiline päikesepaneel välja maksimaalse võimsuse, kui töötab tööpunktis VMP1 = 30 V. 

Väikese osalise varjutuse korral, kui ainult üks paneeli alamahel on varjutatud, nihkub maksimaalse võimsuse punkt pingele VMP2 = 20 V. "Kui päikesepaneeli muundur jätkab aga tööd eelmises tööpunktis VMP1, siis on tulemuseks oluliselt madalam tootlikkus," toob Chub näite. 

Veelgi suurema varjutuse korral võib MVP tema sõnul liikuda isegi pingele VMP3 = 10 V, kus tootlus on ligi kolm korda madalam teoreetilisest maksimumist. "Sel puhul kahes eelmises tööpunktis (VMP1 ja VMP2) puuduks tootlus üldse. Seetõttu mängib jõuelektroonika päikeseenergeetikas väga olulist rolli," rõhutab Chub. 

Päikesepaneelide muundurid peavad suutma töötada väga laias sisendpingevahemikus alates 10 V kuni 60 V. Selliste parameetritega muunduri ehitamine on aga keeruline. Aastal 2018 puudusid turul sellised muundurid üldse. "Seetõttu hakkasime arendama uudse kontseptsiooniga päikese-mikromuundurit, millel oleks võimalikul lai tööpingevahemik ja ka globaalse MVP otsimisvõimekus: st ta suudab leida tõelise MVP ka osalise varjutuse korral," märgib Chub. 

Nüüdseks on töörühm koostöös Eesti iduettevõttega Ubik Solutions OÜ välja arendanud ning turule toonud uudse väike- ja keskmistes energiasüsteemides päikesepaneelidega kasutatava varjutusekindla mikromuunduri tehnoloogia Optiverter.

Maikuust alates saab näha alalisvoolu kasutamist elamutes 

Akadeemik Dmitri Vinnikovi sõnul võivad väikesed alalisvoolul põhinevad kohalikud elektrivõrgud ehk alalisvoolu nanovõrgud tulevikus saada hoonete energiatõhususe suurendamist võimaldavaks tehnoloogiaks. 

Praegu liigutakse Eestis aktiivselt nn liginullenergiahoonete suunas, millest järgmine samm on saastevabade hoonete kasutuselevõtt alates 2030. aastast (ingl k ZEB, Zero Emission Building). See nõuab fossiilkütuste, sealhulgas maagaasi kasutamise lõpetamist. Seega jääb üle vaid kogu tootmine ja tarbimine viia elektripõhiseks.

"Praegused vahelduvvoolul põhinevad tehnoloogiad on aga oma energiatõhususe parendamise võime ammendanud. Nii on Tallinna Tehnikaülikooli jõuelektroonika uurimisrühm esimeste seas, kes teeb ettepaneku alalisvoolutehnoloogia kasutamiseks elamutes," ütleb Vinnikov.

Koos kolleegidega asutas ta hiljuti Tallinna Tehnikaülikooli elamute alalisvoolu energiasüsteemide innovatsioonikeskuse (vt joonist). Tegu on Vinnikovi sõnul Euroliidus ainulaadse näidislaboriga, kus alalisvoolu kasutatakse iga päev näiteks kütmiseks, valgustamiseks, päikeseenergia tootmiseks ja salvestamiseks. 

Uusarendus on osa tehnikaülikooli loodud laiaulatuslikumast tegevusest – I3DC algatusest, mida rakendatakse ETAg-i uurimistoetuse "Tulevikukindlad jõuelektroonikasüsteemid kodumajapidamiste mikrovõrkudele" toel ja uue energiatõhususe teaduse tippkeskuse ENER raames. Sellega loodetakse suurendada üldsuse ja tööstuse teadlikkust elamute alalisvoolutehnoloogiatest ning kiirendada selles valdkonnas uuendusi. 

"Alates 2024. aasta maist avab Tallinna Tehnikaülikooli elamute alalisvoolu innovatsioonikeskus oma uksed kõigile huvilistele, et demonstreerida alalisvoolutehnoloogiat reaalses elukeskkonnas, samal ajal jätkub aga meie arendustöö," avaldab Vinnikov.

Näiteid jõuelektroonikute loodud lahendustest:

OptiVerter® (koostööprojekt Eesti roheenergia iduettevõttega Ubik Solutions OÜ): maailmas esimene tööstuslik päikesepaneelide mikromuundur elamutele, mis tagab maksimaalse võimsusega tööpunkti jälgimise ka osaliselt varjutatud päikesepaneelide korral. See saavutatakse tänu OptiVerter® tehnoloogia väga laiale sisendpingevahemikule (10 V kuni 60 V), mis sobib enamiku turul saadaolevate elamute päikesepaneelidega. Teisest küljest saab seda seadet kasutada kahes kõige levinuma pingetasemega elamu alalisvoolu nanovõrgus ilma riistvara muutmiseta, lihtsalt muunduri tarkvara ümberkonfigureerimise teel ja transistoride juhtsignaalide muutmise kaudu.

Elektrivõrguga isekohalduv laadija elektrisõidukitele (koostööprojekt Daimleri ja Volkswageniga Euroopa jõuelektroonika keskuse ECPE raames): uut tehnoloogiat kasutades saab laadijaid toita ühest, kahest või kolmest elektrivõrgu faasist. Võrguga automaatne kohanemine võib olla kasulik, kui erinevates piirkondades on saadaval erinevad ühendusvõimalused (ühefaasiline või kolmefaasiline elektrivõrk), aga ka siis, kui mõnel faasil on ülekoormus, mis on tingitud kas energia ületarbimisest või liigsest energiatootmisest lähedalasuvates päikese-elektrijaamades.

Universaalne päikesepaneelide liidestusmuundur: sobib päikesepaneelide ühildamiseks nii alalisvoolu nanovõrku kui ka tavalisse vahelduvvoolu võrku. Selline funktsioon avab võimalused olemasolevate hoonete kaasajastamiseks alalisvoolu nanovõrkudega. Seadmeid ei pea välja vahetama, mis võimaldab sujuvat üleminekut vahelduvvooluvõrkudelt elamute alalisvoolu nanovõrkudele. Muunduril on kõrge kasutegur nii vahelduvpinge kui ka alalispinge režiimis.

Tallinna Tehnikaülikooli teadlane, akadeemik Dmitri Vinnikov koos Andrii Chubi, Andrei Blinovi ja Oleksandr Huseviga pälvisid 2024. aasta veebruaris riikliku teaduse aastapreemia tehnikateaduste alal tööde tsükli "Topoloogiat muutva juhtimisega innovaatilised jõuelektroonika-süsteemid" eest.