Результаты конкурса Google на самый эффективный инвертор

e73f93e048ad45dc87b3db7f77114b5b.png

Почти два года назад компания Google объявила конкурс Little Box Challenge с призовым фондом 1 миллион долларов на разработку самого эффективного компактного инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный. Для победы нужно было создать двухкиловаттный инвертор с удельной плотностью мощности не менее 50 ватт на кубический дюйм (3,05 Вт на см3).
Для сравнения, обычный DC-инвертор для автомобильного прикуривателя обладает плотностью 1–2 ватта на дюйм, а очень дорогие инверторы для солнечных батарей — примерно 5 ватт на кубический дюйм. То есть Google хочет, чтобы кто-то предложил дизайн, на порядок превышающий характеристики тех, что доступны сейчас.

Поразительно, но победитель Little Box Challenge не только выполнил условия конкурса, но показал гораздо лучший результат. Победителем стала команда фирмы CE+T Power. Опубликовано также техническое описание устройства.

Предложенный инвертор поставляется в корпусе объёмом 225,6 см3 (6,35×4,1×8,7 см), то есть двухкиловаттный инвертор можно держать в руке. С таким объёмом плотность энергии выходит 8,87 Вт/см3.

Главной технической инновацией в изобретении стало использование транзисторов на основе нитрида галлия (GaN) и очень эффективная система охлаждения.

Нитрид-галлиевые транзисторы обладают уникальными электрическими характеристиками — это большая ширина запрещённой зоны, высокие значения подвижности носителей заряда и их скоростей насыщения, большие коэффициенты теплопроводности и т.д., что обеспечивает создание на их основе приборов с рекордными значениями мощности, напряжения и тока, а также даёт им преимущество перед распространёнными устройствами MOSFET и IGBT.

Инженерами из команды CE+T Power удалось устранить недостатки нитрид-галлиевых транзисторов — сложность в управлении, чувствительность к электромагнитному шуму и серьёзное падение напряжения при отключении транзистора.

95a7abffe5794cb1ba2c1545ea85765d.png

Для эффективного охлаждения все компоненты расположены вокруг кулера. Движение потоков воздуха тщательно просчитано.

6a03311cda444c05bbf7463c442801bc.jpg

Даже форму отверстий в радиаторе специально продумали, чтобы найти компромисс между эффективным охлаждением и минимальным сбором пыли у мусора в отверстиях.

9d77935533f3451cbb2b105e8f49331b.png

По условиям конкурса, температура корпуса снаружи не должна превысить 60ºC. 3D-модели всех радиаторов проверили в симуляторе и выбрали наиболее эффективную форму в виде пчелиных сот.

363e2fa836b94995a667ea45d8e0a501.png

Грамотный инженерный подход принёс команде CE+T Power заслуженный миллион долларов.

Среди других финалистов конкурса — инвертор команды Schneider Electric (6,1 Вт/см3) и инвертор Virginia Tech (3,7Вт/см3).

© Geektimes