ANALIZA PRETVORNIKOV LASERSKE MOČI IN NAPAJANJA ELEKTRONSKIH NAPRAV Z LASERSKIMI VIRI

KIMOVEC, ROK (avtor), Topič, Marko (mentor)

Napajanje elektronskih naprav v ekstremnih in industrijskih okoljih pogosto zahteva uporabo visoko zanesljivih električnih napajalnikov, imunih na raznovrstne okolijske in elektromagnete motenje. Zahtevane specifikacije takšnih napajalnikov je mogoče doseči z uporabo sistemov, ki za izvor energije uporabljajo svetlobo laserskih virov. Energija v obliki monokromatske svetlobe je na oddaljeno mesto vodena skozi električno neprevodni medij, s čimer je dosežena inherentna neobčutljivost takšnih napajalnih sistemov na vse vrste elektromagnetih motenj. Lasersko svetlobo vodimo bodisi brezkontaktno po zraku ali priporočljivejše po električno neprevodnem optičnem vlaknu. V slednjem govorimo o sistemih za prenos »moči po optičnem vlaknu« (ang. Power–over–Fiber systems, PoF). Monokromatsko svetlobo je za napajanje elektronskih naprav potrebno pretvoriti v enosmerno električno energijo, kar storimo s fotonapetostnimi pretvorniki optimiziranimi za pretvorbo monokromatske svetlobe laserskih virov – »pretvorniki laserske moči« (ang. Laser Power Converter, LPC). PoF sistem je zaključen s priključitvijo podpornega elektronskega vezja na izhod pretvornika laserske moči, ki poskrbi za prilagoditev napetostnega nivoja za zanesljivo napajanje elektronskih naprav. PoF sistemi napajanja elektronskih naprav so našli svoje mesto v ekstremnih in industrijskih okoljih zaradi lastnosti kot so: • imunost na elektromagnetne motnje (enosmerna in izmenična električna in magnetna polja, razelektritve ozračja, radiofrekvenčne motnje, …), • velika prebojna trdnost med izvorom energije in napajano napravo, • majhna teža vodnikov energije (optična vlakna), • pri poškodbi vodnikov energije ne prihaja do iskrenja, … Zaradi omenjenih lastnosti so bili PoF sistemi razviti in uporabljeni za napajanje: • senzorjev za merjenje parametrov visokonapetostnih daljnovodov, • elektronskih merilnikov pod vodno gladino, • elektronskih podsklopov naprav za magnetno resonanco, • brezpilotnih letal, • elektronskih implantatov v človeškem telesu, • kontrolnih podsistemov v satelitih, • nadzornih video kamer, • merilnikov obratovalnih parametrov vetrnih turbin, … Kljub uspešni implementaciji PoF sistemov v nekaterih nišnih aplikacijah, je prenos energije z lasersko svetlobo še vedno razmeroma neznana tehnološka rešitev. Razlogov za to je veliko, verjetno pa je eden glavnih nizek izkoristek takšnega prenosa energije, ki se v praksi na sistemski ravni giblje nekje med 10 % in 30 %. Največ vložene energije se izgubi pri pretvorbi elektrike v svetlobo, pri čemer sodobne laserske diode dosegajo izkoristke med 40 % in 70 % ter nadalje pri pretvorbi laserske svetlobe nazaj v elektriko, pri čemer najboljši pretvorniki laserske moči dosegajo učinkovitost pretvorbe med 40 % in 60 %. V večini praktičnih aplikacij izgube pri prvotni pretvorbi energije iz elektrike v svetlobo s sistemskega vidika niso problematične, saj je laser postavljen na mestu, kjer je zagotovljena oskrba s potrebno električno energijo. Večje omejitve predstavljajo približno polovične izgube energije pri pretvorbi laserske svetlobe v električno energijo, preostanek energije pa je še dodatno zmanjšan za 10 % do 20 % zaradi izgub na podporni elektroniki. Tako v praksi izgube na sprejemni strani omejujejo največjo električno moč, ki jo lahko napajani napravi zanesljivo zagotovi en pretvornik laserske moči, na približno 1 W. Takšna omejitev največje dovedene moči ne predstavlja večjih problemov za napajanje nizkoenergijskih senzorjev, vendar omejuje doseg splošne uporabnosti PoF sistemov. V želji po razširitvi uporabnosti PoF sistemov se pričajoča doktorska naloga osredotoča na odkrivanje glavnih izgubnih mehanizmov v pretvornikih laserske moči in podporne elektronike. Rezultati sistematične analize in kvantitativnega ovrednotenja izgub so pripeljali do konceptualnih predlogov za izboljšanje sedanjih pretvornikov laserske moči.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: pretvornik laserske moči, LPC, uhajalni tok, monolitska povezava, monolitsko povezan modul, MIM, večsegmentna fotovoltaika, svetlobno inducirana prevodnost, svetlobno induciran shunt, delno izolativni substrat, optične in električne izgube, tokovno neujemanje
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2018
• PID: 20.500.12556/RUL-105167
• Datum objave v RUL: 05.11.2018

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: ANALYSIS OF LASER POWER CONVERTERS IN LASER BASED POWER SUPPLIES

Izvleček

Electronic devices in extreme and industrial environments often require specialized power supplies immune to a variety of environmental and electromagnetic interferences. Such requirements can be met with power supplies that use lasers as an energy source. The laser light can be transmitted to a powered electronic device either wirelessly through the air or preferably through electrically nonconductive optical fiber. In the latter case, such power supplies are commonly known as Power–over–Fiber (PoF) systems. Energy in the form of monochromatic light must be transformed into electrical energy to power electronic devices. This energy transformation is achieved with photovoltaic (PV) devices optimized for conversion of monochromatic laser light called Laser Power Converters (LPC). Theoretically possible light-to-electricity conversion efficiency of LPCs is impaired by a variety of optical and electrical losses and light energy that is not converted into electrical energy results in energy loss, which in return reduces PoF systems efficiency. For high system efficiencies, LPCs must be made out of an appropriately selected high-quality III-V semiconductors and currently, the best manufactured LPCs exceed 60% conversion efficiency at strictly controlled laboratory conditions. Even thou such a figure is unheard of for the solar cells, an optimized PV converter illuminated with monochromatic light can theoretically convert more than 75% of impinged light to electricity, under the same conditions as the stated manufactured LPC. In this thesis, the reason for such a discrepancy between theoretical and practical conversion efficiency is studied in details and further, novel supporting electronics for LPCs in PoF systems are devised and analyzed in order to increase the system efficiency.

• Ključne besede: laser power converter, leakage current, monolithic interconnected modules, multisegment photovoltaic, PV, photo-induced conductivity, photo-induced shunt, semi-insulating substrate, optical and electrical losses, current mismatch