Trang chủSự kiện nổi bậtTương lai phát triển của các van bán dẫn và các bộ...

Tương lai phát triển của các van bán dẫn và các bộ biến đổi điện tử công suất

Giới thiệu các van bán dẫn và các ứng dụng tiêu biểu

Các linh kiện bán dẫn công suất làm việc như các khóa đóng và ngắt công suất còn được gọi là van bán dẫn (VBD). Chúng được tạo thành từ công nghệ bán dẫn bằng cách kết hợp các lớp bán  dẫn p-n [1]. Khi thay đổi thiết kế và số lượng các các lớp bán dẫn p-n, chúng được phát triển thành nhiều loại VBD có đặc tính khác nhau về tần số, điện áp, dòng điện làm việc và điều khiển. Bằng việc dùng một nguồn năng lượng rất nhỏ cung cấp cho chân điều kiển, chúng có thể đóng cắt các nguồn năng lượng lớn, qua đó giúp cho tổn hao năng lượng thấp hơn, linh hoạt hơn trong các quá trình chuyển đổi.

Hình 1 giới thiệu các loại VBD sử dụng công nghệ Silicon thông thường (Si) và các ứng dụng tiêu biểu theo công suất và tần số làm việc hiện nay. Tên các VBD được giữ nguyên theo tên tiếng Anh khi cũng được sử dụng phổ biến trong giới học thuật và công nghiệp tại Việt Nam. Cấu tạo và đặc tính của các VBD có thể tham khảo tài liệu [1]. Các ứng dụng của VBD rất phổ biến, có thể thấy rõ trong các ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày như máy giặt, tủ lạnh, máy tính, điện thoại, ô tô; cho tới các ứng dụng động cơ và máy móc công nghiệp [2].

Hình 1. Các van bán dẫn theo tần số và công suất làm việc và các ứng dụng tiêu biểu [3].

Điện tử công suất và bộ biến đổi điện tử công suất

VBD là một phần tử quan trọng tạo nên những đột phá mới trong việc chuyển đổi năng lượng và tạo nên lĩnh vực điện tử công suất (ĐTCS). Các bộ biến đổi (BBĐ) ĐTCS là các mạch điện kết hợp sử dụng các VBD và các thiết bị điện cơ bản như biến áp, cuộn cảm, tụ điện,… để chuyển đổi các nguồn năng lượng.

Các BBĐ có thể phân loại làm 4 nhóm chính như Hình 2. Năng lượng được chuyển đổi giữa điện áp xoay chiều (AC) và một chiều (DC).  Các BBĐ sử dụng VBD thường đạt hiệu suất 80-95%, cao hơn nhiều so với chỉ dùng biến áp thông thường ở tần số lưới với hiệu suất 50-70%.

Hình 2. Chuyển đổi năng lượng của các bộ biến đổi điện tử công suất. [4]

Năng lượng điện thường được truyền tải đi xa bằng điện áp cao AC để giảm tổn thất dây dẫn. Một số đường truyền tải điện áp cao DC cũng mới được phát triển trong 10 năm gần đây. Để sử dụng cho các thiết bị sinh hoạt và công nghiệp, điện áp thường thấp hơn rất nhiều so với lưới truyền tải. Thêm nữa, có thiết bị dùng nguồn AC, có thiết bị sử dụng nguồn DC. Việc chuyển đổi năng lượng AC – DC và chuyển đổi giữa các mức điện áp cao – thấp là yêu cầu tất yếu trong lịch sử ngành điện cho tới nay và trong thập kỷ tới. Do đó các BBĐ vẫn đang được nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện hơn đáp ứng nhu cầu của con người.

Xu thế phát triển của các bộ biến đổi điện tử công suất

Các đặc tính quan trọng khi thiết kế và phát triển một BBĐ ĐTCS bao gồm giá thành, hiệu suất, kích thước, khối lượng, sự ổn định, và thời gian cần để thương mai hóa. Hiệu suất có thể xét tới nghịch biến là tổn thất, khi hiệu suất cao tức là tổn thất ít. Độ ổn định có thể xét tới nghịch biến là tần suất lỗi, khi tần suất lỗi nhỏ tức là ổn định cao.

Hình 3 mô tả xu hướng phát triển của các BBĐ trong tương lai [5]. Mục tiêu chính là giảm nhỏ giá trị các chỉ số được nêu trên. Chúng cho thể hình dung như hình một viên kim cương với nhiều góc cạnh, trong đó mỗi góc đại diện cho một chỉ số.

Hình 3. Xu thế phát triển các bộ biến đổi điện tử công suất. [5]

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện ở mọi quốc gia đều tăng hàng năm do sự phát triển dân số và công nghiệp. Hiệu suất cao giúp cho sử dụng hiệu quả và tăng an ninh năng lượng. Kích thước và khối lượng cần giảm để làm cho các thiết bị nhỏ gọi hơn khi di chuyển. Để đạt được mục tiêu này đối với mỗi BBĐ đều cần những công nghệ thích hợp, trong đó công nghệ về VBD có thể cho thấy tác động mạnh mẽ nhất vì chúng có thể tác động tới nhiều yếu tố cùng một lúc.

Xu thế phát triển của các van bán dẫn công suất

Các VBD đang có nhiều bước tiến và thu hút sự quan tâm trong nhiều năm gần đây. Các hội nghị quốc tế và các tạp chí uy tín hàng năm trong lĩnh vực đều có nhiều bài thảo luận chuyên sâu về chủ đề này [6]. Trong đó, van Silicon carbide (SiC) và Gallium nitride (GaN) được được tập trung vì chúng cho hiệu suất cao hơn các loại van Si thông thường. Đồng thời một số van Si thông thường cũng vẫn được phát triển trong tương lai với ưu điểm giá thành rẻ. Hình 4 mô tả vùng làm việc của các nhóm van bán dẫn trong tương lai do một số công ty đề xuất và thảo luận cho tương lai [7]. Có thể thấy rõ trục hoành, mô tả tần số làm việc, có sự thay đổi rõ rệt khi các VBD tương lai có thể hoạt động tần số MHz (106 Hz) và GHz (109 Hz). Đây thực sự là một chủ đề hấp dẫn cho các nhà sản xuất linh kiện bán dẫn và việc thiết kế các BBĐ trong ĐTCS.

Hình 4. Xu thế phát triển của các van bán dẫn trong tương lai. [7]

Ngoài ra, với một số van Si mới phát triển gần đây cũng đang được thử nghiệm và áp dụng cho các ứng dụng BBĐ trong công nghiệp ví dụ như IEGT và RC-IGBT. IEGT được phát triển có khả năng làm việc ở điện áp và dòng điện cao hơn IGBT thông thường, và đem lại hiệu suất cao hơn. Do đó một số ứng dụng công suất cao mới đang được phát triển sử dụng van IEGT do TiMEC Nhật Bản thực hiện. Thứ hai là van RC-IGBT là loại van tích hợp IGBT và Diode [8]. Hiện KEIHIN Nhật Bản và một số doanh nghiệp phát triển biến tần cho ô tô điện đang quan tâm và phát triển thử nghiệm và thương mại các biến tần sử dụng RC-IGBT.

Cụ thể, SiC là loại van được được nhiều nhiều nhà sản xuất hoàn thiện và giới thiệu thương mại cho áp dụng trong các BBĐ trong 10 năm gần đây. Trong thời gian tới, van SiC được phát triển để làm việc với điện áp và dòng điện cao và đem lại hiệu suất cao hơn so với các van Si. Hiện nay, GaN là các dòng van dùng công nghệ bán dẫn mới cho phép làm việc ở tần số cao dải trên 106 Hz. Trong tương lai GaN có thể làm việc ở tần số trên 109 Hz. Tần số chuyển mạch của VBD cao hơn đồng nghĩa với BBD có thể tăng tần số cao hơn qua đó nó có thể giảm kích thước và khối lượng của các phần tử.

Tuy nhiên van GaN vẫn chưa cho phép làm việc ở điện áp và dòng điện cao. Hiện van SiC và GaN đang được đưa vào trong nhiều nghiên cứu thiết kế BBĐ để đưa ra các phương pháp thiết kế và điều khiển tốt nhất cho loại VBD mới này. Một số nghiên cứu cho thấy hiệu suất cao vượt trội tới 95-99% khi chỉ dùng cấu hình và phương pháp điều khiển đơn giản. Mặc dù vậy, giá thành của SiC và GaN còn cao. Về mặt kỹ thuật thì việc thiết kế và điều khiển cho các BBĐ sử dụng van SiC và GaN chưa được kiểm tra hết nên các van này chưa được đưa vào phổ biến trong công nghiệp. Đây đang là một chủ đề nghiên cứu rất hấp dẫn trong học thuật và công nghiệp trên thế giới.

Kết luận

Lĩnh vực ĐTCS có tốc độ phát triển nhanh, có những tác động mạnh mẽ tới công nghiệp và đời sống hàng ngày. Xu thế phát triển của các BBĐ ĐTCS trên thế giới đang đi tới tối ưu hóa giá thành, hiệu suất và kích thước. Việc nghiên cứu đặc tính các VBD mới và ứng dụng tối ưu hóa các BBĐ ĐTCS sẽ vấn là chủ đề được quan tâm và đào sâu trong thập niên 2020.

Tài liệu tham khảo

[1] V. M. Chính, T. Q. Hải, T. T. Minh, “Điện tử công suất,” Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật,  2010.
[2] Van-Long Pham, K. Wada, “Normalization Design of Inductances in Triple Active Bridge Converter for Household Renewable Energy System,” IEEJ Journal of Industry Applications, Vol. 9, No. 3, 2020.
[3] Mitsubishi electric, “Introducing Mitsubishi Electric Power Device Tochnologies and Product Trends”, Technology Vol. 1-3, Mitsubishielectric Online Magazine
[4] Y. P.Siwakoti, M. Forouzesh, N. H.  Pham, “Chapter 1- Power Electronic Converters- An Overview,”
[5] J. Jung, Y. Liu, C. Chen, K. A. Kim, “High-Frequency Power Converter Design: Magnetic, Gate Driver, Control, and EMI,” Tutorial seminar 6, ICPE 2019-ECCE Asia, 2019.
[6] A. Castellazzi, “Status and Trends of Wide-Band-Gap Power Conversion,” Tutorial seminar 8, ICPE 2019-ECCE Asia, 2019.
[7] Saken electric “Next Generation Power Semiconductors: Sanken’s Commitment to GaN/SiC Development”, https://www.semicon.sanken-ele.co.jp/en/guide/GaNSiC.html
[8] S. Arimoto, T. Kihara, “Efficient Design of Power Modul Using Semiconductor Device Model and Curent Pathway Model”, KEIHIN Technical digest, pp 55-60, 2018.

Phạm Văn Long
Đại học Thủ đô Tokyo, Nhật Bản
Email: vanlongpham206@gmail.com
Cộng đồng Điện tử công suất Việt Nam

 

Theo dõi fanpage chúng tôi

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây

Bài viết cùng chủ đề

TMĐT: Cơ hội để doanh nghiệp tiếp cận thành công thị trường thế giới

TMĐT giúp người tiêu dùng thông qua internet để mua sắm tại các thị trường quốc tế và trở thành “người tiêu dùng toàn cầu”

26 doanh nghiệp Nhật Bản tham gia giao lưu, kết nối với doanh nghiệp Việt Nam

Để góp phần hỗ trợ các doanh nghiệp Việt Nam tìm kiếm đối tác chất lượng, tiềm năng. Chương trình Kết nối doanh nghiệp trực tuyến 2021 sẽ là cơ hội giao lưu, kết nối, thiết lập mối quan hệ đối tác mới giữa các doanh nghiệp Việt Nam – Nhật Bản.

Bộ Y tế cho phép rút ngắn khoảng cách tiêm 2 mũi vắc xin AstraZeneca

Ngày 20/9, Bộ Y tế có công văn thông báo cho phép các địa phương tự quyết định việc rút ngắn khoảng cách tiêm 2 mũi vắc xin AstraZeneca, thay vì quy định từ 8 -12 tuần sau khi tiêm mũi 1 như hướng dẫn của Bộ trước đây.

Hà Nội chưa thể trở về trạng thái bình thường mới hoàn toàn

Hà Nội đã cơ bản khoanh được đến vùng hẹp, cơ bản hoàn thành mục tiêu tiêm vắc xin mũi 1 cho toàn bộ người dân từ 18 tuổi trở lên. Tuy nhiên, nguy cơ dịch bệnh vẫn còn tiềm ẩn ngay trong địa bàn thành phố. Do đó, Hà Nội chưa thể trở về trạng thái bình thường mới hoàn toàn được.

Việt Nam mua 10 triệu liều Vắc xin Abdala

Nghị quyết 109 do Phó Thủ tướng Lê Minh Khái ký ngày hôm nay thông qua việc mua 10 triệu liều vắc xin Abdala do Trung tâm Kỹ thuật di truyền và Công nghệ sinh học Cuba (CIGB) nghiên cứu phát triển.

Bài viết nổi bật

Thí sinh đạt 27 điểm trở lên sẽ được xét tuyển bổ sung

Bộ GD và ĐT cho biết đã thống nhất với một số trường đại học lớn xét tuyển bổ sung với các thí sinh đạt 27 điểm thực trở lên (tính tổng 3 môn, chưa cộng điểm ưu tiên) nhưng không trúng tuyển nguyện vọng nào cho đợt xét tuyển vừa rồi.

Dũng cảm để chọn một hệ thống điện mà tỉ lệ nguồn năng lượng sạch lớn hơn

Dự thảo Tờ trình Đề án Quy hoạch điện VIII sửa đổi sau khi được Bộ Công Thương trình lấy ý kiến đóng góp (ngày 30/8/2021) đã tạo nên cuộc tranh luận sôi nổi trong giới doanh nghiệp, nhà khoa học cũng như các nhà quản lý trong những ngày qua. Vấn đề quan tâm là cơ cấu nguồn điện đến 2030, 2045, điểm nhấn là quy hoạch tăng thêm khoảng 3.000MW điện than và giảm khoảng 8.000 MW điện tái tạo vào năm 2030.

Hà Nội áp dụng Chỉ thị số 15/CT-TTg và một số biện pháp cao hơn từ 6h ngày 21/9

Tối 20-9, Chủ tịch UBND thành phố Hà Nội Chu Ngọc Anh ký ban hành Chỉ thị số 22/CT-UBND điều chỉnh các biện pháp phòng, chống dịch bệnh Covid-19 trên địa bàn thành phố trong tình hình mới.