Mở đầu
Trong những năm gần đây, cùng với xu hướng phát triển nhanh của khoa học kĩ thuật, điện tử công suất (ĐTCS) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như sạc xe điện, hệ thống nguồn cho các trung tâm dữ liệu (data center).
• Tương lai phát triển của các van bán dẫn và các bộ biến đổi điện tử công suất
• Chọn linh kiện Silicon hay băng rộng cho các bộ nguồn xung
• Tận dụng tiềm năng của Silicon Carbide trong các bộ chuyển đổi công suất
Tuy nhiên, yêu cầu kỹ thuật – công nghệ của các hệ thống này cũng được nâng cao hơn. Khác với các bộ biến đổi (BBĐ) cổ điển cồng kềnh, kích thước lớn và hiệu suất thấp đã và đang dần trở nên lỗi thời, các BBĐ ĐTCS đang có xu hướng được thiết kế với mật độ công suất ngày càng cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, phát ra ít nhiễu điện từ trường hơn,…
Các BBĐ ĐTCS hiện đại thường sử dụng các khóa bán dẫn có cấu trúc dựa trên Silicon, hoặc Galium và được đóng cắt với tần số cao. Tần số càng cao thì kích thước của các phần tử mạch điện, mạch từ càng nhỏ. Do đó, tăng tần số chuyển mạch lên tới Mega-Hertz (MHz) là giải pháp hữu hiệu để giảm kích thước của mạch. Bài viết sẽ phân tích một số lợi điểm cũng như thách thức của việc tăng tần số chuyển mạch trong các hệ thống BBĐ ĐTCS.
Lợi ích của việc tăng tần số chuyển mạch
Tần số chuyển mạch càng cao thì kích thước các linh kiện như tụ điện, cuộn cảm, máy biến áp sẽ càng giảm. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống ở tần số cao phải đối mặt với nhiều vấn đề về hiệu suất, nhiễu và đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết sâu sắc về các phần tử trong mạch cũng như quy trình sản xuất mạch in [1-2].
Các linh kiện chuyển mạch cổ điển như transitor hiệu ứng trường (MOSFET) có tổn hao chuyển mạch lớn, tốc độ chuyển mạch chậm sẽ không còn phù hợp với các ứng dụng cần tốc độ chuyển mạch nhanh hàng trăm kHz đến hàng MHz. Trong dải tần đó, các khóa bán dẫn được thiết kế theo công nghệ băng thông rộng – wide bandgap (WBG) được sử dụng rộng rãi hơn cả vì kích thước nhỏ gọn và tốc độ chuyển mạch cao [3]. Ở cùng một dải công suất, khóa WBG có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn 10 lần, kích thước nhỏ hơn 25 lần và tổn hao giảm 25% so với các khóa cổ điển.
Dù vậy, hiện tại, so với các khóa bán dẫn sử dụng vật liệu Silicon, giá thành của các khóa WBG vẫn là khá cao. Các nhà sản xuất lớn như GaNSystems, EPC đã và đang nghiên cứu cải tiến công nghệ WBG để tối ưu hóa kích thước, hiệu suất và dải điện áp làm việc; đồng thời nghiên cứu một số công nghệ lai như “Si/SiC cascode” để giảm giá thành. Nhờ đó làm tăng tính linh hoạt trong việc lựa chọn và sử dụng các khóa WBG cho các ứng dụng ĐTCS.
Khi tần số tăng lên 10 lần, với cùng một dung kháng, điện dung của tụ điện sẽ giảm đi 10 lần. Điều đó cho phép sử dụng các tụ điện có giá trị nhỏ, kích thước bé và giá thành rẻ hơn, chẳng loại các loại tụ gốm dán bề mặt mạch in (ceramic SMD capacitor). Các công nghệ tụ gốm như X7R, X8R, X7T,… có tổn hao cách điện (dielectric loss) và tổn hao dẫn cực nhỏ khi so sánh với tụ hóa, trong khi giá trị điện dung có thể lên tới hàng chục micro Farad. Ngoài ra, các loại tụ này có thể hoạt động tốt ở tần số cao, điều mà tụ hóa không thể làm được.
Cuộn cảm và máy biến áp là hai thành phần quan trọng không thể thiếu trong các BBĐ ĐTCS. Chúng cũng là các thành phần chiếm diện tích lớn nhất và tổn hao lớn nhất (hơn 60% diện tích và hơn 50% tổn hao). Đối với các BBĐ hoạt động ở tần số thấp, dây đồng bọc cách điện sợi đơn thường được dùng để làm dây quấn cuộn cảm/máy biến áp. Các dây quấn này khi được đặt trong mạch từ sẽ chịu ảnh hưởng của nhiều hiệu ứng như: hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng tiệm cận, hiệu ứng từ tản,… Các hiệu ứng này khiến cho diện tích dẫn dòng của dây đồng giảm, điện trở tương đương tăng do các electron có xu hướng di chuyển ra bề mặt của dây quấn và/hoặc di chuyển về phía phát ra từ trường mạnh hơn. Các hiệu ứng này đặc biệt đáng kể khi tần số tăng lên. Do đó, ở tần số cao, dây Litz – được bện bởi nhiều dây đồng cách điện nhỏ và xoắn chặt với nhau – được sử dụng. Nhờ được bện từ nhiều sợi nhỏ, hiệu ứng bề mặt được giảm xuống trong khi vẫn đảm bảo mật độ dòng điện cần thiết. Việc xoắn chặt các sợi nhỏ với nhau làm giảm hiệu ứng tiệm cận giữa các dây dẫn gần nhau. Hình 5 minh họa ảnh hưởng của tần số lên điện trở dây quấn khi sử dụng các dây Litz khác nhau.
Với cùng một dây quấn, khi tần số tăng lên 10 lần, điện trở thực tế có thể tăng lên cả trăm lần. Do đó, để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, việc lựa chọn dây quấn cuộn cảm/máy biến áp cần được tiến hành một cách cẩn thận. Dù vậy, giá thành của dây Litz cao hơn nhiều so với dây sợi đơn, đồng thời cũng đòi hỏi kỹ thuật chế tác cao hơn. Việc quấn dây có thể làm thủ công hoặc bán tự động sử dụng máy quấn chuyên dụng, tuy nhiên, quy trình khá phức tạp. Điều này dẫn tới chi phí dành cho các phần tử mạch từ này chiếm một khoản không nhỏ trong tổng chi phí sản xuất.
Để tiết kiệm chi phí sản xuất và lắp ráp, các BBĐ ĐTCS tần số cao sử dụng dây quấn được “in” luôn trên mạch điện đang được nghiên cứu sử dụng. Bằng cách thiết kế dây quấn trên các bản mạch in, việc chế tạo có thể được tự động hóa hoàn toàn với chất lượng ổn định và giống nhau trên mỗi sản phẩm. Các công đoạn quấn dây thủ công có thể được loại bỏ. Tính chất của mạch từ có thể được mô phỏng một cách chính xác trên máy tính trước khi triển khai. Với cùng một công suất, dây quấn dạng mạch in sẽ giúp tiết giảm kích thước đến 80% khi so sánh với mạch từ sử dụng dây quấn thông thường. Hình 6 mô tả 2 dạng mạch từ sử dụng dây quấn đồng lá và sử dụng mạch in.
Thách thức của các mạch điện tử công suất tần số cao
Bên cạnh những lợi ích khi sử dụng tần số chuyển mạch cao cho các BBĐ ĐTCS có nhiều thách thức mới xuất hiện và cần những nghiên cứu chuyên sâu để giải quyết:
Vấn đề làm mát
Khi các phần tử mạch điện, mạch từ làm việc, chúng phát ra tổn hao dưới dạng nhiệt. Lượng nhiệt đó cần được tản ra môi trường để đảm bảo duy trì nhiệt độ của phần tử ở trong dải cho phép. Khi tần số tăng lên, mật độ công suất tăng lên và kích thước hệ thống BBĐ ĐTCS giảm xuống, tuy nhiên, kéo theo đó là diện tích tản nhiệt cũng giảm theo. Do đó, công nghệ làm mát đồng thời cũng cần cải tiến. Một số hướng tiếp cận gồm: cố gắng chế tạo các tấm tản nhiệt có nhiệt trở thấp hơn; sử dụng quạt làm mát có lưu lượng gió lớn hơn (forced air cooling); sử dụng kỹ thuật làm mát 2 mặt (double sided cooling); hoặc sử dụng kỹ thuật làm mát cưỡng bức bằng nước (water cooling);… Dù vậy, các cách tiếp cận trên đều góp phần làm tăng chi phí sản xuất. Việc thiết kế tản nhiệt cũng yêu cầu người kỹ sư thiết kế có am hiểu sâu sắc về không chỉ điện, từ mà cả nhiệt.
Các phần tử ký sinh
Ở tần số cao, các phần tử ký sinh như: điện cảm ký sinh trên đường mạch, tụ ký sinh trên khóa bán dẫn, tụ ký sinh giữa các dây quấn, giữa dây quấn với lõi sắt, giữa các vòng dây quấn máy biến áp,… trở nên đáng kể hơn và tham gia nhiều hơn vào hoạt động của hệ thống. Chúng gây biến dạng dòng điện, điện áp; gây ra các điện áp đỉnh nhọn có thể đánh thủng cách điện hoặc phá hủy khóa bán dẫn; làm giảm thời gian dẫn hiệu quả của khóa; làm giảm hiệu suất biến đổi điện năng của toàn hệ thống;…
Việc thiết kế mạch in, mạch từ ở tần số cao cần đặc biệt lưu ý tối thiểu hóa các phần tử ký sinh này. Dù vậy, việc này không hề đơn giản do giá trị các phần tử này khó dự đoán và phụ thuộc vào thiết kế thực tế. Việc xác định các phần tử này trong giai đoạn thiết kế có thể được thực hiện với các công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn. Từ đó, nảy sinh yêu cầu người kỹ sư phải có kỹ năng sử dụng các công cụ này và có sự am hiểu nhất định về các hiệu ứng mà các phần tử ký sinh gây ra cũng như cách khắc phục chúng.
Vật liệu từ
Như đã nói trên, ở tần số cao, dây quấn điện cảm/máy biến áp có thể được thiết kế sử dụng dây Litz hoặc được in trực tiếp lên các bo mạch đồng để dễ dàng tự động hóa và giảm chi phí sản xuất. Các dây quấn này sau đó được ghép vào một lõi sắt từ. Tuy nhiên, bản thân lõi sắt cũng sinh ra tổn hao do dòng Foucault – hay còn gọi là tổn hao sắt. Tổn hao này tỷ lệ với tần số làm việc [4]. Tùy thuộc vào vật liệu từ mà hệ số tỷ lệ tổn hao khác nhau. Thậm chí, trong nhiều ứng dụng, tổn hao sắt chiếm phần lớn tổng tổn hao mà điện cảm/máy biến áp phát ra. Cũng như các khóa bán dẫn, các mạch từ này cũng cần làm mát để giải phóng lượng nhiệt sinh ra tổn hao sắt này, từ đó tăng thêm chi phí và độ phức tạp của thiết kế. Vì vậy, các công nghệ vật liệu đang được nghiên cứu cải tiến để giảm bớt dòng Foucault khi hoạt động ở tần số cao.
Kỹ thuật đo lường và điều khiển
Ở tần số cao hàng Mega-Hertz, việc đo dòng diện, điện áp trở nên khó khăn hơn. Bản thân trở kháng của mạch đo cũng gây ra ảnh hưởng đến các thông số của hệ thống mạch lực. Ngay cả khi đo được, việc hiệu chuẩn tín hiệu đó cũng không đơn giản. Để tín hiệu thu được không bị trễ pha và suy giảm biên độ so với tín hiệu đo được, các phần tử khuếch đại thuật toán được sử dụng trong mạch hiệu chuẩn cần có băng thông rộng hơn hàng chục lần tần số làm việc, từ đó góp phần tăng giá thành sản xuất.
Việc đảm bảo tính thời gian thực của hệ thống điều khiển hệ thống số cũng trở nên gian nan hơn do tổng thời gian thực hiện các tác vụ bị co hẹp hơn. Ví dụ một hệ thống có tần số đóng cắt và tần số trích mẫu cùng là 1 MHz. Điều đó nghĩa toàn bộ các tác vụ: chuyển đổi tương tự – số, tính toán tham số bộ điều khiển, cập nhật các bộ điều chế, giao tiếp, chỉ thị,… cần được thực hiện trong thời gian ít hơn một chu kỳ lấy mẫu là 1 s. Do đó, hệ thống điều khiển cần được làm đơn giản hơn, các thuật toán điều khiển phức tạp khó được áp dụng [5]. Một trong số các hướng giải quyết là xử lý các tác vụ song song hoặc phân chia các tác vụ trên ra nhiều vi xử lý khác nhau. Điều này một lần nữa làm tăng chi phí hệ thống và độ phức tạp của hệ thống và đòi hỏi ở người kỹ sư thiết kế nhiều kỹ năng hơn để làm chủ hệ thống.
Kết luận
Các BBĐ ĐTCS tần số cao đang dần thay thế các hệ thống cổ điển với kích thước lớn nhờ mật độ công suất lớn, hiệu suất cao. Mặc dù việc tăng tần số làm việc giúp làm giảm kích thước hệ thống, nó cũng mang tới nhiều thách thức cho người kỹ sư thiết kế như vấn đề làm mát, vấn đề phần tử ký sinh, vấn đề thiết kế điều khiển,… Hay nói cách khác, các yêu cầu, đòi hỏi đối với người kỹ sử ĐTCS đang trở nên ngày càng cao hơn. Mặt khác, các thách thức đó cũng đồng thời mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới và sẽ dần được giải quyết trong tương lai gần. Với sự phát triển của các công nghệ ĐTCS như hiện nay, ngày mà một thiết bị cầm tay nhỏ gọn đủ công suất chuyển đổi năng lượng đủ cho một hộ gia đình sẽ không còn xa.
Tài liệu tham khảo
[1] ON Semiconductor, “Effects of High Switching Frequency on Buck Regulators”. Link: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/TND388-D.PDF|
[2] Henry Xie, Eric Guo, “How the Switching Frequency Affects the Performance of a Buck Converter”, Texas Instruments.
[3] Landa Culbertson, Mouser Electronics, “Wide Bandgap Semiconductors Go Beyond Silicon in Power, RF, LED Lighting, and Optoelectronics”. Link: https://www.mouser.com/applications/wide-bandgap-beyond-silicon/
[4] Marian K. Kazimierczuk, “High-Frequency Magnetic Components, 2nd Edition”.
Nguyễn Anh Dũng1, Nguyễn Duy Đỉnh2,3
1Đại học công nghệ Virginia, Blacksburg, Hoa Kỳ;
2Học viện Công nghệ Aichi, Nhật Bản;3Đại học Bách Khoa Hà Nội, Việt Nam
Cộng đồng Điện tử công suất Việt Nam
