acecook

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

vcca
07/07/2021 11:50
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.
aa

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].

tuong lai phat trien cua cac van ban dan va cac bo bien doi dien tu cong suat
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%.

tuong lai phat trien cua cac van ban dan va cac bo bien doi dien tu cong suat
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.

tuong lai phat trien cua cac van ban dan va cac bo bien doi dien tu cong suat
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.

tuong lai phat trien cua cac van ban dan va cac bo bien doi dien tu cong suat
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
tuong lai phat trien cua cac van ban dan va cac bo bien doi dien tu cong suatCộng đồng Điện tử công suất Việt Nam

mca
Tin bài khác
EVN và dấu ấn "đầu tàu kinh tế" tại Triển lãm "80 năm hành trình Độc lập - Tự do - Hạnh phúc"

EVN và dấu ấn "đầu tàu kinh tế" tại Triển lãm "80 năm hành trình Độc lập - Tự do - Hạnh phúc"

Tại Triển lãm thành tựu đất nước “80 năm hành trình Độc lập - Tự do - Hạnh phúc”, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã giới thiệu Sa bàn Hệ thống điện Quốc gia và ứng dụng thực tế ảo, thể hiện vai trò chủ lực kiến tạo huyết mạch năng lượng cho Việt Nam.
80 năm, nhìn lại hành trình “xóa mù” của nhân dân qua phong trào Bình dân học vụ

80 năm, nhìn lại hành trình “xóa mù” của nhân dân qua phong trào Bình dân học vụ

Sau hòa bình lập lại, non sông thu về một mối, nền Giáo dục Việt Nam gánh trọng trách nặng nề: diệt giặc dốt và trang bị tri thức cho toàn dân để hội nhập và vươn tầm thế giới. Trong đó, giai đoạn 1945-1954 được đánh giá là giai đoạn nỗ lực mạnh mẽ và sâu sắc nhất của ngành giáo dục nước nhà.
AI và robot: Cặp đôi quyền lực định hình thế hệ máy móc hiện đại

AI và robot: Cặp đôi quyền lực định hình thế hệ máy móc hiện đại

Trong kỷ nguyên công nghệ số, trí tuệ nhân tạo (AI) và robot không còn hoạt động độc lập, mà đang hợp lực để kiến tạo một thế hệ máy móc thông minh, linh hoạt và gần gũi hơn với đời sống con người. Sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất, mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong y tế, nông nghiệp, giáo dục và cả sinh hoạt thường nhật.
Nhận định phiên giao dịch ngày 4/9: VN-Index đi ngang, dòng tiền xoay vòng tạo cơ hội lướt sóng

Nhận định phiên giao dịch ngày 4/9: VN-Index đi ngang, dòng tiền xoay vòng tạo cơ hội lướt sóng

Phiên giao dịch ngày 3/9 khép lại với diễn biến giằng co khi VN-Index gần như đi ngang ở mức 1.681 điểm. Dòng tiền trên thị trường tiếp tục luân chuyển mạnh giữa các nhóm ngành, từ bluechip sang midcap và penny, tạo ra sự phân hóa rõ nét và mở ra cơ hội lướt sóng ngắn hạn cho nhà đầu tư trong những phiên tới.
An ninh mạng OT 2026: Sáu xu hướng định hình tương lai sản xuất thông minh

An ninh mạng OT 2026: Sáu xu hướng định hình tương lai sản xuất thông minh

Trong kỷ nguyên nhà máy thông minh, dữ liệu di chuyển liên tục qua các cảm biến, robot và bảng điều khiển kết nối. Nhịp tim kỹ thuật số đó vận hành nhờ công nghệ hoạt động (OT - Operational Technology), nhưng đồng thời cũng mở rộng bề mặt tấn công mạng. An ninh mạng OT vì thế đang trở thành ưu tiên hàng đầu của các nhà sản xuất trên toàn cầu.
Lãnh đạo Quốc hội Nga dự duyệt binh và chúc mừng Việt Nam nhân dịp Quốc khánh 2.9

Lãnh đạo Quốc hội Nga dự duyệt binh và chúc mừng Việt Nam nhân dịp Quốc khánh 2.9

Nhân dịp kỷ niệm 80 năm Cách mạng Tháng Tám và Quốc khánh 2.9, các nhà lãnh đạo cấp cao của Quốc hội Liên bang Nga đã gửi lời chúc mừng và tham dự các hoạt động kỷ niệm long trọng tại Hà Nội, thể hiện tình cảm hữu nghị gắn bó và cam kết thúc đẩy quan hệ đối tác chiến lược toàn diện Việt – Nga.
Thư cảm ơn của Ban Chỉ đạo Trung ương kỷ niệm các ngày lễ lớn sau đại lễ 2/9

Thư cảm ơn của Ban Chỉ đạo Trung ương kỷ niệm các ngày lễ lớn sau đại lễ 2/9

Ngày 3/9, Ban Chỉ đạo Trung ương kỷ niệm các ngày lễ lớn và sự kiện lịch sử quan trọng của đất nước trong 3 năm 2023 - 2025 đã có Thư cảm ơn sau Lễ kỷ niệm 80 năm Cách mạng Tháng Tám và Quốc khánh 2/9.
Ưu đãi doanh nghiệp Hội viên VAA tham gia Triển lãm quốc tế Viet Industry 2025

Ưu đãi doanh nghiệp Hội viên VAA tham gia Triển lãm quốc tế Viet Industry 2025

Triển lãm và Chuỗi sự kiện công nghiệp quốc tế quy mô lớn (Viet Industry 2025, diễn ra từ 11-13/9), được phát triển từ thành công của các triển lãm chuyên ngành Cleanfact & RHVAC Vietnam trong các lĩnh vực: điều hòa, thông gió, làm lạnh (RHVAC), công nghệ phòng sạch và giải pháp phụ trợ cho nhà máy công nghệ cao.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 4/9/2025: Tuổi Thìn gặp rắc rối, tuổi Hợi xảy ra bất hòa

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 4/9/2025: Tuổi Thìn gặp rắc rối, tuổi Hợi xảy ra bất hòa

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 4/9/2025 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Hà Nội trong những ngày lịch sử: Rực rỡ, hào hùng và tràn đầy cảm xúc

Hà Nội trong những ngày lịch sử: Rực rỡ, hào hùng và tràn đầy cảm xúc

Đại lễ Quốc khánh 2/9 năm nay không chỉ để lại hình ảnh Thủ đô rợp cờ hoa, nhộn nhịp trong những ngày tháng lịch sử, mà còn khắc sâu trong lòng người dân cả nước ký ức khó quên. Dòng người từ 34 tỉnh, thành đổ về Hà Nội, tay vẫy cờ đỏ sao vàng, mắt ánh lên niềm tự hào, tạo nên bức tranh đẹp đẽ và thiêng liêng của tình yêu Tổ quốc.
song-gia-tri