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].
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%.
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.
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.
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
