Bộ chuyển đổi điện là bộ phận thiết yếu được sử dụng trong tất cả các ứng dụng điện, bao gồm cuộn cảm, hệ thống chuyển đổi nguồn năng lượng tái tạo và lưu trữ năng lượng. Nhu cầu điện khí hóa các hệ thống trước đây chạy bằng việc đốt nhiên liệu hóa thạch ngày càng cấp thiết hơn khi các nỗ lực giảm thiểu phát thải khí nhà kính trên toàn thế giới đang tăng nhanh. Hiệu quả và hiệu suất của các bộ chuyển đổi, thành phần chính của các hệ thống này, ngày càng trở nên quan trọng khi thế giới tiến tới việc sử dụng các hệ thống điện chạy bằng năng lượng tái tạo.
Bằng cách nắm giữ vị trí thị trường trong quá trình chuyển đổi năng lượng, Hillcrest Energy Technologies dự định đi đầu trong việc khử cacbon trong lĩnh vực năng lượng . Công nghệ của nó tập trung vào việc tạo ra các giải pháp mở khóa hiệu quả trong quá trình điện khí hóa và tối đa hóa hiệu suất của các hệ thống điện tích hợp. Giám đốc Công nghệ Ari Berger tại Hillcrest cho biết: “Mặc dù chúng tôi tập trung vào công nghệ biến tần lực kéo cho xe điện (EV), nhưng các công nghệ chúng tôi đang phát triển cũng có thể được áp dụng cho nhiều ngành công nghiệp để làm cho hệ thống điện hiệu quả hơn”.
Theo Berger, công nghệ Hillcrest loại bỏ những đánh đổi thiết kế truyền thống phải đối mặt trong ngành điện — việc triển khai tần số chuyển mạch cao hơn trước đây đồng nghĩa với việc gia tăng tổn thất nhiều hơn: hiệu suất hệ thống thấp hơn và nhiệt cao hơn. Berger cho biết: “Thông qua sự kết hợp giữa chuyên môn về phần cứng và phần mềm điều khiển, công nghệ Hillcrest giúp loại bỏ đáng kể tổn thất khi chuyển mạch, cho phép các ứng dụng điện tận dụng tần số chuyển mạch cao hơn, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện, đồng thời hoạt động ở mức công suất cao hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu quả.” Berger nói.
Công nghệ biến tần dựa trên SiC
Bằng cách giảm tổn thất biến tần, công nghệ biến tần của Hillcrest làm giảm số lượng quản lý nhiệt cần thiết trên toàn bộ hệ thống truyền lực. Bằng cách giảm độ phức tạp của hệ thống và giảm bớt một số áp lực lên các thành phần nguồn, điều này có thể dẫn đến tiết kiệm chi phí đáng kể.
Các công nghệ dựa trên silicon, chẳng hạn như MOSFET, đã được tạo ra để giảm bớt tổn thất dẫn truyền. Sử dụng các chất bán dẫn dải tần rộng silicon carbide và gallium nitride , các thiết bị chuyển mạch có điện trở dẫn điện thấp cũng đã được phát triển gần đây. Điều này cũng làm giảm tổn thất chuyển mạch bằng cách giảm thời gian chuyển đổi, nhưng điều này lại tạo ra các vấn đề với EMI và dV / dt cao, có ảnh hưởng tiêu cực đến độ tin cậy.
Cách khác để giảm hoặc loại bỏ tổn thất khi chuyển mạch là loại bỏ sự chồng chéo quá độ dòng điện và điện áp. Cách tiếp cận nổi tiếng dựa trên chuyển mạch điện áp không (ZVS).
ZVS cho phép "chuyển mạch mềm", giúp ngăn ngừa tổn thất chuyển mạch thường xảy ra với PWM và đồng bộ hóa truyền thống.
Khi MOSFET được chuyển mạch mềm, bất kỳ sự chồng chéo điện áp hoặc dòng điện nào cũng được loại bỏ, giảm tổn thất. Điện áp giảm xuống 0 (không chỉ ở chế độ nhàn rỗi) trước khi MOSFET được bật hoặc tắt. (Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để lật MOSFET khi dòng điện, chứ không phải điện áp, tiến tới mức 0. Chuyển mạch dòng bằng không, hoặc ZCS, là tên của kỹ thuật này.) Thực tế là các dạng sóng chuyển mạch mềm làm giảm EMI là một lợi ích khác.
Định nghĩa chính xác nhất của chuyển mạch mềm (ZVS) là chuyển đổi công suất PWM tiêu chuẩn trong khi MOSFET đang hoạt động nhưng với chuyển đổi chuyển mạch “cộng hưởng”. Phương pháp này có thể được so sánh với bộ nguồn PWM sử dụng điều khiển không đổi để thay đổi tần số chuyển đổi hoặc để duy trì điều chỉnh điện áp đầu ra trong thời gian phục vụ. Kỹ thuật này tương đương với chuyển đổi tần số cố định với chu kỳ làm việc có thể điều chỉnh được trong một đơn vị thời gian nhất định.
Hai lợi ích bổ sung của ZVS là khả năng hoạt động ở tần số cao hơn, giúp giảm tiếng ồn, lọc đơn giản hơn và sử dụng ít thành phần bộ lọc hơn, cũng như khả năng giảm thiểu phổ hài của bất kỳ EMI nào (bằng cách tập trung vào chuyển đổi thường xuyên).
Điểm bất lợi là không có gì đảm bảo rằng MOSFET sẽ sử dụng hết năng lượng của nó trước khi tắt, đặc biệt là ở tần số cao. Năng lượng “lưu trữ” này theo thời gian có thể dẫn đến hỏng hóc linh kiện, đặc biệt là trong bộ điều chỉnh điện áp chuyển mạch nhanh. Để đảm bảo rằng tất cả năng lượng được sơ tán khỏi bóng bán dẫn, các nhà sản xuất mô-đun nguồn giải quyết vấn đề này bằng cách kết nối song song một diode thân nhanh với công tắc.
Các phương pháp ZVS hiện có không phù hợp với các ứng dụng lực kéo, vì chúng gặp phải các vấn đề như nhiệt độ và hiệu suất phụ thuộc vào tải và phạm vi hoạt động hẹp. Công nghệ biến tần của Hillcrest thực hiện phương pháp ZVS được điều khiển bằng các thuật toán phần mềm điều khiển mới sử dụng vi điều khiển. Phương pháp này cho phép chuyển mạch mềm và loại bỏ một cách vật chất các tổn thất khi chuyển mạch. Do đó, với việc loại bỏ tổn thất chuyển mạch, tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi có thể được tăng lên và hệ thống có thể tận hưởng những lợi ích của tần số chuyển mạch cao, chẳng hạn như hiệu suất tốt hơn và kích thước nhỏ hơn.
Harald Hengstenberger, Giám đốc điều hành và Người sáng lập Systematec GmbH, đối tác chiến lược của Hillcrest cho biết: “Chúng tôi hiện đang sử dụng chất bán dẫn 1.200-V SiC cho sự phát triển của mình, bởi vì theo quan điểm ngày nay, chúng là loại phù hợp nhất cho các ứng dụng lực kéo”. trong điện tử công suất và thiết kế thành phần cơ điện. Ông nhận xét rằng tần số chuyển mạch của các hệ thống kéo ngày nay là khoảng 10 kHz. “Chúng tôi nhận thấy những lợi thế đáng kể trong việc sử dụng công nghệ biến tần hiệu suất cao của mình để điều chỉnh biến tần tần số chuyển mạch này đến giá trị tối ưu cho hiệu quả tổng thể của hệ thống, lên đến xấp xỉ 100 kHz. Công tắc GaN phù hợp với các tần số chuyển mạch cao hơn nhiều và chúng tôi thấy việc sử dụng chúng trong bộ sạc hoặc bộ chuyển đổi DC / DC. ”
Theo Hilllcrest, tất cả các thị trường có thời gian hoạt động cao hoặc yêu cầu hiệu suất cao đều có thể thấy loại biến tần này có lợi. “Ngoài xe điện và ngành công nghiệp di động, nền tảng công nghệ biến tần Hillcrest có thể cải thiện hiệu quả và độ tin cậy trên nhiều mục đích sử dụng cuối và các ứng dụng trong đó biến tần đóng vai trò quan trọng, bao gồm năng lượng tái tạo nối lưới , hệ thống sạc và lưu trữ, và Các ứng dụng điện áp / công suất cao như lưới điện quy mô tiện ích, đường sắt và tàu container, ”CTO Berger cho biết.
Vì công nghệ biến tần của Hillcrest giúp loại bỏ đáng kể tổn thất khi chuyển mạch, nó làm cho tần số chuyển mạch cao hơn khả thi, dẫn đến chất lượng công suất đầu ra tốt hơn và tổng độ méo hài thấp hơn và kích thước tụ điện liên kết DC nhỏ hơn. Nó cũng làm giảm dV/dt của các công tắc nguồn chính mà không ảnh hưởng xấu đến tổn thất, giúp bảo vệ cuộn dây và hệ thống cáp của động cơ khỏi sự cố cách điện và giảm các sự cố do EMI truyền thống gây ra.
Theo Hillcrest, những lợi ích này mang lại những lợi thế có giá trị ở cấp độ hệ thống, chẳng hạn như giảm kích thước động cơ và yêu cầu làm mát, gợn mô-men xoắn thấp hơn và tăng tuổi thọ của các bộ phận cơ khí trong các ứng dụng lực kéo.
Berger cho biết: “Trong quá trình phát triển chất bán dẫn, sự thỏa hiệp thường được thực hiện giữa tổn thất chuyển tiếp thấp nhất có thể và các đặc tính chuyển mạch tốt. “Với công nghệ biến tần hiệu suất cao của mình, chúng tôi đã cơ bản loại bỏ tổn thất chuyển mạch của chất bán dẫn công suất và do đó, các thế hệ bán dẫn trong tương lai được tối ưu hóa cho tổn thất trạng thái thấp nhất có thể có thể dẫn đến tăng hiệu suất và phạm vi hoạt động. Phương pháp chuyển mạch đặc biệt được sử dụng trong công nghệ biến tần hiệu suất cao của Hillcrest cũng làm giảm dòng điện gợn sóng trong mạch DC, có thể dẫn đến tăng tuổi thọ pin. Theo quan điểm của chúng tôi, loại chất bán dẫn không mang tính quyết định về mặt này ”.
Hình 1 và 2 là kết quả cho quá trình chuyển đổi tắt dưới dòng điện 5-A về phía bộ chuyển đổi (chiều âm). Trong sơ đồ chuyển mạch cứng, khoảng 65 µJ được tiêu tán trong công tắc với công suất cực đại là 1,5 kW. Trong sơ đồ này, dV / dt là khoảng 13 kV / µs, khá cao và có thể làm hỏng cáp và động cơ. Mặt khác, tổn thất của chuyển mạch mềm trong quá trình chuyển đổi là thấp đáng kinh ngạc, vào khoảng 2 µJ. Giá trị dV / dt trong sơ đồ này là 1,1 kV / µs, dẫn đến tuổi thọ của động cơ và cáp lâu hơn, EMI thấp hơn và yêu cầu che chắn thấp hơn.
Thách thức
Các động lực chính để phát triển biến tần luôn là kích thước, trọng lượng và giá thành. Hiệu quả cuối cùng của một thiết bị là kết quả của sự tác động / đánh đổi lẫn nhau của ba yêu cầu này trong mối quan hệ với nhau.
Berger cho biết: “Bằng cách loại bỏ tổn thất khi chuyển mạch, hiệu suất vốn đã cao của một biến tần từ 97,5% đến 98% sẽ tăng thêm 1,5% nữa. “Mặc dù việc tăng hiệu suất của biến tần là có giá trị, nhưng lợi ích quyết định có thể được tìm thấy ở tần số chuyển đổi cao hơn của biến tần. Bằng cách tăng tần số chuyển đổi của biến tần, chất lượng của dòng điện cung cấp cho máy điện được tăng lên đáng kể và hiệu suất của hệ thống trong phạm vi phụ tải cục bộ tăng lên khoảng 14%, sau đó có ảnh hưởng đáng kể hơn nhiều đến phạm vi. ”
Theo Hillcrest, công nghệ biến tần của nó có thể giúp giảm bớt những thách thức về đóng gói bằng cách làm cho một số thành phần nhỏ hơn. Berger cho biết: “Đối với thiết kế sản phẩm, đối tác Systematec của chúng tôi có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế phần cứng ô tô và chúng tôi cũng có kế hoạch hợp tác / hợp tác với các công ty công nghệ chuyên về lĩnh vực này, bao gồm các nhà cung cấp ô tô Cấp 1 toàn cầu và OEM”, Berger cho biết.
