Nhu cầu điện năng toàn cầu đang tăng nhanh. Các trung tâm dữ liệu tiêu tốn nhiều điện năng để vận hành trí tuệ nhân tạo, cùng với sự phát triển của các ngành sản xuất, đang tạo ra áp lực chưa từng có lên hệ thống điện trên toàn thế giới. Để đáp ứng nhu cầu về điện, ngoài việc tăng thêm sản lượng điện, một giải pháp đầy hứa hẹn là sử dụng nguồn năng lượng hiện có hiệu quả hơn và với chi phí thấp hơn.

Cách tiếp cận mới để nâng cao hiệu suất điện năng

Các nhà nghiên cứu tại NREL đã phát triển một mô-đun nguồn điện mới dựa trên silicon carbide nhằm cải thiện đáng kể cách điện năng được chuyển đổi và phân phối. Mô-đun nguồn điện là bộ vỏ chứa các linh kiện điện tử công suất, có chức năng điều chỉnh dòng điện giữa các hệ thống. Thiết kế mới này đạt hiệu suất kỷ lục, mật độ công suất cao hơn và quy trình sản xuất giúp giảm chi phí.

Công nghệ này được gọi là mô-đun nguồn điện thông minh cảm kháng siêu thấp của NREL (Ultra-Low Inductance Smart power module – ULIS). Nhờ sử dụng chất bán dẫn silicon carbide, ULIS đạt mật độ năng lượng cao gấp 5 lần các thiết kế trước đây trong khi chiếm ít không gian hơn. Sự kết hợp này cho phép các nhà sản xuất chế tạo thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Mô-đun 1200 volt, 400 ampe này phù hợp với trung tâm dữ liệu, lưới điện, lò phản ứng vi mô và các thiết bị hạng nặng như máy bay thế hệ mới và phương tiện quân sự.

Vì sao “cảm kháng siêu thấp” lại quan trọng

Một lợi thế cốt lõi của ULIS là cảm kháng ký sinh cực thấp - tức mức cản trở làm chậm sự thay đổi của dòng điện và hạn chế hiệu quả chuyển đổi điện năng. ULIS giảm mức cản này từ 7-9 lần so với các mô-đun silicon carbide tiên tiến nhất hiện nay.

Nhờ khả năng đóng ngắt dòng điện cực nhanh và hiệu quả, hệ thống chuyển đổi được nhiều điện năng thành công suất sử dụng thực tế hơn. Khả năng này giúp ULIS khai thác giá trị lớn hơn từ cùng một nguồn năng lượng, trở thành ứng viên mạnh trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng.

“Chúng tôi coi ULIS là một bước đột phá thực sự,” Faisal Khan, trưởng nhóm nghiên cứu điện tử công suất của NREL và là chủ nhiệm dự án, cho biết. “Đây là mô-đun nguồn điện siêu nhanh, có tính định hướng tương lai, giúp thế hệ bộ chuyển đổi điện tiếp theo trở nên rẻ hơn, hiệu quả hơn và nhỏ gọn hơn.”

Thiết kế có độ tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt

ULIS không chỉ được thiết kế để đạt hiệu suất cao mà còn để hoạt động tin cậy trong môi trường khắc nghiệt. Theo Khan, mô-đun nhẹ nhưng mạnh này có thể tự giám sát tình hình và dự đoán hỏng hóc linh kiện trước khi xảy ra.

Tính năng này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng rủi ro cao như hàng không và quân sự. Với máy bay bay ở độ cao 30.000 feet hoặc phương tiện hoạt động trong vùng chiến sự, việc phát hiện sớm hỏng hóc có thể quyết định sự thành công của nhiệm vụ và giảm tổn thất nghiêm trọng.

“ULIS là kết quả của một quá trình phát triển hoàn toàn nội bộ tại NREL,” Khan cho biết. “Chúng tôi rất hào hứng khi chứng minh các ưu điểm của nó trong môi trường thực tế.”

Thiết kế lại hoàn toàn để giảm chi phí sản xuất

Nhiều cải tiến hiệu suất của ULIS đến từ thiết kế vật lý hoàn toàn mới. Các mô-đun nguồn truyền thống xếp chồng linh kiện bán dẫn trong các vỏ dạng hộp. ULIS thay vào đó bố trí mạch điện theo cấu trúc phẳng hình bát giác. Dạng đĩa này chứa được nhiều linh kiện hơn trong diện tích nhỏ hơn, giúp giảm kích thước và trọng lượng. Đồng thời, cách định tuyến dòng điện sáng tạo của nó giảm nhiễu từ, giúp tạo đầu ra điện sạch hơn và nâng cao hiệu suất tổng thể.

“Mối quan tâm lớn nhất của chúng tôi là thiết bị đóng ngắt rất nhanh, nên cần một bố cục không tạo ra điểm nghẽn trong thiết kế,” Shuofeng Zhao, nhà nghiên cứu điện tử công suất tại NREL và là người thiết kế kiến trúc triệt tiêu từ thông của ULIS, cho biết.

Các ý tưởng ban đầu từng thử nghiệm cấu trúc ba chiều phức tạp, bao gồm dạng giống hoa hoặc hình trụ rỗng. Tuy nhiên, các phương án này quá tốn kém hoặc khó sản xuất. Bước đột phá đến khi nhóm đơn giản hóa thành cấu trúc gần hai chiều. Sarwar Islam, một nhà nghiên cứu khác của NREL, đã đề xuất thiết kế dẹt cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và khả năng sản xuất.

“Chúng tôi ép nó dẹt lại như một chiếc bánh kếp và tạo ra một thiết kế hiệu suất cao, chi phí thấp và dễ chế tạo hơn nhiều.”

Joshua Major, cũng thuộc nhóm nghiên cứu điện tử công suất của NREL, đã phát triển các phương pháp chế tạo mới giúp cấu trúc phức tạp này được sản xuất hoàn toàn bằng thiết bị nội bộ. Kết quả là một thiết kế kết hợp được ưu điểm điện của hệ thống ba chiều với tính thực tế của sản xuất phẳng.

Vật liệu linh hoạt và điều khiển không dây

ULIS cũng khác biệt về vật liệu. Mô-đun truyền thống gắn đồng trực tiếp lên đế gốm cứng để dẫn điện và tản nhiệt, nhưng cách này hạn chế tính linh hoạt.

ULIS thay vào đó gắn đồng lên một polymer linh hoạt gọi là Temprion. Thay đổi này tạo cấu trúc mỏng hơn, nhẹ hơn và linh hoạt hơn. Vật liệu liên kết với đồng chỉ bằng nhiệt và áp suất, và các thành phần có thể gia công bằng thiết bị phổ biến. Nhờ đó, chi phí sản xuất giảm xuống mức vài trăm đô la thay vì hàng nghìn.

Một bước tiến khác là khả năng vận hành không dây. Mô-đun có thể được điều khiển và giám sát mà không cần cáp vật lý, hoạt động như một đơn vị độc lập. Thiết kế dạng mô-đun giống Lego cho phép tích hợp vào nhiều hệ thống khác nhau, từ máy chủ trung tâm dữ liệu đến máy bay tiên tiến và phương tiện quân sự. Một bằng sáng chế cho giao thức truyền thông không dây độ trễ thấp do Sarwar Islam dẫn đầu hiện đang chờ cấp.

Thiết kế cho công nghệ tương lai

Dù sử dụng chất bán dẫn silicon carbide tiên tiến, thiết kế ULIS được xây dựng để có thể nâng cấp. Mô-đun có thể thích ứng với vật liệu bán dẫn tương lai như gallium nitride và gallium oxide, loại vẫn chưa được thương mại hóa.

Tất cả các đổi mới này phục vụ mục tiêu chung: khi xã hội ngày càng phụ thuộc vào điện năng, ULIS cung cấp điện hiệu suất cao mà vẫn có độ tin cậy.

ULIS có thể tạo khác biệt lớn nhất ở đâu

ULIS được kỳ vọng tạo tác động rộng trong nhiều lĩnh vực. Trong lưới điện Hoa Kỳ, điện năng phải được chuyển đổi sang dạng sử dụng trước khi đến tay người dùng. Quá trình này thường dựa vào thiết bị lớn, tần số thấp và gây thất thoát năng lượng. Khả năng đóng ngắt nhanh của ULIS cải thiện hiệu suất, trong khi khả năng chịu nhiệt cao có thể giảm chi phí bảo trì dài hạn.

Trong hàng không, khả năng truyền tải điện nhanh và tiết kiệm năng lượng giúp tạo bộ chuyển đổi nhẹ và mạnh hơn, hỗ trợ phát triển máy bay cất hạ cánh thẳng đứng chạy điện (eVTOL) khả thi về thương mại.

ULIS cũng có thể đóng vai trò trong hệ thống năng lượng nhiệt hạch tương lai. Dù nhiệt hạch thương mại vẫn đang phát triển, các hệ thống này sẽ cần linh kiện công suất xung nhỏ gọn và đáng tin cậy. Cảm kháng cực thấp và thiết kế bền vững của ULIS phù hợp với thách thức đó.

Khi các ngành công nghiệp theo đuổi điện năng đáng tin cậy hơn, trí tuệ nhân tạo tiên tiến và phương tiện thế hệ mới, ULIS hiện đã sẵn sàng cấp phép sử dụng.

M.P (NASTIS), sciencedaily