Điện tử công suất là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị bán dẫn, biến đổi năng lượng điện theo các dạng khác nhau như chỉnh lưu, nghịch lưu hay biến đổi DC-DC. Trong bối cảnh hiện nay, điện tử công suất không chỉ xuất hiện trong các bộ nguồn công nghiệp mà còn hiện diện trong xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh. Xu hướng chung đặt ra yêu cầu các thiết bị phải ngày càng nhỏ gọn, nhẹ hơn và tiết kiệm năng lượng, đồng thời vẫn duy trì khả năng vận hành tin cậy ở dải tần số cao.
Điểm cốt lõi dẫn đến xu hướng này chính là sự phát triển của vật liệu từ mềm và công nghệ đo lường hiện đại, cho phép hiểu rõ và kiểm soát các cơ chế tổn thất trong lõi từ.
Xem thêm:
Tại sao giá điện spot xuất hiện trong thị trường điện cạnh tranh
Đặt trưng dòng điện sự cố của nguồn năng lượng tái tạo
Ba nguồn chỉ số bức xạ mặt trời quan trọng cần phải biết
Hiện tượng tổn thất trong vật liệu từ mềm trong điện tử công suất
Trong các thiết bị điện tử công suất, lõi từ của biến áp hay động cơ là nơi tập trung năng lượng điện từ. Khi dòng điện hoặc từ trường thay đổi theo thời gian, trong vật liệu sẽ phát sinh tổn thất. Có hai loại chính cần chú ý.
Thứ nhất là tổn thất dòng điện xoáy cổ điển, sinh ra khi từ thông biến thiên cảm ứng dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn, gây nóng và tiêu hao năng lượng. Loại tổn thất này có thể dự đoán bằng công thức cổ điển và thường được giảm thiểu nhờ chia nhỏ tiết diện vật liệu hoặc phủ lớp cách điện.
Thứ hai là tổn thất dòng điện xoáy phụ, xuất hiện rõ rệt ở tần số cao. Đây là hiện tượng khó nắm bắt, liên quan đến sự chuyển động không đều của các ranh giới từ, hay còn gọi là domain wall. Mỗi khi domain wall dịch chuyển đột ngột, trong vật liệu lại xuất hiện các dòng điện xoáy cục bộ, tạo nên phần tổn thất bổ sung ngoài dự đoán.
Barkhausen Noise và ý nghĩa trong nghiên cứu
Chuyển động domain wall không trơn tru mà diễn ra theo từng bước nhảy, tạo ra tín hiệu nhiễu đặc trưng gọi là Barkhausen Noise. Tín hiệu này chính là bằng chứng trực tiếp cho thấy tổn thất phụ có nguồn gốc từ hoạt động vi mô trong vật liệu từ mềm.
Trong nhiều năm, việc đo Barkhausen Noise thường bị hạn chế bởi hệ thống đo thiếu băng thông và độ nhạy, khiến tín hiệu chỉ được nhìn thấy ở mức trung bình mà không thể quan sát từng xung riêng lẻ. Nhờ cải tiến kỹ thuật đo, các nhà nghiên cứu đã có thể ghi lại Barkhausen Noise ở mức độ chi tiết, làm rõ hành vi của domain wall và cơ chế gây ra tổn thất.
Khi đã xác định rằng tổn thất dòng điện xoáy phụ chủ yếu xuất phát từ sự dịch chuyển domain wall, việc tối ưu vật liệu từ mềm trở thành chìa khóa. Bằng xử lý nhiệt và kiểm soát thành phần hợp kim, có thể điều chỉnh cấu trúc vi mô để domain wall chuyển động đều hơn, giảm cường độ Barkhausen Noise và qua đó giảm tổn thất phụ.
Điều này có nghĩa là thay vì chỉ cải tiến thiết kế hình học của biến áp hay động cơ, kỹ sư có thể trực tiếp can thiệp vào bản chất vật liệu, mở ra hướng đi mới để đạt hiệu suất cao hơn.
Ứng dụng trong công nghiệp
Trong bộ nguồn chuyển mạch, biến áp tần số cao giữ vai trò then chốt. Khi tần số làm việc tăng, mật độ công suất cũng tăng theo, nhưng đồng thời tổn thất lõi cũng lớn hơn. Vật liệu từ mềm được tối ưu giúp lõi biến áp chịu được tần số cao mà ít nóng lên, cho phép giảm kích thước và trọng lượng mà vẫn duy trì hiệu suất. Kết quả là các bộ nguồn công suất trở nên nhỏ gọn, tiện lợi và tiết kiệm năng lượng.
Động cơ xe điện hoạt động ở tốc độ cao với dòng điện thay đổi nhanh, khiến tổn thất phụ trong lõi thép trở thành yếu tố giới hạn hiệu suất. Khi sử dụng vật liệu đã giảm Barkhausen Noise, động cơ có thể hoạt động hiệu quả hơn, ít sinh nhiệt hơn. Điều này giúp giảm kích thước lõi, từ đó giảm trọng lượng động cơ, tăng mật độ công suất và kéo dài quãng đường di chuyển trên mỗi lần sạc.
Các hệ thống năng lượng tái tạo thường phải biến đổi công suất trong dải tần số rộng. Máy biến áp và inverter trong hệ thống này đòi hỏi lõi từ ít tổn thất để đảm bảo hiệu suất cao và giảm chi phí vận hành. Vật liệu từ mềm tối ưu giúp thiết bị vừa bền vững vừa nhỏ gọn, tạo thuận lợi cho việc lắp đặt tại các vị trí hạn chế không gian như trụ gió ngoài khơi hay trạm điện mặt trời di động.
Sự kết hợp giữa hiểu biết vi mô từ Barkhausen Noise và công nghệ chế tạo vật liệu đã vẽ nên viễn cảnh mới. Điện tử công suất trong tương lai sẽ hướng tới ba yếu tố: thiết bị nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và hiệu suất năng lượng vượt trội. Mỗi bước tiến về vật liệu sẽ kéo theo một thế hệ thiết bị mới, phục vụ tốt hơn cho nhu cầu điện di động, năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh.
Nguồn: IEEE Xplore