Bối cảnh và sự ra đời của mô-đun IGBT
Trong những năm gần đây, đường sắt đã và đang thu hút sự chú ý như một loại hình giao thông có xu hướng tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường dựa trên quan điểm chống lại sự nóng lên toàn cầu. Trong khi đó, do hoạt động của tàu điện đòi hỏi một lượng lớn năng lượng điện nên ta cần phải làm giảm bớt kích thước và trọng lượng của các loại thiết bị của ngành đường sắt để tăng tính hiệu quả.
Vị trí các thiết bị được gắn lên
Chất bán dẫn điện (mô-đun IGBT) là linh kiện điện tử chuyển đổi nguồn AC và DC thông qua chuyển mạch tốc độ cao (bật và tắt nguồn). Chúng được lắp đặt trong biến tần chính của hệ thống đẩy của toa tàu và trong hệ thống cấp điện phụ cho hệ thống điều hòa không khí và đèn chiếu sáng bên trong.
Fuji Electric gần đây đã phát triển và bắt đầu sản xuất hàng loạt dòng sản phẩm HPnC, một loại mô-đun IGBT công suất cao giúp giảm tổn thất điện năng và tiết kiệm năng lượng. Thị trường đường sắt điện dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ trung bình hàng năm là 6% trong tương lai, đạt khoảng 50 đến 60 tỷ yên vào năm 2023. Ước tính Fuji Electric có kế hoạch triển khai HPnC trên quy mô toàn cầu.
Tính năng và ưu điểm của mô-đun IGBT
Tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm tổn thất điện năng
HPnC được trang bị IGBT thế hệ thứ 7 mới nhất, tự hào với việc có mức hiệu suất tổn thất thấp tốt nhất trong ngành. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc, Fuji Electric đã giảm điện cảm bên trong (thứ đã gây cản trở đến quá trình chuyển mạch tốc độ cao) lên đến 76% so với các sản phẩm thông thường, giúp hạn chế tổn thất đến mức thấp nhất.
Biến tần được trang bị HPnC mới sẽ giúp giảm tổn thất điện năng trong quá trình hoạt động khoảng 8,6% so với sản phẩm thông thường (Mô-đun công suất cao của Fuji Electric). Ngoài ra, kết hợp với việc cải thiện bộ tản nhiệt (được mô tả trong phần sau) sẽ làm giảm sự sinh nhiệt, dẫn đến kích thước giảm 19% và trọng lượng giảm 13% so với sản phẩm thông thường.
Được tin cậy với các vật liệu nền đã được kiểm chứng
Một trong những nguyên nhân chính gây ra lỗi mô-đun IGBT là sự xuống cấp của các giao diện giữa các thành phần khác nhau, do ứng suất gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình hoạt động.
Do đó, Fuji Electric đã thay đổi vật liệu tấm nền từ hỗn hợp thông thường của nhôm và silic cacbua (AlSiC) thành hỗn hợp magiê và silic cacbua (MgSiC), do đó cải thiện khả năng tản nhiệt và giảm ứng suất do thay đổi nhiệt gây ra. Ngoài ra, các đầu nối của mô-đun mới được gắn vào đế cách điện bằng liên kết siêu âm, trái ngược với mối nối hàn trong mô-đun thông thường, do đó giảm tỷ lệ hỏng hóc.
Tạo điều kiện kết nối song song cho các thiết bị bán dẫn điện
Sản phẩm thông thường yêu cầu ba thanh cái riêng biệt (dây dẫn để kết nối điện, thanh cái DC +, DC- và AC) chồng lên nhau khi xây dựng mạch, làm cho cấu hình dây phức tạp khi sử dụng kết nối song song của bán dẫn công suất.
Tối ưu hóa việc bố trí cầu đấu của sản phẩm này đã cho phép bố trí ba loại thanh cái theo cùng một hướng, dễ dàng tạo điều kiện kết nối song song nhiều thiết bị bán dẫn điện và góp phần cải tiến lại khâu lắp ráp cho các bộ biến tần khác nhau.
Sự khác nhau giữa sản phẩm thông thường và HPnC
Nguồn: Fujielectric.com