Cuộn cảm
ngày 29 tháng 8 năm 1831 Michael Faraday công bố hiện tượng cảm ứng điện từ
ngày nay, cột điện thoại được gắn những bộ biến thế (ảnh dưới: thùng hình trụ)
tần số dòng điện xoay chiều sẽ tỷ lệ nghịch với kích thước cần thiết của bộ biến thế
ví dụ, điện dân dụng có tần số 50-60 Hz cần 1 bộ biến thế to
Thyristor
năm 1968 kỹ sư William McMurray ở công ty General Electric đăng ký sáng chế Mỹ kết hợp những bóng bán dẫn công suất thể-rắn với một bộ biến thế cao-tần
bộ biến thế điện tử của McMurray nhận một dòng điện thấp-tần, sử dụng những bóng bán dẫn công-suất để "băm xung" dòng điện để tăng tần lên đến 5000 Hz; sau đó, một bộ biến thế bé sẽ xử lý dòng điện cao-tần mới này; sau đó, một tập hợp các bóng bán dẫn công-suất khác sẽ hạ tần xuống còn 50-60 Hz dân dụng
bộ biến thế điện tử của McMurray đã thu nhỏ 70-80% kích thước vật lý, so với những bộ biến thế cũ
ở những quốc gia nói-tiếng-Đức và bán đảo Scandinavia (Aó, Thụy Sĩ, Na Uy, Thụy Điển), tàu điện chạy ở tần số 16.67 Hz cho nên sẽ cần những bộ biến thế to hơn cả những bộ biến thế cho điện dân dụng 50-60 Hz
Bộ biến thế thể-rắn
thập niên 1970 hải quân Mỹ sử dụng những bộ biến thế ứng dụng hóa chất Askarel chứa-PCB (polychrorinated biphenyl) vừa tản nhiệt vừa làm vật liệu cách điện
thập niên 1970 khủng hoảng năng lượng, tàu thuyền Mỹ neo đậu ở cảng sẽ sạc điện trên bờ
hiệu suất danh nghĩa của một bộ biến thế thông thường được ghi 98% nhưng sẽ thay đổi tùy thuộc tải điện... nếu tải điện không cố định, hiệu suất sẽ giảm
hải quân Mỹ ước tính hàng chục triệu USD thất thoát vì những kém-hiệu-quả phân phối này
chứng kiến khả năng hạ-tần của những bóng bán dẫn công-suất, hải quân Mỹ thuê nhà thầu chạy những trình mô phỏng trên máy tính và sản xuất bo mạch thử nghiệm (breadboard)
nghiên cứu khả thi đã kết luận rằng một bộ biến thế thể-rắn (solid state transformer) bù đắp hiệu suất tổng thể thấp, bằng một hiệu năng ổn định với nhiều mức tải điện khác nhau
mạch biến thế của hải quân Mỹ bấy giờ không có một bộ biến thế cao-tần (cách ly điện tĩnh) tức là không cách ly những phần trong mạch đang cản trở dòng điện đi qua (cách ly galvanic)
tháng 4 năm 1980 James Lawrence Brooks xuất bản "technical note" cho chương trình phát triển ý tưởng bộ-biến-thế thể-rắn do Bộ Tư lệnh Vật lực Hải quân (Naval material command) tài trợ
ghi chú kỹ thuật của James Lawrence Brooks dự đoán bộ-biến-thế thể-rắn có thể trở thành "viên gạch xây dựng" cho những thiết kế tiết kiệm điện, và sẽ mất 10-15 năm nghiên cứu phát triển thử nghiệm
Viện nghiên cứu điện lực EPRI
năm 1995 EPRI (electrical power research institute) tài trợ nghiên cứu làm một số nguyên mẫu SST (solid state transformer)
đầu thập niên 2000 EPRI trình làng một bộ biến thế thông-minh đa-dụng (intelligent universal transformer)
năm 1996 đội ngũ Koosuke Harada ở trường đại học Kyushu đưa ra ý tưởng bộ-biến-thế thông minh, chủ yếu là một phiên bản nâng cấp bộ-biến-thế của McMurray với những bóng bán dẫn công-suất lưỡng cực cổng-silic IGBT (insulated gate bipolar transistor) hiệu suất 80% tối đa
Tàu điện
năm 2007 ABB (ASEA Brown Boveri) trình làng một nguyên mẫu bộ biến thế công-suất điện tử lực kéo PETT (power electronic traction transformer)
trong một tàu điện, có một bộ biến thế lực kéo (traction transformer) hạ áp điện dân dụng để truyền cho động cơ kéo
bộ biến thế lực-kéo phải đặt vừa trong không gian chật hẹp ở bên dưới sàn tàu điện, và cũng phải chịu được rung chấn từ những thay đổi vận tốc của tàu, cho nên các nhà thiết kế đã ưu tiên độ bền bỉ và kích thước bộ biến thế, thay vì chú trọng hiệu suất, cho nên bộ biến thế lực-kéo hiệu suất 90% so với con số 98% của những bộ biến thế thông thường
bộ biến thế lực-kéo vẫn là bộ phận nặng nhất trên một tòa tàu điện, vừa tốn lực kéo vừa dễ xuống cấp theo thời gian sử dụng
PETT có 3 tầng (stage): bước 1 nhận điện xoay chiều dân dụng và tăng tần bằng những IGBT
bước 2 là một bộ biến thế trung-tần sẽ hạ thế dòng điện
bước 3 là một bộ biến đổi (converter) tạo ra dòng điện cho động cơ kéo
năm 2012 ABB triển lãm PETT ở hội chợ INNOTRANS, trong đó PETT tiên tiến nhất đã đạt 96% hiệu suất, to bằng nửa bộ biến thế thống thường
những hãng sản xuất tàu như Alstom, Siemens và Bombardier đã trình làng 20 nguyên mẫu những hệ thống trang-bị-PETT
sau rốt PETT không được thương mại hóa, bất chấp đã có nhiều phiên bản với kích thước khác nhau và hiệu suất đầy hứa hẹn, vì đã không được thử nghiệm và bị chê là quá phức tạp và đắt đỏ (chi phí gấp rưỡi bộ biến thế cũ)
Điện lưới thông minh
IGBT 6.5 kiloVolt cho thấy thất thoát điện khi tần số chớm tăng đến tầm kiloHertz
ở những tàu điện PETT, IGBT định mức 6.5 kiloVolt không thể kết nối ngay vào đường dây 25 kiloVolt, mà phải có thêm hệ thống phụ
cuối thập niên 2000 bóng bán dẫn khe-băng-năng-lượng rộng WBG (wide bandgap) như silicon carbide, mặc dù còn đắt, đã tạo điều kiện cho việc thương mại hóa SST cho việc lưu trữ và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo không-liên-tục như điện gió và điện mặt trời
ví dụ điện mặt trời mái nhà, điện áp sẽ thay đổi tùy thuộc vào mây, giờ cao điểm tiêu thụ điện, chất lượng
trung tâm FREEDM (future renewable electric energy delivery & management) ở trường đại học tiểu bang North Carolina đưa ra ý tưởng "internet cho điện năng" bổ sung cho SST nhiều cổng giao diện một/xoay chiều, để đưa SST vào thiết bị định tuyến Energy Internet
Alex Qin Huang nói: "(bộ biến thế thể-rắn) giúp việc kết nối một pin mặt trời hoặc một xe điện vào điện lưới sẽ đơn giản như kết nối máy ảnh hoặc máy in vào máy vi tính"
"tiện ích sẽ giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch, nhờ tạo điều kiện cho những nguồn điện tái tạo quy-mô-nhỏ đóng góp vào điện lưới"
năm 2011 bộ biến thế thông minh đã bình chọn là một trong những đột phá công nghệ ở viện công nghệ Massachusetts
Làn sóng khởi nghiệp
công ty khởi nghiệp Varentec đã gọi được hàng triệu USD vốn từ các nhà đầu tư Bill Gates và quỹ mạo hiểm Khosla, với thông tin ban đầu Varentec kế hoạch phát triển một bộ biến thế thể-rắn
trường Cambridge tách ra công ty khởi nghiệp Amantys phát triển những nguyên mẫu SST cho trang trại điện gió
năm 2012 một ước tính rằng thị trường SST sẽ tăng trưởng 82% mỗi năm, đạt 5 tỷ USD năm 2020
năm 2013 Varentec trình làng những thiết-bị-đầu-cuối điện lưới (grid edge) hỗ trợ những bộ biến thế cũ trong việc điều khiển điện thế, và cung cấp dữ liệu phân tích điện lưới cho các doanh nghiệp tiện ích
năm 2021 những tài sản phần cứng và phần mềm liên-quan-đến-thiết-bị-đầu-cuối-điện-lưới của Varentec được bán cho công ty con Sentient Energy của tập đoàn Koch
công ty khởi nghiệp GridCo gọi được 54 triệu USD vốn
năm 2018 GridCo đóng cửa
ít doanh nghiệp tiện ích nào muốn mua và triển khai SST định-tuyến điện năng
mới đây, trong buổi phỏng vấn hằng tuần trên SemiAnalysis, cựu phó chủ tịch Haroon Inam phụ trách kỹ thuật và hoạt động Varentec năm 2011-2013, nay là đồng sáng lập DG Matrix, đã nhớ lại rằng ý tưởng Varentec ban đầu là phát triển SST chuyển đổi xoay chiều sang xoay chiều, kết hợp khả năng lọc sạch nguồn điện
Haroon Inam nói: "sau 2 năm nghiên cứu và hàng triệu USD phát triển bộ biến thế thể-rắn xoay chiều sang xoay chiều, chúng tôi nhận thấy (nó) là thứ ngu ngốc nhất chúng tôi từng làm"
"chỉ cần một tảng sắt và một mớ dây đồng... những thứ sẽ bền trong 40-50 năm... ai tỉnh táo lại muốn thay thế bằng một vài thứ đồ điện tử sẽ dễ hỏng hơn"
có ước tính rằng SST tốn kém gấp 5 lần so với bộ biến thế cũ, mặc dù sẽ rẻ hơn nếu so sánh trên cơ sở cấp-hệ-thống
sau đó, giám đốc Deepak Divan điều hành Varentec đã chuyển sang học thuật
năm 2022 Deepak Divan đóng góp cho công trình nghiên cứu cho thấy rằng cả SST lẫn những bộ biến thế lai (sáp nhập bộ biến thế và bộ chuyển đổi converter) đều không khả thi kinh tế, trừ khi giảm 60% chi phí đầu tư
Trung tâm dữ liệu AI
trung tâm dữ liệu cũ nhận điện xoay chiều trung-thế dân dụng, và đi qua một thứ bậc những hệ thống: gồm 2 tập hợp những bộ biến thế và bộ lưu điện UPS (uninterruptible power supply)
tủ máy chủ AI tiêu thụ 1 megaWatt điện, cần những dây đồng dày hơn: hoặc một dây đồng dày hơn ở mức điện áp thấp, hoặc một dây đồng mỏng hơn ở mức điện cao áp
ví dụ 1 megaWatt ở một kiến trúc tủ mạng 54 volt cần 200 cân "thanh dẫn dòng" (busbar) đồng... thay vì thiết kế lại toàn bộ tủ máy chủ và mua dây đồng nặng đắt, một cách khác là thiết kế lại toàn bộ kiến trúc cho 800 volt
Nvidia nói rằng một kiến trúc 800 volt điện áp một chiều VDC (volt direct current) sẽ giảm mạnh độ phức tạp, rằng các doanh nghiệp tiện ích sẽ không cần lo lắng về những vấn đề chuyển đổi sang 800 VDC, rằng SST tiết kiệm không gian và loại bỏ những phần cứng cũ
Nvidia đã cho SST vào lộ trình kiến trúc
thập niên 2010 bóng bán dẫn công-suất silicon carbide đã rẻ đi và mạnh mẽ hơn, nhờ bùng nổ xe điện Trung Quốc
đầu năm 2026 DG Matrix gọi được 60 triệu USD phát triển SST đa-cổng (multi-port) hoạt động như một bộ định tuyến điện lực đa dụng (universal power router)
cùng đầu năm 2026 Heron Power gọi được 140 triệu USD vòng series-B để chào bán SST vượt qua những hạn chế sản xuất hàng loạt ở một số bộ biến thế lớn hơn
cuối năm 2025 Amperesand trụ sở Singapore gọi được 80 triệu USD vốn từ Temasek và quỹ mạo hiểm Walden Catalyst của chủ tịch Lip Bu-tan
mới đây Delta Electronics trụ sở Đài Loan quảng bá SST biến thế dòng điện trung-thế của điện lưới thành dòng điện 800 VDC cho tủ máy chủ
tháng 2 năm 2026 Delta Electronics công bố việc lắp đặt SST ở một trung tâm dữ liệu của Meituan
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét