ผู้ผลิตและผู้บริโภคต่างพยายามลดการพึ่งพาพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ทำให้แนวทางการใช้ไฟฟ้าเป็นที่นิยมอย่างกว้างขวาง ซึ่งมีความสำคัญต่อการปกป้องสิ่งแวดล้อม การจำกัดมลพิษ และการชะลอแนวโน้มภาวะโลกร้อนที่ส่งผลกระทบรุนแรง รถยนต์ไฟฟ้า (EV) กำลังแพร่หลายมากขึ้นทั่วโลก โดยมีหลายบริษัทเข้ามามีส่วนร่วมในการเปลี่ยนยานพาหนะเพื่อการพาณิชย์และเกษตรกรรม (CAV) ให้ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลให้ความต้องการพลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สร้างแรงกดดันอย่างมากต่อโครงข่ายไฟฟ้า แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพสูง แต่การใช้งานต่างๆ เช่น รถยนต์ไฟฟ้า ศูนย์ข้อมูล และปั๊มความร้อน ยังคงต้องการพลังงานจำนวนมากในการทำงาน

แหล่งพลังงานหมุนเวียนใหม่ๆ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และพลังงานคลื่น ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง และกำลังกลายเป็นกระแสหลัก การใช้งานที่ใช้พลังงานหมุนเวียนเท่านั้นจึงจะถือว่าเป็น "การใช้งานที่สะอาด" อย่างแท้จริง

ตลาดพลังงานแสงอาทิตย์พัฒนาเติบโตมาหลายปีและค่อนข้าง成熟 รายงานจาก Fortune Business Insights ระบุว่าปัจจุบันตลาดพลังงานแสงอาทิตย์มีมูลค่าประมาณ 273 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และคาดว่าจะเติบโตเป็น 436 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2032 ในปี 2023 ตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ในอเมริกาเหนือมีสัดส่วนมากกว่า 40%

ความท้าทายในการแปลงพลังงานในการใช้งานพลังงานหมุนเวียน

ปริมาณการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์กำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว ข้อมูลจากสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) ระบุว่าในปี 2022 ไฟฟ้าที่ผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์เพิ่มขึ้น 26% จากปีก่อนหน้า อยู่ที่ 1,300 TWh ซึ่งถือเป็นสัญญาณว่าพลังงานแสงอาทิตย์แซงหน้าพลังงานลม กลายเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนไฟฟ้าที่ใหญ่ที่สุด

แผงโซลาร์เซลล์ (PV) ผลิตไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ในขณะที่โครงข่ายไฟฟ้าต้องการไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ดังนั้น อินเวอร์เตอร์ PV แบบรวมศูนย์จึงเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับระบบเชื่อมต่อโครงข่ายขนาดใหญ่ พลังงานทั้งหมดที่ผลิตจากแผงโซลาร์เซลล์จะผ่านอินเวอร์เตอร์ ดังนั้นประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์จึงมีผลกระทบอย่างมาก แม้ว่าพลังงานแสงอาทิตย์จะไม่มีวันหมด แต่ประสิทธิภาพการแปลงที่ต่ำจะทำให้พลังงานที่ส่งไปยังโครงข่ายมีจำกัด พลังงานที่สูญเสียไปในกระบวนการจะเปลี่ยนเป็นความร้อน ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายที่รุนแรง เนื่องจากระบบพลังงานแสงอาทิตย์จำนวนมากมักตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีแสงแดดจัดและอุณหภูมิสูง เช่น ทะเลทราย

ต้นทุนก็เป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อค่าไฟฟ้าของผู้บริโภคและผลกำไรของบริษัทไฟฟ้า เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าสูงขึ้น อินเวอร์เตอร์แบบรวมศูนย์จำนวนมากใช้โมดูลแปลงหลายตัวต่อขนานกัน โดยจำนวนขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าที่กำหนดของแต่ละโมดูล ยิ่งโมดูลแต่ละตัวมีกำลังไฟฟ้าสูงเท่าไร ก็ยิ่งต้องใช้โมดูลน้อยลง ซึ่งช่วยลดต้นทุนได้

แม้ว่ารถยนต์ไฟฟ้าจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่ CAV ยังคงคืบหน้าช้าในการเปลี่ยนไปใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า CAV มีขนาดใหญ่ ทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและปล่อยมลพิษมากขึ้นต่อการวิ่งแต่ละครั้ง แม้จะมีจำนวนเพียง 2% ของยานพาหนะทั้งหมด แต่การปล่อยก๊าซเรือนกระจกคิดเป็น 28% ของการปล่อยทั้งหมดจากการขนส่ง แม้ว่ารถยนต์โดยสารเชิงพาณิชย์ (เช่น รถบัส) จะเริ่มมีผลลัพธ์ในการเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าแล้ว แต่รถบรรทุกขนาดใหญ่ เครื่องจักรก่อสร้าง และยานพาหนะเกษตรกรรม (เช่น รถแทรกเตอร์) ส่วนใหญ่ยังคงพึ่งพาน้ำมันดีเซล ปัจจุบัน สถานการณ์เริ่มเปลี่ยนแปลง เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ที่เข้มงวดของตลาดโลก เช่น สหภาพยุโรป จีน และแคลิฟอร์เนียในสหรัฐอเมริกา คาดว่าภายในปี 2030 สัดส่วนยอดขายรถบรรทุกไฟฟ้า (ทั้งแบบไฟฟ้าล้วนและไฮบริด) จะเพิ่มขึ้นจาก 5% ในปัจจุบันเป็น 40%-50%

เมื่อเทียบกับรถยนต์พาณิชย์ที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลแล้ว รถยนต์พาณิชย์ไฟฟ้ามีโครงสร้างที่ง่ายกว่าและมีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวน้อยกว่า ด้วยความสามารถในการบรรทุกที่เท่ากัน รถยนต์ไฟฟ้ามีขนาดเล็กกว่า มีความน่าเชื่อถือสูงกว่า และมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำกว่า ในปัจจุบันต้นทุนแบตเตอรี่ลดลงอย่างมาก ทำให้ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของรถยนต์ CAV ไฟฟ้าต่ำกว่ารถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) แล้ว

เช่นเดียวกับการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพเป็นข้อกำหนดสำคัญสำหรับ CAV ไฟฟ้า แบตเตอรี่ของรถยนต์แต่ละคันมีพลังงานจำกัด ยิ่งกระบวนการแปลงในอินเวอร์เตอร์มีประสิทธิภาพสูงเท่าไร รถก็จะสามารถวิ่งได้ไกลขึ้นเท่านั้น หรือใช้พลังงานน้อยลงในการวิ่งในระยะทางเท่ากัน

เนื่องจากในอนาคตเราจะพึ่งพาพลังงานแสงอาทิตย์และรถยนต์ CAV ไฟฟ้ามากขึ้น ความน่าเชื่อถือจึงกลายเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

เทคโนโลยีพลังงานขั้นสูงสำหรับการประยุกต์ใช้อินเวอร์เตอร์

ในการใช้งานกำลังสูง เช่น อินเวอร์เตอร์ PV โซลาร์เซลล์สามเฟส ทอพอโลยีที่พบได้ทั่วไปคือคอนเวอร์เตอร์แบบ Three-Level Active Neutral-Point Clamped (ANPC) ทอพอโลยีแบบหลายระดับนี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและสมรรถนะของระบบ

คอนเวอร์เตอร์แบบ Neutral-Point Clamped (NPC) ทั่วไปใช้ไดโอดเพื่อเชื่อมต่อจุดกลางของตัวเก็บประจุ DC link เข้ากับเอาต์พุต ในการกำหนดค่า ANPC (รูปที่ 1) การหนีบจะดำเนินการโดยสวิตช์ ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมได้ดีขึ้น ลดการสูญเสียในการสวิตช์ และเพิ่มประสิทธิภาพ และช่วยลดความจำเป็นในการใช้มาตรการระบายความร้อนตามไปด้วย ซึ่งช่วยให้ได้โซลูชันที่มีขนาดเล็กลงและต้นทุนต่ำลง

การจัดเรียงทอพอโลยีช่วยลดความเครียดด้านแรงดันไฟฟ้าบนสวิตช์แต่ละตัว ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ นอกจากนี้ ANPC ยังสามารถสร้างรูปคลื่นที่เป็นประโยชน์ต่อโครงข่ายไฟฟ้า

รูปที่ 1: สามารถสร้าง ANPC Converter ได้อย่างง่ายดายด้วยโมดูล

วิศวกรออกแบบสามารถสร้างโมดูล ANPC Three-Level Active Neutral-Point Clamped ประสิทธิภาพสูงได้โดยการต่อโมดูลกำลังหลายตัวขนานกัน เช่น โมดูล IGBT QDual 3 จาก onsemi ซึ่งให้กำลังเอาต์พุตของระบบสูงถึง 1.6 MW ถึง 1.8 MW

รูปที่ 2: โมดูล IGBT QDual3

โมดูล QDual 3 รวมเทคโนโลยี IGBT และไดโอด Field Stop 7 (FS7) รุ่นใหม่ 1200 V เพื่อให้ประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นสำหรับการใช้งานกำลังสูง เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า เทคโนโลยี FS7 ช่วยปรับปรุงการสูญเสียการนำไฟฟ้าได้อย่างมีนัยสำคัญ

รูปที่ 3: เทคโนโลยี FS7 ช่วยเพิ่มพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญ

ในกระบวนการ IGBT FS7 ร่องแคบและพื้นผิวเรียบให้ VCE(SAT) ต่ำและความหนาแน่นกำลังสูง ในขณะที่การฉีดโปรตอนแบบหลายบัฟเฟอร์ช่วยให้มีคุณสมบัติที่แข็งแกร่งและการสวิตช์ที่นุ่มนวล (รูปที่ 2) อุปกรณ์ FS7 ความเร็วปานกลางของ onsemi มี VCE(SAT) ต่ำเพียง 1.65V เหมาะสำหรับการใช้งานควบคุมการเคลื่อนไหว ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ FS7 ความเร็วสูงมี EOFF เพียง 57 µJ/A ซึ่งเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการใช้งานกำลังสูง เช่น อินเวอร์เตอร์โซลาร์เซลล์และ CAV

รูปที่ 4: IGBT FS7 มีขนาดเล็กลงและความหนาแน่นกำลังสูงขึ้น

เทคโนโลยี FS7 ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ทำให้ชิปในโมดูล QDual3 รุ่นใหม่มีขนาดเล็กลง 30% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า (รูปที่ 3) การย่อขนาดนี้รวมกับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงช่วยเพิ่มกระแสไฟสูงสุดที่กำหนดได้อย่างมีนัยสำคัญ ในการใช้งานควบคุมมอเตอร์ที่อุณหภูมิทำงานสูงถึง 150 องศาเซลเซียส QDual3 ให้กำลังเอาต์พุต 100 kW ถึง 340 kW ซึ่งสูงกว่าผลิตภัณฑ์อื่นๆ ในตลาดปัจจุบันประมาณ 12%

ความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์และ CAV ดังนั้นวิธีการสร้างและทดสอบโมดูลจึงมีความสำคัญ ตัวอย่างเช่น ในปัจจุบันมีโซลูชันที่คล้ายคลึงกันหลายอย่างใช้การเชื่อมต่อแบบ Wire Bonding เพื่อยึดขั้วต่อ ในขณะที่ onsemi เลือกใช้การเชื่อมแบบอัลตราโซนิกแทน วิธีหลังช่วยเพิ่มความสามารถในการรับกระแส ให้เส้นทางระบายความร้อนที่ดีกว่า และแข็งแรงกว่าวิธีแรก (รูปที่ 4)

รูปที่ 5: การเชื่อมแบบอัลตราโซนิกช่วยลดอุณหภูมิและเพิ่มความน่าเชื่อถือ

วิธีนี้ช่วยเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังช่วยลดอุณหภูมิในการทำงาน เพิ่มความแข็งแกร่งทางกล และเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยรวมของโมดูล

เทคโนโลยี QDual3 กำลังสูงใหม่ของ onsemi

โมดูล IGBT ครึ่งบริดจ์ QDual 3 เฉพาะทาง NXH800H120L7QDSG เหมาะสำหรับอินเวอร์เตอร์โซลาร์เซลล์แบบรวมศูนย์ ระบบกักเก็บพลังงาน (ESS) และเครื่องสำรองไฟฟ้า (UPS) ในขณะที่ SNXH800H120L7QDSG เหมาะสำหรับ CAV อุปกรณ์ทั้งสองรุ่นใช้เทคโนโลยี FS7 พร้อมการปรับปรุง VCE(SAT) และ EOFF ซึ่งช่วยลดการสูญเสียและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

ปัจจุบัน หากใช้โมดูล IGBT 600 A ในการออกแบบอินเวอร์เตอร์ 1.725 MW ด้วยสถาปัตยกรรม ANPC/INPC จะต้องใช้ทั้งหมด 36 โมดูล อย่างไรก็ตาม หากใช้ NXH800H120L7QDSG และ SNXH800H120L7QDSG รุ่นใหม่ที่ทำงานที่กระแสไฟ 800 A จะลดจำนวนโมดูลที่ต้องใช้ลง 9 โมดูล ส่งผลให้ขนาด น้ำหนัก และต้นทุนของการออกแบบลดลง 25% ซึ่งมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์และ CAV เนื่องจากการลดน้ำหนักและการเพิ่มประสิทธิภาพจะช่วยเพิ่มระยะทางการขับขี่ของยานพาหนะ

รูปที่ 6: ความสามารถของกระแสไฟที่มากขึ้นรองรับการใช้โมดูลน้อยลงในการสร้างระบบ

โมดูลเหล่านี้ประกอบด้วยแผ่นรองรับความร้อนแบบแยกส่วนสำหรับการจัดการความร้อนและเทอร์มิสเตอร์ NTC ในตัว และรองรับการติดตั้งโมดูลบน PCB โดยตรงผ่านพินแบบบัดกรีได้ โดยใช้เค้าโครงมาตรฐานอุตสาหกรรม ซึ่งช่วยให้อัปเกรดการออกแบบที่มีอยู่เป็นเทคโนโลยี QDual3 ใหม่ได้อย่างง่ายดาย

โมดูล QDual3 ทั้งหมดของ onsemi ผ่านการทดสอบความน่าเชื่อถืออย่างเข้มงวด โดยมีระดับความน่าเชื่อถือสูงกว่าอุปกรณ์อื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันในตลาด ข้อกำหนดการทดสอบความชื้นของเรากำหนดให้ผลิตภัณฑ์ทนทานต่อแรงดันไบอัส 960V นานถึง 2,000 ชั่วโมง ในขณะที่อุปกรณ์อื่นๆ ต้องทนต่อแรงดันไบอัส 80V เพียง 1,000 ชั่วโมง การทดสอบการสั่นสะเทือนมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน CAV ผลิตภัณฑ์ของเราผ่านการทดสอบที่ 30 G peak/10G RMS นานถึง 22 ชั่วโมงเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนด AQG324 อุปกรณ์อื่นๆ ทดสอบที่ระดับการสั่นสะเทือนต่ำถึง 5 G เป็นเวลาสั้นเพียง 1 ชั่วโมง

สรุป

ทั่วโลกมีการใช้พลังงานหมุนเวียนเพิ่มมากขึ้น โครงข่ายไฟฟ้ากำลังเผชิญกับแรงกดดันอย่างหนัก พลังงานแสงอาทิตย์เติบโตเต็มที่แล้ว และในปี 2022 ก็แซงหน้าพลังงานลม กลายเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนหลัก

แม้ว่ายานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิลยังคงเป็นแหล่งมลพิษหลัก แต่การใช้ไฟฟ้าสำหรับ CAV ก็กำลังคืบหน้าอย่างต่อเนื่องและเริ่มเห็นผลลัพธ์แล้ว

เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำใหม่ เช่น FS7 ของ onsemi รองรับการพัฒนาอุปกรณ์กำลังสูงที่สูญเสียต่ำ เพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือในด้านเหล่านี้ จากเทคโนโลยีนี้ อุปกรณ์ QDual3 ใหม่ของ onsemi มีบรรจุภัณฑ์ขนาดกะทัดรัด ให้ความหนาแน่นกำลังสูงและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ยอดเยี่ยม ขั้วต่อที่เชื่อมอย่างดีและการทดสอบรับรองที่เหนือกว่าอุปกรณ์อื่นๆ ในอุตสาหกรรมช่วยรับประกันประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งของอุปกรณ์ QDual3

โมดูลรุ่นใหม่ NXH800H120L7QDSG และ SNXH800H120L7QDSG มีความสามารถในการรับกระแสสูงถึง 800 A ส่งผลให้การออกแบบอินเวอร์เตอร์ต้องการโมดูลน้อยลง 25% และช่วยให้การออกแบบเรียบง่ายขึ้น ลดขนาด มวล และต้นทุน

ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ และ onsemi จะยังคงมุ่งมั่นศึกษาเกี่ยวกับศักยภาพประสิทธิภาพสูงของเทคโนโลยี FS7 อย่างต่อเนื่อง เพื่อพัฒนาโมดูลที่เหนือกว่ามาตรฐานที่มีอยู่เดิม เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นของอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์และผู้ผลิต CAV