Derpy
Intern Writer
Một chiếc máy bay hybrid Cessna 337 vừa chạy trên đường băng ở Nam California và bay lên không trung. Chiếc máy bay này, thường được sử dụng như một taxi hàng không giữa các đảo, có một động cơ chạy bằng xăng ở mũi và một động cơ điện ở phía sau. Động cơ điện này được trang bị một bộ biến tần silicon carbide (motor drive) thử nghiệm do Nhóm Năng lượng UA thiết kế.
Cuộc thử nghiệm này đã chứng minh rằng một hệ thống truyền động motor drive bằng silicon carbide nhỏ hơn và hiệu quả hơn có thể thay thế cho hệ thống truyền động truyền thống bằng silicon của máy bay hybrid. "Chúng tôi là trường đại học đầu tiên thực hiện điều này cho máy bay điện hybrid. Đó là một thành tựu đáng tự hào," giáo sư Alan Mantooth, một chuyên gia nổi bật trong ngành kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại Đại học Arkansas, cho biết.
Kết quả của chuyến bay thử nghiệm, diễn ra vào năm 2023, đã được đăng tải trên tạp chí IEEE Transactions on Power Electronics.
Silicon carbide, một vật liệu có nhiều ưu điểm, là nền tảng cho các mạch điện. Nó hoạt động như một bộ khuếch đại hoặc công tắc và là thành phần chính trong các vi mạch của máy tính và điện thoại thông minh, nơi chứa hàng tỷ transistor. Hiện tại, hầu hết các transistor đều được làm từ silicon, được sản xuất bằng cách nung chảy cát tinh khiết. Trong quá trình chuyển đổi trạng thái, transistor không tắt và mở ngay lập tức, dẫn đến việc mất năng lượng và tạo ra nhiệt.
Tuy nhiên, transistor silicon carbide có thể chuyển đổi nhanh hơn đến 1,000 lần so với silicon, giúp tăng hiệu quả và giảm kích thước của các thành phần khác như cuộn cảm, biến áp và tụ điện. "Hãy tưởng tượng một chiếc xe đua với động cơ lớn 350 rất nặng. Nếu bạn có được sức mạnh tương tự, nhưng ở kích thước nhỏ gọn vừa trong tay bạn thì sao?" - Chris Farnell, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Nhóm Năng lượng UA đã được công nhận là một trong những đơn vị hàng đầu trong nghiên cứu và ứng dụng silicon carbide. Mặc dù có hiệu suất vượt trội, chi phí cao của silicon carbide đã cản trở việc áp dụng rộng rãi. "Silicon được làm từ đất, và không gì rẻ hơn đất," Mantooth nói. Thật may mắn, chi phí sản xuất silicon carbide đang giảm dần, và do các transistor silicon carbide cần ít linh kiện hỗ trợ hơn, tổng chi phí của cả hệ thống cũng giảm theo.
Khi hệ thống trở nên rẻ hơn, các công ty như Ford hay Toyota sẽ chú ý hơn đến nó, và đó cũng chính là lý do mà silicon carbide được đưa vào các phương tiện ô tô. Tuy nhiên, các kỹ thuật sản xuất hiện tại vẫn chưa đủ tiên tiến để sản xuất ra các thiết bị có kích thước nanomet cần thiết cho các vi mạch máy tính. Trong mùa thu này, Nhóm Năng lượng UA sẽ mở phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Chế tạo Silicon Carbide Đa người dùng để thúc đẩy nghiên cứu chế tạo vi mạch silicon carbide và tạo cầu nối giữa các nhà nghiên cứu trong trường đại học và các nhà sản xuất bán dẫn.
Đối với dự án máy bay, Nhóm Năng lượng UA đã chế tạo một bộ biến tần silicon carbide, có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều cần thiết để điều khiển động cơ. Kích thước giảm của hệ thống silicon carbide rất hữu ích trên những chiếc máy bay nhỏ, nơi không gian rất hạn chế. "Bạn có thể loại bỏ một số thành phần và mang đến cho hành khách nhiều không gian hơn," Farnell cho biết.
Trọng lượng nhẹ của hệ thống silicon carbide cũng đồng nghĩa với việc máy bay tiêu thụ ít năng lượng hơn khi cất cánh và bay. Máy bay là phương tiện đầy thách thức đối với các kỹ sư điện. Các hệ thống điện phải có cấu trúc cơ khí đủ vững chắc để chịu được rung động và sốc khi hạ cánh. Ở độ cao lớn, không khí khô làm tăng sự phóng điện từng phần, có thể làm suy giảm cách điện và gây vấn đề tĩnh điện. Tốc độ chuyển mạch nhanh của silicon carbide cũng tạo ra nhiều nhiễu điện từ, có thể ảnh hưởng đến các hệ thống khác trên máy bay.
Cuộc thử nghiệm thành công của Cessna 337 đã chứng minh rằng đội ngũ Nhóm Năng lượng UA đã vượt qua những thách thức này. Các nhà nghiên cứu tại trường đại học thường không thử nghiệm công trình của mình ngoài phòng thí nghiệm. Dẫu vậy, Nhóm Năng lượng UA nhận thấy lợi ích từ việc đưa công trình của họ ra thực tế càng nhiều càng tốt. "Học sinh có trải nghiệm tuyệt vời, vừa có cơ hội thực hành kỹ thuật bên cạnh công việc khoa học, và họ đã có được những công việc tuyệt vời sau đó," Mantooth chia sẻ.
Cuộc thử nghiệm này đã chứng minh rằng một hệ thống truyền động motor drive bằng silicon carbide nhỏ hơn và hiệu quả hơn có thể thay thế cho hệ thống truyền động truyền thống bằng silicon của máy bay hybrid. "Chúng tôi là trường đại học đầu tiên thực hiện điều này cho máy bay điện hybrid. Đó là một thành tựu đáng tự hào," giáo sư Alan Mantooth, một chuyên gia nổi bật trong ngành kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại Đại học Arkansas, cho biết.
Kết quả của chuyến bay thử nghiệm, diễn ra vào năm 2023, đã được đăng tải trên tạp chí IEEE Transactions on Power Electronics.
Silicon carbide, một vật liệu có nhiều ưu điểm, là nền tảng cho các mạch điện. Nó hoạt động như một bộ khuếch đại hoặc công tắc và là thành phần chính trong các vi mạch của máy tính và điện thoại thông minh, nơi chứa hàng tỷ transistor. Hiện tại, hầu hết các transistor đều được làm từ silicon, được sản xuất bằng cách nung chảy cát tinh khiết. Trong quá trình chuyển đổi trạng thái, transistor không tắt và mở ngay lập tức, dẫn đến việc mất năng lượng và tạo ra nhiệt.
Tuy nhiên, transistor silicon carbide có thể chuyển đổi nhanh hơn đến 1,000 lần so với silicon, giúp tăng hiệu quả và giảm kích thước của các thành phần khác như cuộn cảm, biến áp và tụ điện. "Hãy tưởng tượng một chiếc xe đua với động cơ lớn 350 rất nặng. Nếu bạn có được sức mạnh tương tự, nhưng ở kích thước nhỏ gọn vừa trong tay bạn thì sao?" - Chris Farnell, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Nhóm Năng lượng UA đã được công nhận là một trong những đơn vị hàng đầu trong nghiên cứu và ứng dụng silicon carbide. Mặc dù có hiệu suất vượt trội, chi phí cao của silicon carbide đã cản trở việc áp dụng rộng rãi. "Silicon được làm từ đất, và không gì rẻ hơn đất," Mantooth nói. Thật may mắn, chi phí sản xuất silicon carbide đang giảm dần, và do các transistor silicon carbide cần ít linh kiện hỗ trợ hơn, tổng chi phí của cả hệ thống cũng giảm theo.
Khi hệ thống trở nên rẻ hơn, các công ty như Ford hay Toyota sẽ chú ý hơn đến nó, và đó cũng chính là lý do mà silicon carbide được đưa vào các phương tiện ô tô. Tuy nhiên, các kỹ thuật sản xuất hiện tại vẫn chưa đủ tiên tiến để sản xuất ra các thiết bị có kích thước nanomet cần thiết cho các vi mạch máy tính. Trong mùa thu này, Nhóm Năng lượng UA sẽ mở phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Chế tạo Silicon Carbide Đa người dùng để thúc đẩy nghiên cứu chế tạo vi mạch silicon carbide và tạo cầu nối giữa các nhà nghiên cứu trong trường đại học và các nhà sản xuất bán dẫn.
Đối với dự án máy bay, Nhóm Năng lượng UA đã chế tạo một bộ biến tần silicon carbide, có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều cần thiết để điều khiển động cơ. Kích thước giảm của hệ thống silicon carbide rất hữu ích trên những chiếc máy bay nhỏ, nơi không gian rất hạn chế. "Bạn có thể loại bỏ một số thành phần và mang đến cho hành khách nhiều không gian hơn," Farnell cho biết.
Trọng lượng nhẹ của hệ thống silicon carbide cũng đồng nghĩa với việc máy bay tiêu thụ ít năng lượng hơn khi cất cánh và bay. Máy bay là phương tiện đầy thách thức đối với các kỹ sư điện. Các hệ thống điện phải có cấu trúc cơ khí đủ vững chắc để chịu được rung động và sốc khi hạ cánh. Ở độ cao lớn, không khí khô làm tăng sự phóng điện từng phần, có thể làm suy giảm cách điện và gây vấn đề tĩnh điện. Tốc độ chuyển mạch nhanh của silicon carbide cũng tạo ra nhiều nhiễu điện từ, có thể ảnh hưởng đến các hệ thống khác trên máy bay.
Cuộc thử nghiệm thành công của Cessna 337 đã chứng minh rằng đội ngũ Nhóm Năng lượng UA đã vượt qua những thách thức này. Các nhà nghiên cứu tại trường đại học thường không thử nghiệm công trình của mình ngoài phòng thí nghiệm. Dẫu vậy, Nhóm Năng lượng UA nhận thấy lợi ích từ việc đưa công trình của họ ra thực tế càng nhiều càng tốt. "Học sinh có trải nghiệm tuyệt vời, vừa có cơ hội thực hành kỹ thuật bên cạnh công việc khoa học, và họ đã có được những công việc tuyệt vời sau đó," Mantooth chia sẻ.
