Chọn linh kiện Silicon hay băng rộng cho các bộ nguồn xung

vcca
08/06/2021 16:23
Linh kiện bán dẫn dựa trên công nghệ GaN và SiC thường cho phép mạch nguồn có hiệu suất cao hơn so với mạch nguồn sử dụng linh kiện Silicon. Trong nhiều trường hợp cho thấy, linh kiện Silicon lại là lựa chọn tốt hơn.
aa

•Tận dụng tiềm năng của Silicon Carbide trong các bộ chuyển đổi công suất

Khi nào thì silicon là sự lựa chọn tốt hơn trong các bộ nguồn xung?

Linh kiện bán dẫn dựa trên công nghệ GaN và SiC thường cho phép mạch nguồn có hiệu suất cao hơn so với mạch nguồn sử dụng linh kiện Silicon. Tuy nhiên, để sử dụng được các loại linh kiện này một cách hiệu quả, không chỉ là đơn giản thay thế linh kiện SiC hoặc GaN vào các bộ nguồn hiện tại đang dùng linh kiện Silicon. Trong nhiều trường hợp cho thấy, linh kiện Silicon lại là lựa chọn tốt hơn.

Do tổn hao chuyển mạch thấp hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn, các mạch sử dụng linh kiện GaN và SiC có thể được cải thiện đáng kể hiệu suất. Đặc biệt là ở nhiệt độ chip cao, những công nghệ vẫn còn khá mới này cho thấy sự vượt trội so với các linh kiện Silicon. Ở các bộ nguồn chuyển mạch, những công nghệ này có thể mang đến hiệu suất hệ thống và mật độ công suất cao hơn.

Đối với các ứng chỉnh lưu nguồn điện lưới như mức hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC, Power Factor Correction) và bộ biến đổi điện áp cách ly DC/DC, nhiều cấu trúc mạch điện mới đã được thiết lập trong những năm gần đây. Tuy nhiên, để có thể đánh giá liệu các giải pháp dùng linh kiện GaN hoặc SiC có thực sự tân tiến hơn các linh kiện Silicon trong các cấu trúc liên kết này hay không, chỉ nhìn vào bảng thông số của linh kiện là chưa đủ.

Sự khác biệt về cấu trúc
Ngoài các đặc tính khác nhau của vật liệu bán dẫn, các thiết bị chuyển mạch có những khác biệt về mặt cấu tạo, dẫn đến các tính năng hiệu suất rất khác nhau. Silicon MOSFET công suất lớn và SiC-MOSFET có cấu trúc thẳng đứng, có nghĩa là dòng điện chạy theo phương thẳng đứng từ bề mặt bộ chuyển mạch sang chất nền ở mặt sau. Tuy nhiên, GaN-HEMTs có cấu trúc bên để dòng điện chạy ngang qua đây. Cực nguồn, cổng và máng tiếp cận bề mặt thông qua các kết nối kim loại riêng biệt (hình minh họa).

chon linh kien silicon hay bang rong cho cac bo nguon xung
Silicon MOSFET công suất và SiC- MOSFET có một cấu trúc rãnh dọc còn GaN-HEMTs có cấu trúc bên

Ngoài ra, GaN có cấu trúc tinh thể không pha tạp với rất ít tạp chất. Đó là lý do giải thích cho tính linh động cao của các điện tử – và được gọi là HEMT (Bóng bán dẫn linh động điện tử cao). Để có thể so sánh tổn hao truyền dẫn (RDS(on)) và chuyển mạch của chúng, người ta thường sử dụng một số thông số nhất định (số liệu về giá trị, FoM).

Kết quả cho thấy rằng SiC-MOSFET hoạt động tốt hơn Silicon MOSFET công suất lớn tương đương xét về điện tích máng-nguồn (Qoss), điện tích lưu trữ (Qrr) và điện tích cổng (Qg) . Tuy nhiên, bộ chuyển mạch Silicon lại ghi điểm khi xét đến năng lượng được lưu trữ trong điện dung đầu ra (Eoss). Về mặt này GaN HEMT mang lại những lợi thế lớn hơn. Cũng cần phải xem xét kỹ hơn các hệ số chất lượng để có thể thực sự đánh giá hoạt động của chúng trong mạch tương ứng.

chon linh kien silicon hay bang rong cho cac bo nguon xung
Các hệ số chất lượng khác nhau của linh kiện 600V/650 V Si-, SiC và GaN

Chất bán dẫn có vùng cấm rộng không phải lúc nào cũng mang lại những đặc tính tốt nhất dù trên lý thuyết là như vậy. Vì các bộ chuyển mạch Silicon cổ điển có thể mang lại hiệu suất tốt nhất trong một số cấu trúc mạch nên chúng sẽ tiếp tục đóng vai trò chính yếu. Tuy nhiên, ở điều kiện mật độ công suất cao hoặc vận hành trong điều kiện khắc nghiệt hoặc ở nhiệt độ cao thì bộ chuyển mạch bán dẫn dùng linh kiện GaN hoặc SiC có thể được khuyến nghị sử dụng.

Chế độ hoạt động khi ở nhiệt độ cao

Xu hướng phát triển các bộ nguồn chuyển mạch là hướng tới hiệu suất cao và kích thước nhỏ. Điều này thường làm cho nhiệt độ vận hành cao hơn, do đó ảnh hưởng đến điện trở chuyển mạch (RDS(ON)). Với linh kiện GaN-HEMT, điều này ít phụ thuộc vào nhiệt độ hơn so với linh kiện Silicon và thậm chí còn ít hơn so với linh kiện SiC: Nếu nhà phát triển sử dụng các linh kiện có RDS(ON) giống nhau ở 25°C và tăng nhiệt độ lên 100°C, thì RDS(ON) của linh kiện SiC thấp hơn 26% so với GaN-HEMT và thấp hơn 32% so với Silicon MOSFET công suất. Như thế nghĩa là Silicon MOSFET công suất có RDS(ON) 70 mΩ ở nhiệt độ vận hành có thể có FoM kém hơn SiC-MOSFET 100-mΩ. Điều này có nghĩa là hiệu suất tổng thể của bộ nguồn chuyển mạch cũng thấp hơn.

chon linh kien silicon hay bang rong cho cac bo nguon xung
Ở nhiệt độ 25 °C điện trở đóng mạch chuẩn hóa đảo ngược đặc tính ở Si, SiC và GaN

Tập trung vào hiệu suất

Đối với các ứng dụng phải đảm bảo cung cấp điện liên tục thì chi phí vận hành là điều cần quan tâm. Để giữ cho chi phí ở mức thấp nhất có thể, hiệu suất là điều rất quan trọng. Để đảm bảo hiệu suất cao nhất có thể, cấu trúc mạch điện phải được kết hợp với các chất bán dẫn tốt nhất. Với bộ nguồn chuyển mạch 3 kW với 48V đầu ra hiệu suất tổng thể đạt được là 98% ở mức tải 50%, thì hiệu suất ở tầng PFC phải đạt được là 99% Các cấu trúc mạch totem-pole thường được sử dụng cho việc này, tức là toàn bộ cầu hoặc nửa cầu ở chế độ dòng liên tục (CCM) hoặc ở chế độ dòng điện tam giác (TCM), như bộ tăng áp kép hoặc với cầu H4/H. Nếu sử dụng các kinh kiện GaN trong cấu trúc mạch totem-pole CCM với cầu H hiệu suất đạt được sẽ là 99,3%.

Cấu trúc bán cầu tương tự sử dụng linh kiện GaN cần ít hơn 2 khóa bán dẫn nhưng hiệu suất đạt được chỉ khoảng 98.8%. Với bộ nguồn yêu cầu hiệu suất tổng thể 98% thì cấu trúc mạch này là không phù hợp. Với cùng cấu trúc mạch như vậy nhưng nếu sử dụng khóa bán dẫn SiC thì hiệu suất đạt được thậm chí còn thấp hơn, đạt tối đa 98,6%

chon linh kien silicon hay bang rong cho cac bo nguon xung
Hiệu suất bộ biến đổi ngoài phụ thuộc vào công nghệ khóa bán dẫn còn phụ thuộc vào cả cấu trúc mạch mà trong đó khóa bán dẫn được sử dụng

Tuy nhiên, với Silicon MOSFET công suất trong cấu trúc mạch totem-pole TCM, hiệu suất đạt được có thể lên tới trên 99%. Điều này có nghĩa là các mô hình có thể vượt trội hơn so với các công nghệ mới trong một số cấu trúc, mặc cho Si và GaN có các tham số tốt hơn. Tuy nhiên, cấu trúc liên kết TCM Totempole PFC rất phức tạp về mặt điều khiển và do đó dẫn đến chi phí hệ thống cao hơn.

chon linh kien silicon hay bang rong cho cac bo nguon xung
Trong cấu trúc mạch PFC totem-poleCác khóa bán dẫn Silicon truyền thống cũng có thể giúp đạt được hiệu suất trên 99%

Hai pha hoặc ba pha

Với cấu trúc mạc LLC nửa cầu xen kẽ ba pha, chắc chắn mang lại hiệu suất cao nhất 98% ở mức tải 50% cho bộ nguồn chuyển mạch. Tuy nhiên, ở đây, việc sử dụng bộ chuyển mạch GaN hoặc SiC không có lợi thế hơn so với các biến thể Silicon. Mặc dù vậy, việc triển khai một cấu trúc mạch như vậy không phải là chuyện nhỏ; điều này đòi hỏi kiến thức sâu rộng về các thành phần từ tính.

Ví dụ: nếu bạn vẫn muốn sử dụng khóa chuyển mạch GaN hoặc SiC vì tùy chọn cách đóng gói của chúng, bạn cũng có thể sử dụng chúng trong cấu trúc mạch LLC hai pha so le toàn bộ cầu hoặc nửa cầu. Sự sắp xếp bù đắp của các bộ chuyển mạch trong cả hai biến thể đảm bảo rằng nhiệt được phân phối tốt trong ứng dụng và không phát sinh điểm nóng. Ưu điểm của giải pháp nửa cầu là số lượng thành phần yêu cầu thấp hơn và tiếp cận quản lý đơn giản hơn. Tuy nhiên, với toàn bộ cầu, mức độ gợn sóng của dòng điện có thể được điều chỉnh tốt hơn và sự phân bố nhiệt thậm chí tốt hơn so với nửa cầu.

Nếu tập trung vào mật độ công suất, tầng biến đổi DC/DC cao áp phải làm việc với tần số chuyển mạch cao hơn. Tuy nhiên, điều này làm giảm hiệu suất và đặc biệt là ở linh kiện Silicon, khi tần số cộng hưởng LLC được tăng lên 300 kHz hoặc 500 kHz. Với bộ chuyển mạch SiC, tổn thất thấp hơn, công nghệ GaN mang lại hiệu suất tốt ngay cả ở tần số 5000kHz.

chon linh kien silicon hay bang rong cho cac bo nguon xung
Với cả ba công nghệ, hiệu suất có thể đạt được là trên 99%

Sau cùng, mật độ công suất thực sự có thể tăng lên bao nhiêu tùy thuộc vào thể tích có thể được giảm như thế nào. Điều này đạt được chủ yếu nhờ các máy biến áp và cuộn cảm, tụ điện và linh kiện bán dẫn nhỏ hơn, cũng như nhờ thiết kế làm mát được tối ưu hóa. Nếu tăng tần số cộng hưởng từ 100 kHz đến 300kHz thì có thể giảm tối đa 30% thể tích.

Các tác giả:
Gerald Zipfel – Hỗ trợ kỹ thuật tại Rutronik
Francesco Di Domenico – Trưởng bộ phận kỹ thuật ứng dụng tại Infineon Technologies

vcca2026
Tin bài khác
Logistics 2026: Phần mềm thông minh và chiến lược ứng phó khẩn cấp định hình chuỗi cung ứng

Logistics 2026: Phần mềm thông minh và chiến lược ứng phó khẩn cấp định hình chuỗi cung ứng

Sau giai đoạn chững lại trong việc lập kế hoạch tự động hóa suốt năm 2025, thị trường logistics đang dần phục hồi. Tuy nhiên, ngành này vẫn chưa quay trở lại trạng thái ổn định như trước đây. Nhu cầu thị trường tiếp tục phân tán và các doanh nghiệp phải đối mặt với một môi trường vận hành đầy biến động. Trong bối cảnh đó, các quyết định đầu tư đang chuyển sang hướng thận trọng hơn, ưu tiên hiệu quả nhanh, tính linh hoạt và khả năng chống chịu trước rủi ro.
HANNOVER MESSE 2026: Công nghệ mở lối cho tương lai cạnh tranh của ngành công nghiệp

HANNOVER MESSE 2026: Công nghệ mở lối cho tương lai cạnh tranh của ngành công nghiệp

Hội chợ công nghiệp hàng đầu thế giới HANNOVER MESSE 2026 một lần nữa khẳng định vai trò trung tâm trong việc định hình tương lai của ngành sản xuất toàn cầu. Trong bối cảnh kinh tế và địa chính trị nhiều biến động, sự kiện năm nay cho thấy ngành công nghiệp không chỉ đối mặt với thách thức mà còn chủ động đưa ra các giải pháp thực tiễn. Trí tuệ nhân tạo, tự động hóa và số hóa đang trở thành những công cụ then chốt giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sản xuất và duy trì khả năng cạnh tranh.
Thị trường chứng khoán ngày 4/5: VN-Index  giằng co vùng đỉnh, áp lực chốt lời gia tăng

Thị trường chứng khoán ngày 4/5: VN-Index giằng co vùng đỉnh, áp lực chốt lời gia tăng

Phiên giao dịch ngày 4/5 ghi nhận diễn biến rung lắc mạnh khi chỉ số VN-Index tiếp tục kiểm định vùng đỉnh cũ thiết lập hồi tháng 2/2026 (1.860–1.900 điểm). Dù có thời điểm tăng điểm tích cực trong phiên sáng nhờ lực kéo từ nhóm cổ phiếu vốn hóa lớn, đặc biệt là ngân hàng, thị trường nhanh chóng chuyển sang trạng thái phân hóa và giằng co.
PVOIL tăng tốc đưa xăng E10 vào kinh doanh đại trà

PVOIL tăng tốc đưa xăng E10 vào kinh doanh đại trà

Chủ động đón đầu lộ trình phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ, Tổng công ty Dầu Việt Nam - CTCP (PVOIL), đơn vị thành viên của Tập đoàn Công nghiệp - Năng lượng Quốc gia Việt Nam, đã hoàn tất toàn bộ công tác chuẩn bị về hạ tầng, nguồn cung và nhân lực, sẵn sàng triển khai kinh doanh xăng sinh học E10 trên toàn hệ thống từ giữa tháng 5/2026. Đây được xem là bước đi quan trọng, khẳng định vai trò tiên phong của doanh nghiệp trong chuyển dịch năng lượng xanh tại Việt Nam.
Chiến lược quan hệ quốc tế

Chiến lược quan hệ quốc tế

Quan hệ quốc tế (IR) của một quốc gia định nghĩa các tương tác chính thức, chính sách đối ngoại và mối quan hệ của quốc gia đó với các quốc gia khác, các tổ chức quốc tế và các chủ thể phi nhà nước trong các lĩnh vực an ninh, thương mại và quan hệ đa phương. Quan hệ quốc tế tập trung vào việc nghiên cứu và quản lý quan hệ đối ngoại tổng thể, không chỉ dừng lại ở việc hợp tác với đối tác mà còn bao gồm quản lý, ứng phó và đối trọng với các đối tượng của quốc gia thông qua ngoại giao, chính sách đối ngoại và đàm phán, đồng thời tăng cường hội nhập quốc tế để thúc đẩy hợp tác kinh tế, chính trị và văn hóa. IR thực sự là công cụ chiến lược giúp giữ vững môi trường hòa bình, thu hút đầu tư, công nghệ và định hình luật chơi quốc tế.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 5/5/2026: Tuổi Mão suôn sẻ trong công việc, tuổi Tuất gặp sóng gió

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 5/5/2026: Tuổi Mão suôn sẻ trong công việc, tuổi Tuất gặp sóng gió

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 5/5/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Rạng Đông công bố nhận diện thương hiệu mới

Rạng Đông công bố nhận diện thương hiệu mới

Công ty Cổ phần Bóng đèn Phích nước Rạng Đông mới đây chính thức công bố hệ thống nhận diện thương hiệu mới, đánh dấu bước ngoặt chiến lược sau gần 70 năm gắn bó với người tiêu dùng Việt. Đây đồng thời là tuyên ngôn chiến lược khởi đầu một chặng đường mới: Từ nhà sản xuất đèn và phích nước truyền thống, Rạng Đông tái định vị thành Doanh nghiệp công nghệ, cung cấp giải pháp thông minh - Xanh và bền vững, đáp ứng những nhu cầu mới của thị trường và người dùng.
Nhận định phiên giao dịch ngày 4/5: Ưu tiên giữ các vị thế khỏe, hạn chế mua đuổi nhóm trụ

Nhận định phiên giao dịch ngày 4/5: Ưu tiên giữ các vị thế khỏe, hạn chế mua đuổi nhóm trụ

Thị trường chứng khoán được dự báo sẽ tiếp tục rung lắc khi áp lực chốt lời tại nhóm cổ phiếu vốn hóa lớn gia tăng sau nhịp tăng mạnh. Trong bối cảnh đó, nhà đầu tư được khuyến nghị ưu tiên nắm giữ các cổ phiếu có nền tảng tốt, vận động tích cực, đồng thời hạn chế mua đuổi nhóm trụ và chỉ giải ngân tại các nhịp điều chỉnh hợp lý.
[E-Magazine] Artemis II - Giải phẫu một hệ thần kinh vũ trụ

[E-Magazine] Artemis II - Giải phẫu một hệ thần kinh vũ trụ

Trong 10 ngày đầu tháng Tư, thế giới như lặng đi trước hành trình bay quanh Mặt trăng của tổ hợp Artemis II, để rồi vỡ òa khi phi hành đoàn trở về an toàn từ không gian sâu. Phía sau chuyến bay ấy không chỉ là kỳ tích chinh phục vũ trụ, mà còn là một cấu trúc công nghệ tinh vi bậc nhất. Cùng TĐHNN bóc tách những lớp tự động hóa đã âm thầm vận hành sứ mệnh này.
Hàng trăm tỷ đô đổ vào năng lượng tái tạo châu Á có nguy cơ phân bổ lệch hướng

Hàng trăm tỷ đô đổ vào năng lượng tái tạo châu Á có nguy cơ phân bổ lệch hướng

Đó là phân tích của ông Tim Daiss, người theo dõi các thị trường năng lượng, phát triển bền vững và địa chính trị tại khu vực châu Á - Thái Bình Dương, dựa theo nghiên cứu thực tế và báo cáo của Nikkei Asia (một tạp chí tin tức tiếng Anh hàng đầu châu Á, thuộc sở hữu của Nikkei Inc - Tập đoàn Truyền thông khổng lồ của Nhật Bản, hồi cuối tháng 4).
vn-web
song-gia-tri