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
Hệ kết cấu - Yếu tố quyết định tuổi thọ điện mặt trời

Hệ kết cấu - Yếu tố quyết định tuổi thọ điện mặt trời

Khi thị trường điện mặt trời bước vào giai đoạn phát triển theo chiều sâu, giá trị của một dự án không còn được đo bằng công suất lắp đặt hay hiệu suất tấm pin, mà ở khả năng vận hành ổn định trong suốt vòng đời khai thác. Trong bức tranh đó, hệ kết cấu - bộ phận vốn ít được chú ý lại đang trở thành nền tảng quyết định tính bền vững, hiệu quả đầu tư và năng lực cạnh tranh của các công trình.
PGNAA “Make in Vietnam”: tối ưu cho phân tích hàm lượng nguyên tố trong than và vật liệu sản xuất xi măng trong nước

PGNAA “Make in Vietnam”: tối ưu cho phân tích hàm lượng nguyên tố trong than và vật liệu sản xuất xi măng trong nước

Hệ thống điều khiển hạt nhân (Nuclear Control System - NCS) đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thăm dò khai thác khoáng sản, dầu khí, hóa chất, năng lượng, xử lý chất thải. Cụ thể là dùng để đo mức trong nhà máy bia, rượu, nước giải khát, nhà máy lọc hoá dầu, đo bề dày, đo mật độ vật chất, phân tích mẫu quặng, đất đá,… Các xu hướng trong quá trình công nghiệp hóa cho thấy công nghệ NCS sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa quy trình, tiết kiệm năng lượng và vật liệu. Sự phát triển của thế hệ thiết bị hạt nhân tiếp theo vẫn đang diễn ra.
Bước tiến quan trọng trong lĩnh vực an ninh mạng công nghiệp

Bước tiến quan trọng trong lĩnh vực an ninh mạng công nghiệp

Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA) vừa công bố một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực an ninh mạng công nghiệp khi Perseus Information Security Consulting chính thức nhận được chứng nhận đầy đủ từ tổ chức kiểm định A2LA để hoạt động với tư cách là tổ chức chứng nhận (Certification Body - CB) theo tiêu chuẩn ISO/IEC 17065 cho chương trình ISASecure.
Nhận định phiên giao dịch ngày 26/6: VN-Index tích lũy trong biên độ hẹp, ưu tiên quan sát và chờ nhịp điều chỉnh

Nhận định phiên giao dịch ngày 26/6: VN-Index tích lũy trong biên độ hẹp, ưu tiên quan sát và chờ nhịp điều chỉnh

Sau nhịp hồi phục trước đó, VN-Index đang bước vào giai đoạn tích lũy khi áp lực điều chỉnh gia tăng ở một số nhóm cổ phiếu dẫn dắt. Trong bối cảnh dòng tiền chưa thực sự cải thiện, nhà đầu tư được khuyến nghị ưu tiên quan sát và chờ những nhịp điều chỉnh rõ nét hơn để tìm kiếm cơ hội.
Giá trị vượt trội từ sản phẩm “Tiền gửi bền vững” của BIDV

Giá trị vượt trội từ sản phẩm “Tiền gửi bền vững” của BIDV

Với định hướng đồng hành cùng doanh nghiệp kiến tạo tương lai xanh và phát triển bền vững, Ngân hàng TMCP Đầu tư và Phát triển Việt Nam (BIDV) đã tiên phong triển khai và cung ứng sản phẩm “Tiền gửi bền vững” ra thị trường.
VFTP có tân Tổng Giám đốc mới

VFTP có tân Tổng Giám đốc mới

Công ty cổ phần Sản xuất và Kinh doanh VinFast (VFTP) vừa công bố nghị quyết miễn nhiệm ông Phạm Nhật Vượng khỏi chức vụ Tổng giám đốc; bổ nhiệm ông Trịnh Văn Ngân thay thế chức vụ này. Tỷ phú Phạm Nhật Vượng vẫn làm Tổng giám đốc VinFast toàn cầu.
Thị trường chứng khoán ngày 25/6: Họ Vin “hạ nhiệt”, VN Index mất gần 15 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 25/6: Họ Vin “hạ nhiệt”, VN Index mất gần 15 điểm

VN Index có lúc đã thủng mốc 1.860 điểm khi áp lực bán gia tăng về cuối phiên. Thanh khoản thấp và cú giảm của VIC, VHM khiến thị trường chấm dứt chuỗi tăng ba phiên liên tiếp.
Hai trường đại học kỹ thuật đầu ngành hợp tác thúc đẩy đổi mới giáo dục toàn diện

Hai trường đại học kỹ thuật đầu ngành hợp tác thúc đẩy đổi mới giáo dục toàn diện

Sáng 25/6, lãnh đạo Đại học Bách khoa Hà Nội và đại diện Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng có buổi làm việc, nhằm thúc đẩy hợp tác phát triển khoa học công nghệ, chuyển đổi số, đào tạo nhân lực chất lượng cao trong thời gian tới.
Bộ GDĐT đẩy mạnh hoàn thiện thể chế, phát triển dữ liệu và các nền tảng số dùng chung

Bộ GDĐT đẩy mạnh hoàn thiện thể chế, phát triển dữ liệu và các nền tảng số dùng chung

Ngày 24/6, tại trụ sở Bộ Giáo dục và Đào tạo (Bộ GDĐT), diễn ra Phiên họp thứ nhất Ban Chỉ đạo của Bộ GDĐT về phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số và Đề án 06. Bộ trưởng Hoàng Minh Sơn, Trưởng Ban Chỉ đạo chủ trì phiên họp.
Từ tự động hóa đến Smart Factory: Lộ trình mới của ngành điện tử Việt Nam

Từ tự động hóa đến Smart Factory: Lộ trình mới của ngành điện tử Việt Nam

Ngày 3/7 tới đây, Hội Tự động hóa Việt Nam (VAA) sẽ tổ chức Diễn đàn “Chuyển đổi số và sản xuất thông minh ngành điện tử Việt Nam: Từ tự động hóa đến nhà máy thông minh trong kỷ nguyên AI” tại Trung tâm Triển lãm Việt Nam (VEC), Đông Anh, Hà Nội. Sự kiện được kỳ vọng trở thành diễn đàn kết nối các cơ quan quản lý, doanh nghiệp, hiệp hội và chuyên gia công nghệ nhằm thúc đẩy quá trình chuyển đổi số trong ngành điện tử Việt Nam.
vn-web
song-gia-tri
gao-doc