acecook

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

nam-moi
Tin bài khác
[E-Magazine] 9 nhà khoa học đáng kính tuổi Bính Ngọ

[E-Magazine] 9 nhà khoa học đáng kính tuổi Bính Ngọ

Sinh năm 1966 - Bính Ngọ, thế hệ các nhà khoa học công nghệ này trưởng thành đúng vào thời điểm khoa học toàn cầu bước sang pha tăng tốc. Internet bùng nổ, sinh học phân tử tái định hình y học, vật lý & toán học đi vào những miền trừu tượng sâu nhất, còn công nghệ thì gắn chặt với quyền lực quốc gia. TĐHNN giới thiệu 9 gương mặt dưới đây không đại diện cho “vinh quang khoa học” đơn thuần, mà cho những cách rất khác nhau mà tri thức được theo đuổi, bảo vệ và đặt vào cấu trúc của thế giới hiện đại.
Từ lớp học đến hệ sinh thái: Cách một mô hình giáo dục Robotics đi trước xu hướng

Từ lớp học đến hệ sinh thái: Cách một mô hình giáo dục Robotics đi trước xu hướng

Không chỉ dừng ở đào tạo robotics trong nhà trường, ROBOHUB Vietnam đang từng bước định vị mình như một “hub” kết nối học sinh, giáo viên và cộng đồng robotics. Từ những lớp học đầu tiên năm 2019 đến các sân chơi và cuộc thi quốc tế, doanh nghiệp theo đuổi mục tiêu dài hạn: xây nền tảng vững chắc cho hệ sinh thái robotics giáo dục tại Việt Nam.
Từ công trường Xuân đến khát vọng tổng thầu năng lượng quốc gia

Từ công trường Xuân đến khát vọng tổng thầu năng lượng quốc gia

Khi đất nước bước vào mùa Xuân mới với nhiều kỳ vọng về một chu kỳ tăng trưởng năng lượng bền vững, trên những công trường ngoài khơi và bãi chế tạo, đội ngũ kỹ sư, công nhân của Tổng công ty Cổ phần Dịch vụ Kỹ thuật Dầu khí Việt Nam (PTSC) vẫn miệt mài lao động. Từ các dự án dầu khí trọng điểm đến điện gió ngoài khơi, hành trình làm chủ chuỗi dịch vụ EPCI đang từng bước định hình vai trò tổng thầu năng lượng của doanh nghiệp Việt Nam.
Hà Nội miễn phí tham quan 17 di tích nổi tiếng dịp đầu xuân Bính Ngọ 2026

Hà Nội miễn phí tham quan 17 di tích nổi tiếng dịp đầu xuân Bính Ngọ 2026

Nhằm đáp ứng nhu cầu du xuân của người dân và du khách, Hà Nội tiếp tục miễn phí tham quan 17 di tích, danh thắng và công trình văn hóa từ ngày 20 đến hết 22/2 (mùng 4-6 tháng Giêng năm Bính Ngọ). Chính sách này không chỉ tạo điều kiện để người dân vui chơi trọn vẹn kỳ nghỉ Tết mà còn góp phần kích cầu, gia tăng sức hút cho du lịch Thủ đô trong những ngày đầu năm mới.
BSR giữ lửa dòng chảy năng lượng Xuân

BSR giữ lửa dòng chảy năng lượng Xuân

Giữa thời khắc thiêng liêng của ngày đầu năm mới, khi nhiều gia đình sum vầy bên mâm cơm Tết, tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, hàng trăm kỹ sư, công nhân vẫn lặng lẽ bám ca, theo dõi từng thông số vận hành. Không pháo hoa, không tiệc xuân, nhưng nơi đây rực sáng tinh thần trách nhiệm và niềm tự hào của những người giữ mạch năng lượng quốc gia.
MEDDOM  - nơi thành tựu khoa học được lưu giữ và nối dài trong thời đại số

MEDDOM - nơi thành tựu khoa học được lưu giữ và nối dài trong thời đại số

Giữa nhịp sống hiện đại, khi công nghệ số cho phép con người tiếp cận kho tàng tri thức khổng lồ chỉ bằng vài thao tác, Công viên Di sản các nhà khoa học Việt Nam (MEDDOM Park) và Trung tâm Di sản các nhà khoa học Việt Nam vẫn giữ cho mình một giá trị riêng biệt không thể thay thế: giá trị của hiện vật gốc, của ký ức sống và những câu chuyện khoa học chân thực. MEDDOM không chỉ là một điểm đến tham quan, mà là ngôi nhà của trí thức Việt Nam, nơi khoa học được kể lại bằng con người, bằng thời đại lịch sử và chiều sâu văn hóa.
ETEK - Hành trình 20 năm khẳng định vị thế tiên phong trên thị trường công nghệ tự động hóa

ETEK - Hành trình 20 năm khẳng định vị thế tiên phong trên thị trường công nghệ tự động hóa

Công ty Cổ phần Giải pháp Tự động hóa ETEK được biết tới với vai trò tiên phong trong cung cấp giải pháp tự động hóa tổng thể, cùng các giải pháp giáo dục, dân sinh hàng đầu tại Việt Nam.
CEO AI của Microsoft: Hầu hết công việc văn phòng có thể được tự động hóa trong 18 tháng tới

CEO AI của Microsoft: Hầu hết công việc văn phòng có thể được tự động hóa trong 18 tháng tới

Hầu như toàn bộ công việc của nhân viên văn phòng có thể được tự động hóa bằng trí tuệ nhân tạo trong vòng một năm rưỡi tới, theo nhận định của ông Mustafa Suleyman, Giám đốc điều hành bộ phận AI của Microsoft, trong cuộc phỏng vấn với Financial Times.
Lễ mừng lúa mới của người Gié Triêng - Bản giao hưởng giữa đại ngàn

Lễ mừng lúa mới của người Gié Triêng - Bản giao hưởng giữa đại ngàn

Trở lại làng Đăk Răng, xã Dục Nông, tỉnh Quảng Ngãi vào những ngày cuối năm, khi cái se lạnh của mùa khô bắt đầu len lỏi qua những cánh rừng, chúng tôi may mắn được hòa mình vào không khí linh thiêng và rộn ràng của Lễ mừng lúa mới. Đây là ngày hội lớn nhất, kết tinh những giá trị văn hóa, tín ngưỡng và tinh thần đoàn kết của người Gié Triêng sau một năm lao động miệt mài.
Khoa học - Công nghệ với sứ mệnh trụ cột tăng trưởng của đất nước

Khoa học - Công nghệ với sứ mệnh trụ cột tăng trưởng của đất nước

Sau thành công rực rỡ của Đại hội XIV của Đảng, hòa trong khí thế "Không để một ngày lãng phí, một tuần chậm trễ", khoa học - công nghệ sẽ phải chuyển mình để không lỡ nhịp chuyến tàu lịch sử, dấn thân vào công cuộc xác lập "chủ quyền công nghệ"để trở thành trụ cột kiến tạo cho sự phát triển bền vững và khẳng định chủ quyền của đất nước.
song-gia-tri