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

tan-hoang-minh
Tin bài khác
Đột phá công nghệ NEV: Mô tô điện Chery tích hợp sạc ô tô và tính năng V2L

Đột phá công nghệ NEV: Mô tô điện Chery tích hợp sạc ô tô và tính năng V2L

Ngành công nghiệp phương tiện không phát thải vừa ghi nhận bước chuyển mình chiến lược từ hãng ô tô Trung Quốc Chery khi chính thức hé lộ lộ trình tiến vào phân khúc xe hai bánh.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/10/2026: Tuổi Thìn đón vận may công việc, tuổi Tý cần thận trọng trong tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/10/2026: Tuổi Thìn đón vận may công việc, tuổi Tý cần thận trọng trong tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/10/2026 mang đến những dự báo đáng chú ý về công việc, tài chính, tình duyên và sức khỏe của 12 con giáp. Một số tuổi có cơ hội khẳng định năng lực, mở rộng hướng phát triển và cải thiện các mối quan hệ. Trong khi đó, những tuổi khác nên chú ý quản lý chi tiêu, giữ bình tĩnh khi xử lý vấn đề và tránh đưa ra quyết định vội vàng. Chủ động trong công việc, linh hoạt trước thay đổi và duy trì tinh thần tích cực sẽ giúp mỗi con giáp có thêm động lực trong ngày mới.
Đào tạo sát thực tế để đáp ứng nhu cầu nhân lực bán dẫn

Đào tạo sát thực tế để đáp ứng nhu cầu nhân lực bán dẫn

Mục tiêu đào tạo 50.000 nhân lực trình độ đại học trở lên phục vụ ngành bán dẫn đến năm 2030 đặt ra yêu cầu cấp thiết về chất lượng và cơ cấu chuyên môn. Tại Ngày hội giao lưu Doanh nghiệp và Sinh viên lần thứ XV - năm 2026, câu chuyện đào tạo được đặt trong mối liên hệ với nhu cầu tuyển dụng, điều kiện thực hành và khả năng kết nối giữa nhà trường với doanh nghiệp.
Mở rộng thị trường xuất khẩu cho doanh nghiệp Việt tại Trung Đông và châu Phi

Mở rộng thị trường xuất khẩu cho doanh nghiệp Việt tại Trung Đông và châu Phi

Từ ngày 3/2/2026, Hiệp định Đối tác kinh tế toàn diện Việt Nam - UAE (CEPA) chính thức có hiệu lực với cam kết UAE xóa bỏ ngay 74,2% số dòng thuế và nâng lên mức 89,2% sau 5 năm thực thi. Là Hiệp định Thương mại Tự do (FTA) đầu tiên giữa Việt Nam với một nước ở Trung Đông, CEPA đã mang lại lợi thế cạnh tranh đáng kể nhưng cũng đặt ra yêu cầu cấp bách trong việc bảo đảm và phát triển thị phần xuất khẩu đối với doanh nghiệp Việt Nam.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/10/2026: Tuổi Tỵ có cơ hội bứt phá, tuổi Mùi cần chú ý quản lý tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/10/2026: Tuổi Tỵ có cơ hội bứt phá, tuổi Mùi cần chú ý quản lý tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/10/2026 hé lộ những xu hướng đáng chú ý về công việc, tài chính, tình duyên và sức khỏe của 12 con giáp. Có tuổi đứng trước cơ hội phát triển, dễ tìm được hướng giải quyết cho những vấn đề còn tồn đọng, nhưng cũng có tuổi cần thận trọng trong giao tiếp và chi tiêu. Dù vận trình mỗi người khác nhau, sự chủ động, kiên trì và khả năng cân bằng cảm xúc sẽ giúp bạn có thêm động lực để đón nhận những điều mới mẻ trong ngày.
Hành trình phát triển bền vững tại Vinamilk: Từ những thay đổi nhỏ đến tác động lớn hơn cho cộng đồng

Hành trình phát triển bền vững tại Vinamilk: Từ những thay đổi nhỏ đến tác động lớn hơn cho cộng đồng

Không chỉ giảm phát thải hay tiết kiệm tài nguyên trong sản xuất, Vinamilk đang từng bước mở rộng phạm vi của phát triển bền vững ra toàn bộ hệ sinh thái, từ người nông dân, nhà cung cấp, cộng đồng doanh nghiệp đến người tiêu dùng. Hành trình ấy cho thấy, những tác động tích cực chỉ thực sự bền vững khi được lan tỏa và duy trì bởi nhiều bên cùng tham gia.
VIDW 2026: Thúc đẩy quản trị AI và hợp tác công nghệ số quốc tế

VIDW 2026: Thúc đẩy quản trị AI và hợp tác công nghệ số quốc tế

Diễn ra từ ngày 28-30/10/2026 tại Quảng Ninh, Tuần lễ Số Quốc tế Việt Nam 2026 (VIDW 2026) dự kiến quy tụ 500 đại biểu trong nước và quốc tế, tập trung thảo luận về quản trị trí tuệ nhân tạo (AI), phát triển công nghệ số chiến lược và thúc đẩy hợp tác quốc tế trong nghiên cứu, chuyển giao, thương mại hóa công nghệ.
Tháo gỡ điểm nghẽn, thúc đẩy liên kết viện - trường - doanh nghiệp

Tháo gỡ điểm nghẽn, thúc đẩy liên kết viện - trường - doanh nghiệp

Phó Thủ tướng Chính phủ Hồ Quốc Dũng yêu cầu đẩy mạnh liên kết giữa viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp, chuyển mạnh từ nghiên cứu theo đề xuất sang nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, lấy sản phẩm và hiệu quả thương mại hóa làm thước đo.
Liên hiệp Hội Việt Nam phát huy vai trò điều phối trí tuệ liên ngành

Liên hiệp Hội Việt Nam phát huy vai trò điều phối trí tuệ liên ngành

Sáng 23/10, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam tổ chức hội thảo “Giải pháp phát huy vai trò của Liên hiệp Hội Việt Nam là cầu nối giữa các hội thành viên, đội ngũ trí thức KH&CN với cơ quan Đảng, Nhà nước và Mặt trận Tổ quốc (MTTQ) trong các hoạt động tư vấn, phản biện và giám định xã hội”.
Thị trường chứng khoán ngày 23/10: Dòng tiền đổ vào nhóm ngân hàng, VN Index có phiên tăng thứ tư liên tiếp

Thị trường chứng khoán ngày 23/10: Dòng tiền đổ vào nhóm ngân hàng, VN Index có phiên tăng thứ tư liên tiếp

VN Index tăng 13,52 điểm và nối dài chuỗi tăng lên bốn phiên liên tiếp. Dòng tiền tập trung mạnh vào nhóm ngân hàng với giá trị giao dịch vượt 5 nghìn tỷ đồng, giúp thị trường đảo chiều tích cực trong nửa cuối phiên chiều.
master