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
Bộ Khoa học và Công nghệ dâng hương đầu Xuân, khởi động năm mới bằng tinh thần phụng sự và đổi mới

Bộ Khoa học và Công nghệ dâng hương đầu Xuân, khởi động năm mới bằng tinh thần phụng sự và đổi mới

Sáng ngày 17/2/2026 (tức mùng 1 Tết), theo truyền thống vào ngày đầu năm mới, năm nay ngày đầu năm Bính, đoàn đại biểu Bộ Khoa học và Công nghệ (KH&CN) do Bộ trưởng Bộ KH&CN Nguyễn Mạnh Hùng làm trưởng đoàn đã dâng hương tưởng niệm Chủ tịch Hồ Chí Minh tại Khi Di tích Đá Chông - K9 - nơi lưu giữ những ký ức đặc biệt về Chủ tịch Hồ Chí Minh. Tham gia Đoàn có Thứ trưởng Bùi Hoàng Phương cùng đại diện một số lãnh đạo các đơn vị trực thuộc Bộ.
Kỳ 2: Đầu tư không tự động biến thành năng lực nội sinh

Kỳ 2: Đầu tư không tự động biến thành năng lực nội sinh

Trong hơn ba thập niên thu hút đầu tư nước ngoài, FDI đã trở thành một cấu phần quan trọng của nền kinh tế Việt Nam. Các dự án FDI quy mô lớn đã mang theo vốn, công nghệ, tiêu chuẩn quốc tế và phương thức quản trị hiện đại, đóng góp đáng kể vào tăng trưởng, xuất khẩu và tạo việc làm. Chính vì vậy, trong một thời gian dài, FDI thường được xem là “con đường ngắn” để tiếp cận công nghệ.
Hệ sinh thái doanh nghiệp: Trụ cột phát triển của Hội Tự động hóa Việt Nam giai đoạn 2025-2030

Hệ sinh thái doanh nghiệp: Trụ cột phát triển của Hội Tự động hóa Việt Nam giai đoạn 2025-2030

Năm 2025, khái niệm “Hệ sinh thái doanh nghiệp VAA” lần đầu tiên được đặt ra như một trọng tâm trong hoạt động của Hội Tự động hóa Việt Nam (VAA). Nghị quyết Đại hội đại biểu toàn quốc nhiệm kỳ 2025-2030 của Hội vừa diễn ra vào ngày 27/12/2025 cũng đã khẳng định việc phát triển Hệ sinh thái doanh nghiệp VAA là nhiệm vụ trọng tâm, ưu tiên trong nhiệm kỳ. Trước thềm Xuân Bính Ngọ, TS. Đỗ Nguyên Hưng, tân Tổng Thư ký VAA nhiệm kỳ 2025-2030, cũng là người khởi xướng xây dựng Đề án phát triển Hệ sinh thái doanh nghiệp VAA đã có những chia sẻ xung quanh ý tưởng, cũng như kỳ vọng khi tập trung cho đề án này/
Nhân lực nào vận hành thế giới số?

Nhân lực nào vận hành thế giới số?

Những dây chuyền sản xuất tự động chạy xuyên đêm, lưới điện thông minh tự cân bằng tải, hệ thống giao thông điều tiết theo dữ liệu thời gian thực,… đang trở thành cảnh quan quen thuộc của nền công nghiệp số. Máy móc ngày càng ít sai sót, thuật toán ngày càng tinh vi. Nhưng giữa nhịp vận hành tưởng như trơn tru ấy, một câu hỏi âm thầm hiện lên: Ai đang thực sự hiểu, giám sát và quyết định khi hệ thống vượt khỏi những kịch bản đã được lập trình?
Chùa Thắng Nghiêm Quốc Tự - "tọa độ" tâm linh mới của đầu xuân 2026

Chùa Thắng Nghiêm Quốc Tự - "tọa độ" tâm linh mới của đầu xuân 2026

Chỉ mới xuất hiện trong danh sách các địa điểm check-in đẹp đầu năm 2026, Chùa Thắng Nghiêm Quốc Tự (Mật Viện Thắng Nghiêm) đã nhanh chóng thu hút đông đảo du khách bởi không gian cổ kính, kiến trúc đậm dấu ấn Phật giáo truyền thống và bề dày lịch sử hơn một thiên niên kỷ gắn liền với vùng đất Khúc Thủy bên dòng sông Nhuệ.
Khí chất tuổi Ngọ trong hành trình chuyển đổi số ngành vận tải Việt

Khí chất tuổi Ngọ trong hành trình chuyển đổi số ngành vận tải Việt

Giữa dòng chảy chuyển đổi số đang cuốn qua hầu hết các lĩnh vực kinh tế, vận tải hàng hóa Việt Nam vẫn là một ngành đặc thù: phân mảnh, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm cá nhân và thiếu kết nối dữ liệu. Trong bức tranh ấy, hành trình của Nguyễn Anh Tuấn - CEO nền tảng gọi xe tải Việt VTGO không chỉ là câu chuyện khởi nghiệp công nghệ, mà còn là nỗ lực bền bỉ đưa tư duy hệ thống và tự động hóa vào một ngành vốn quen vận hành bằng “thói quen”. Ở đó, tinh thần của người tuổi Ngọ - không đứng yên, không bỏ cuộc trở thành sợi chỉ đỏ xuyên suốt.
Kỳ 1: Khi chiến lược khoa học & công nghệ bước ra khỏi văn kiện

Kỳ 1: Khi chiến lược khoa học & công nghệ bước ra khỏi văn kiện

Trong hơn hai thập niên qua, khoa học & công nghệ (KHCN) và đổi mới sáng tạo luôn được đặt ở vị trí trung tâm trong các chiến lược phát triển của Việt Nam. Từ các nghị quyết của Đảng, chiến lược quốc gia, cho đến chương trình hành động của Chính phủ, thông điệp xuyên suốt là nhất quán - KHCN phải trở thành động lực then chốt của tăng trưởng, năng suất và năng lực cạnh tranh quốc gia.
Hà Nội triển khai nhiều phương án giao thông, bố trí các bãi trông giữ xe miễn phí

Hà Nội triển khai nhiều phương án giao thông, bố trí các bãi trông giữ xe miễn phí

Với mục tiêu để mọi người dân, du khách đến TP. Hà Nội tham quan, du lịch, du Xuân an toàn, văn minh; ngay từ trước Tết Nguyên đán, UBND TP. Hà Nội cùng các sở, ngành đã chủ động phối hợp khẩn trương thực hiện đồng bộ nhiều phương án, trong đó chú trọng điều tiết giao thông, bố trí các điểm trông giữ xe miễn phí tại các khu vực di tích tâm linh, trung tâm mua sắm, giải trí,…
Cập nhật điểm bắn pháo hoa các tỉnh thành trên toàn quốc

Cập nhật điểm bắn pháo hoa các tỉnh thành trên toàn quốc

Để người dân và du khách có thể theo dõi được các điểm bắn pháo hoa trên các tỉnh, thành toàn quốc. Tạp chí Tự động hóa Ngày nay đã tổng hợp các điểm bắn pháo hoa để người dân chủ động phương tiện giao thông, cung đường du Xuân, thưởng thức pháo hoa thuận tiện, an toàn.
Khi thể chế trở thành động cơ tăng trưởng

Khi thể chế trở thành động cơ tăng trưởng

Trước thềm xuân mới Bính Ngọ, bài viết “Tăng trưởng cao là sản phẩm của năng lực thiết kế thể chế” của Bộ trưởng Khoa học và Công nghệ không chỉ là một thông điệp chính sách, mà còn là lời hiệu triệu về một chuyển dịch tư duy. Đó không đơn thuần là lời kêu gọi tháo gỡ khó khăn, mà là sự thay đổi cách nhìn - chính những vấn đề của xã hội, nếu được tiếp cận bằng tri thức và công nghệ, sẽ trở thành nguồn phát sinh thị trường, ngành nghề và động lực tăng trưởng mới.
song-gia-tri