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
Nhận định phiên giao dịch ngày 28/5: Cần thận trọng hơn khi mở mua mới

Nhận định phiên giao dịch ngày 28/5: Cần thận trọng hơn khi mở mua mới

Thị trường chứng khoán bước vào phiên giao dịch ngày 28/5 trong trạng thái thận trọng sau khi VN-Index tiếp tục điều chỉnh và rung lắc mạnh dưới áp lực chốt lời từ nhóm cổ phiếu họ Vingroup. Giới phân tích cho rằng nhà đầu tư cần hạn chế mở mới vị thế mua ở thời điểm hiện tại và ưu tiên quản trị rủi ro trong bối cảnh dòng tiền vẫn phân hóa mạnh.
Chuyển đổi số trong sản xuất: Từ giai đoạn thử nghiệm đến cuộc đua tạo lợi thế cạnh tranh

Chuyển đổi số trong sản xuất: Từ giai đoạn thử nghiệm đến cuộc đua tạo lợi thế cạnh tranh

Ngành sản xuất toàn cầu đang bước vào giai đoạn tăng tốc chuyển đổi số mạnh mẽ, khi các doanh nghiệp không còn xem công nghệ là lựa chọn mang tính thử nghiệm mà là yếu tố sống còn để duy trì năng lực cạnh tranh. Báo cáo “Tình hình Sản xuất năm 2026” của Rockwell Automation cho thấy các nhà sản xuất đang chuyển trọng tâm từ triển khai công nghệ đơn lẻ sang khai thác hiệu quả dữ liệu và trí tuệ vận hành trong hoạt động thực tế.
Viettel và Petrolimex chung tay kiến tạo hạ tầng số và năng lượng xanh

Viettel và Petrolimex chung tay kiến tạo hạ tầng số và năng lượng xanh

Ngày 25/5/2026 tại Hà Nội, Tập đoàn Công nghiệp - Viễn thông Quân đội (Viettel) tại Hà Nội, Tập đoàn Công nghiệp - Viễn thông Quân đội (Viettel) và Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã ký kết thỏa thuận hợp tác chiến lược, đánh dấu bước tiến mới trong hành trình thúc đẩy chuyển đổi số, phát triển hạ tầng công nghệ và chuyển dịch năng lượng xanh của hai doanh nghiệp nhà nước hàng đầu Việt Nam.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 28/5/2026: Tuổi Sửu dấu hiệu đi xuống, tuổi Hợi quý nhân nâng đỡ

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 28/5/2026: Tuổi Sửu dấu hiệu đi xuống, tuổi Hợi quý nhân nâng đỡ

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 28/5/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Thị trường chứng khoán ngày 27/5: Nhóm Vin tiếp tục gây áp lực lên thị trường

Thị trường chứng khoán ngày 27/5: Nhóm Vin tiếp tục gây áp lực lên thị trường

VN Index có lúc mất hơn 23 điểm trước khi rút chân về cuối phiên. Dù nhóm ngân hàng và điện xuất hiện tín hiệu tích cực, nhưng áp lực bán từ nhóm Vin tiếp tục khiến thị trường duy trì trạng thái thận trọng.
Electronica 2026 đưa hiệu quả năng lượng thành chủ đề trọng tâm của ngành điện tử

Electronica 2026 đưa hiệu quả năng lượng thành chủ đề trọng tâm của ngành điện tử

Hiệu quả năng lượng hiện không còn được xem là mục tiêu thiết kế mang tính ngách trong ngành điện tử mà đang trở thành yêu cầu cốt lõi trong nhiều lĩnh vực, từ ô tô, tự động hóa công nghiệp đến điện tử tiêu dùng và hệ thống nhúng.
STEAMCUP ASIA 2026 - sân chơi Robotics quốc tế chính thức khởi tranh mùa giải thứ 4

STEAMCUP ASIA 2026 - sân chơi Robotics quốc tế chính thức khởi tranh mùa giải thứ 4

Cuối tháng 5/2026, đấu trường công nghệ sẽ chứng kiến bước chuyển mình lịch sử với sự tham gia tranh tài của các tài năng trẻ đến từ Việt Nam, Malaysia và Indonesia. Sự kiện được tổ chức bởi Công ty Cổ phần STEAMCUP Việt Nam (ROBOHUB Vietnam) phối hợp cùng Trường phổ thông liên cấp Đa Trí Tuệ (MIS), với sự bảo trợ truyền thông của Báo Cầu Vồng Tuổi Thơ.
Nhận định phiên giao dịch ngày 27/5: Xem xét cơ hội các cổ phiếu ngân hàng

Nhận định phiên giao dịch ngày 27/5: Xem xét cơ hội các cổ phiếu ngân hàng

Sau giai đoạn tích lũy kéo dài và diễn biến phân hóa trên thị trường chung, nhóm cổ phiếu ngân hàng đang cho thấy dấu hiệu cải thiện về xu hướng ngắn hạn, thu hút trở lại dòng tiền của nhà đầu tư. Trong bối cảnh VN-Index tiếp tục vận động giằng co, giới phân tích cho rằng đây là thời điểm có thể xem xét các cơ hội đầu tư chọn lọc ở nhóm ngân hàng – nhóm vốn hóa lớn đóng vai trò dẫn dắt thị trường.
Hệ thống định vị thời gian thực giúp tăng khả năng quản lý tài sản trong nhà máy

Hệ thống định vị thời gian thực giúp tăng khả năng quản lý tài sản trong nhà máy

Sick AG vừa giới thiệu hệ thống định vị thời gian thực (RTLS) mới nhằm hỗ trợ doanh nghiệp theo dõi và quản lý tài sản trong môi trường công nghiệp và hậu cần. Giải pháp này được phát triển theo tiêu chuẩn mở omlox - tiêu chuẩn định vị công nghiệp đầu tiên trên thế giới do Profibus International phát triển.
Không đưa dữ liệu mật hoặc dữ liệu chưa công bố lên các nền tảng AI trái quy định pháp luật

Không đưa dữ liệu mật hoặc dữ liệu chưa công bố lên các nền tảng AI trái quy định pháp luật

Đây là một trong các nội dung đảm bảo nguyên tắc liêm chính khoa học và đạo đức nghề nghiệp trong nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ vừa được Bộ KH và CN ban hành ngày 25/5/2026, nhằm tạo khung chuẩn cho các cơ quan, tổ chức nghiên cứu xây dựng quy tắc nội bộ, tăng trách nhiệm giải trình và phòng ngừa sai phạm trong hoạt động khoa học
vn-web
song-gia-tri
gao-doc