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
Phát động Cuộc thi viết “Vượt lên số phận” lần thứ IX

Phát động Cuộc thi viết “Vượt lên số phận” lần thứ IX

Sáng ngày 20/5/2026, tại Hà Nội, Tạp chí Thanh niên phối hợp cùng Học viện Báo chí và Tuyên truyền, Hội Bảo trợ người khuyết tật và trẻ mồ côi Việt Nam tổ chức phát động Cuộc thi viết “Vượt lên số phận” lần thứ IX.
Giải thưởng “Việt Nam hạnh phúc - Happy Vietnam năm 2026” khẳng định sâu sắc quyền con người Việt Nam

Giải thưởng “Việt Nam hạnh phúc - Happy Vietnam năm 2026” khẳng định sâu sắc quyền con người Việt Nam

Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch vừa phối hợp với Đài Truyền hình Việt Nam và Hội Nghệ sĩ Nhiếp ảnh Việt Nam tổ chức phát động Giải thưởng truyền thông về quyền con người “Việt Nam hạnh phúc - Happy Vietnam 2026”.
Bộ Văn hoá, Thể thao và Du lịch có Thứ trưởng mới

Bộ Văn hoá, Thể thao và Du lịch có Thứ trưởng mới

Thủ tướng Chính phủ Lê Minh Hưng vừa ký Quyết định số 919/QĐ-TTg ngày 21/5/2026 về việc tiếp nhận, bổ nhiệm giữ chức Thứ trưởng Bộ Văn hoá, Thể thao và Du lịch đối với ông Nguyễn Huy Dũng.
BAH Group và KCI Hàn Quốc tăng cường chuẩn hóa ISO-ESG cho doanh nghiệp Việt Nam

BAH Group và KCI Hàn Quốc tăng cường chuẩn hóa ISO-ESG cho doanh nghiệp Việt Nam

Trong bối cảnh các yêu cầu về phát triển bền vững, minh bạch dữ liệu và giảm phát thải đang trở thành điều kiện bắt buộc trong chuỗi cung ứng toàn cầu, việc xây dựng hệ thống quản trị ESG theo chuẩn quốc tế không còn là lựa chọn mà đã trở thành yêu cầu chiến lược đối với doanh nghiệp Việt Nam. Hợp tác giữa BAH Group và Korea Compliance Initiative (KCI - Hàn Quốc) được xem là một bước đi đáng chú ý nhằm thúc đẩy quá trình chuẩn hóa ESG theo hướng thực thi thực chất, gắn với công nghệ quản trị và chuyển đổi vận hành doanh nghiệp.
TP.HCM thúc đẩy công nghiệp hỗ trợ bằng chính sách vốn, chuyển đổi số và quản trị năng lượng

TP.HCM thúc đẩy công nghiệp hỗ trợ bằng chính sách vốn, chuyển đổi số và quản trị năng lượng

Trong bối cảnh ngành sản xuất đang bước vào giai đoạn tái cấu trúc mạnh mẽ theo hướng xanh hóa, số hóa và nâng cao tỷ lệ nội địa hóa, Thành phố Hồ Chí Minh tiếp tục đẩy mạnh các chương trình hỗ trợ doanh nghiệp công nghiệp và công nghiệp hỗ trợ tiếp cận chính sách ưu đãi, công nghệ mới cũng như các giải pháp quản trị hiện đại.
Hội Tự động hóa Việt Nam đề xuất chuyển đổi số Đông y, liên kết 5 bên chăm sóc sức khỏe cộng đồng

Hội Tự động hóa Việt Nam đề xuất chuyển đổi số Đông y, liên kết 5 bên chăm sóc sức khỏe cộng đồng

Với định hướng xây dựng hệ sinh thái số cho lĩnh vực y học cổ truyền và chăm sóc sức khỏe cộng đồng, Hội Tự động hóa Việt Nam cùng 4 đơn vị chuyên môn, y tế và văn hóa đã đề xuất hàng loạt chương trình hợp tác về dữ liệu sức khỏe, AI, bảo tồn tri thức Đông y và liên kết cộng đồng.
Nhận định phiên giao dịch ngày 22/5: Hạn chế mua mới cổ phiếu đang tiệm cận kháng cự

Nhận định phiên giao dịch ngày 22/5: Hạn chế mua mới cổ phiếu đang tiệm cận kháng cự

Dù VN-Index vẫn duy trì xu hướng hồi phục nhờ lực kéo từ nhóm cổ phiếu vốn hóa lớn, dòng tiền hiện chưa lan tỏa mạnh trên toàn thị trường và áp lực rung lắc vẫn hiện hữu ở nhiều nhóm ngành. Các chuyên gia khuyến nghị nhà đầu tư thận trọng với những cổ phiếu đã tăng nóng và đang tiến sát vùng kháng cự, đồng thời ưu tiên giải ngân từng phần ở các mã có nền tảng cơ bản tốt và tín hiệu tích lũy tích cực.
Festo ra mắt phần mềm gắp robot dùng AI cho môi trường xử lý đa sản phẩm

Festo ra mắt phần mềm gắp robot dùng AI cho môi trường xử lý đa sản phẩm

Festo vừa giới thiệu GripperAI, phần mềm gắp robot ứng dụng AI cho phép robot xử lý nhiều loại sản phẩm khác nhau mà không cần lập trình riêng cho từng mã hàng.
Sony kỷ niệm 10 năm dòng 1000X bằng mẫu tai nghe cao cấp hơn cả XM6

Sony kỷ niệm 10 năm dòng 1000X bằng mẫu tai nghe cao cấp hơn cả XM6

Thay vì tập trung vào cuộc đua công nghệ mới, sản phẩm gây chú ý nhờ thiết kế mang hơi hướng hoài niệm, chất liệu sang trọng cùng trải nghiệm âm thanh được tinh chỉnh kỹ lưỡng dành cho nhóm người dùng đam mê âm nhạc và yêu thích triết lý thiết kế của Sony.
Hội Tự động hóa Việt Nam ra mắt Văn phòng Hệ sinh thái doanh nghiệp

Hội Tự động hóa Việt Nam ra mắt Văn phòng Hệ sinh thái doanh nghiệp

Chiều 21/5, Hội Tự động hóa Việt Nam (VAA) khai trương Văn phòng Hệ sinh thái khởi nghiệp, đặt tại Thư viện Tạ Quang Bửu, Đại học Bách khoa Hà Nội. Sự kiện đánh dấu bước phát triển mới của Đề án Hệ sinh thái doanh nghiệp được khởi xướng từ năm 2025.
vn-web
song-gia-tri