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 GDĐT điều chỉnh 5 nội dung trong Quy chế tuyển sinh đại học năm 2026

Bộ GDĐT điều chỉnh 5 nội dung trong Quy chế tuyển sinh đại học năm 2026

Ngày 15/02, Bộ Giáo dục và Đào tạo (Bộ GDĐT) công bố Thông tư số 06/2026/TT-BGDĐT ban hành Quy chế tuyển sinh các ngành đào tạo trình độ đại học và ngành Giáo dục Mầm non trình độ cao đẳng.
Công nghiệp robot Việt Nam trước "độ chín" phát triển

Công nghiệp robot Việt Nam trước "độ chín" phát triển

Sự bứt phá của trí tuệ nhân tạo, cùng những chủ trương lớn như Nghị quyết 57-NQ/ TW của Bộ Chính trị và danh mục công nghệ chiến lược, đang tạo ra “độ chín” mới cho lĩnh vực robot và tự động hóa tại Việt Nam. Trao đổi với Tạp chí Tự động hóa Ngày nay, ông Khổng Minh - Giảng viên Đại học Phenikaa, Trưởng phòng Robotics, Kỹ sư trưởng Công ty Phenikaa-X đã phân tích những chuyển động của ngành robot Việt Nam, từ nền tảng nhân lực, thị trường, chính sách đến con đường hình thành các sản phẩm robot “Make in Vietnam” đạt chuẩn quốc tế.
Kỳ 3: Chuyển giao công nghệ: Từ “mua được” đến “làm chủ được”

Kỳ 3: Chuyển giao công nghệ: Từ “mua được” đến “làm chủ được”

Trong nhiều năm, khi bàn đến chuyển giao công nghệ tại Việt Nam, cách tiếp cận phổ biến vẫn mang nặng tư duy giao dịch - mua thiết bị, mua dây chuyền, mua bản quyền, kèm theo các gói đào tạo ngắn hạn. Công nghệ, theo đó, được xem như một loại tài sản có thể “đóng gói” và chuyển dịch thông qua hợp đồng thương mại. Cách hiểu này không hoàn toàn sai, nhưng đã giản lược hóa bản chất của công nghệ.
Hồ Gươm rực sắc đào xuân, thành điểm check-in "nóng" nhất Hà Nội dịp Tết Bính Ngọ

Hồ Gươm rực sắc đào xuân, thành điểm check-in "nóng" nhất Hà Nội dịp Tết Bính Ngọ

Những ngày giáp Tết Nguyên đán Bính Ngọ 2026, khu vực quanh Hồ Hoàn Kiếm và phố cổ Hà Nội ngập tràn sắc xuân với hàng trăm gốc đào, quất cảnh cùng nhiều tiểu cảnh hoa được bố trí công phu. Không gian rực rỡ giữa trung tâm Thủ đô thu hút đông đảo người dân và du khách đến tham quan, chụp ảnh.
Từ dữ liệu thô đến giá trị kinh tế cao: Việt Nam cần gì để bứt phá?

Từ dữ liệu thô đến giá trị kinh tế cao: Việt Nam cần gì để bứt phá?

Trên thế giới, dữ liệu đã trở thành “mỏ vàng” của nền kinh tế tri thức. Các doanh nghiệp dẫn đầu đều xây dựng lợi thế cạnh tranh từ phân tích dữ liệu và trí tuệ nhân tạo. Tại Việt Nam, chuyển đổi số đang diễn ra mạnh mẽ, song việc biến dòng dữ liệu khổng lồ thành giá trị kinh tế thực chất vẫn là bài toán chưa có lời giải trọn vẹn. Khung thể chế cho chia sẻ dữ liệu, thị trường giao dịch dữ liệu, nguồn nhân lực khoa học dữ liệu và hạ tầng điện toán vẫn còn nhiều khoảng trống. Chuyên gia kinh tế, TS. Nguyễn Minh Phong chia sẻ câu chuyện đâu là “điểm nghẽn”, đâu là “cửa mở” để Việt Nam không bỏ lỡ cơ hội trong cuộc đua kinh tế dữ liệu toàn cầu.
[E-Magazine] 9 doanh nhân tuổi Bính Ngọ

[E-Magazine] 9 doanh nhân tuổi Bính Ngọ

Sinh năm 1966 - năm Bính Ngọ, một thế hệ bước ra đời giữa những khúc quanh lớn của thế giới như Chiến tranh Lạnh khép lại, toàn cầu hóa mở ra, công nghệ tăng tốc, còn các nền kinh tế thì liên tục tự làm mới mình. TĐHNN chọn giới thiệu 9 doanh nhân dưới đây không chỉ như những câu chuyện làm giàu, mà như những lát cắt sinh động về cách con người thích nghi, dẫn dắt và để lại dấu ấn trong trật tự kinh tế - xã hội đương đại.
Đón giao thừa giữa trưa nắng Varadero

Đón giao thừa giữa trưa nắng Varadero

Trải nghiệm đón giao thừa đặc biệt giữa trưa nắng tại Varadero, Cuba, với không khí trong lành, pháo hoa và những khoảnh khắc ý nghĩa bên biển xanh.
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/
song-gia-tri