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

ar
Tin bài khác
Làm chủ AI trong kỷ nguyên thực thi

Làm chủ AI trong kỷ nguyên thực thi

Ngày 5/4, tại Đại học Bách khoa Hà Nội, sự kiện AI Day 2026 với chủ đề “Advancing Vietnam with AI - Việt Nam vươn mình cùng trí tuệ nhân tạo” thu hút hàng trăm đại biểu đến từ cơ quan quản lý, doanh nghiệp công nghệ, tổ chức giáo dục, startup và cộng đồng đổi mới sáng tạo trên cả nước.
Thị trường chứng khoán ngày 06/04: Thị trường kém sắc, LPB ngược dòng tăng trần

Thị trường chứng khoán ngày 06/04: Thị trường kém sắc, LPB ngược dòng tăng trần

Lực bán xuất hiện trên diện rộng, nhóm dầu khí bị xả mạnh và việc dòng tiền co cụm khiến VN Index lùi sát mốc 1.670 điểm. Tuy nhiên, LPB tăng trần cùng sắc xanh của một số trụ lớn đã giữ cho thị trường tránh khỏi một phiên giảm sâu.
Chủ tịch Quốc hội Trần Thanh Mẫn tái đắc cử

Chủ tịch Quốc hội Trần Thanh Mẫn tái đắc cử

Với 491/491 đại biểu tham gia biểu quyết tán thành, Quốc hội đã biểu quyết thông qua dự thảo Nghị quyết bầu Chủ tịch Quốc hội khóa XVI đối với đồng chí Trần Thanh Mẫn, Ủy viên Bộ Chính trị, Chủ tịch Quốc hội khóa XV.
Phát biểu của Tổng Bí thư Tô Lâm tại phiên khai mạc Kỳ họp thứ Nhất, Quốc hội khóa XVI

Phát biểu của Tổng Bí thư Tô Lâm tại phiên khai mạc Kỳ họp thứ Nhất, Quốc hội khóa XVI

Sáng 6/4, Kỳ họp thứ Nhất, Quốc hội khóa XVI đã khai mạc trọng thể tại Hà Nội. Tổng Bí thư Tô Lâm có bài phát biểu chỉ đạo quan trọng tại phiên khai mạc. Tạp chí Tự động hóa Ngày nay trân trọng giới thiệu toàn văn phát biểu của Tổng Bí thư Tô Lâm.
Những dấu ấn đáng nhớ của AT EXPO

Những dấu ấn đáng nhớ của AT EXPO

Triển lãm quốc tế về Tự động hóa và Công nghệ 2025 (AT Expo 2025) do Hội Tự động hóa Việt Nam (VAA) và Công ty CP Hội chợ Triển lãm và Quảng cáo Việt Nam (VIETFAIR) phối hợp tổ chức, diễn ra trong 3 ngày, từ 14 - 16/5/2025 đã để lại nhiều dấu ấn. Rõ nét nhất là sự bài bản, chuyên nghiệp trong công tác tổ chức và phô diễn nhiều dấu ấn công nghệ; thúc đẩy kết nối giữa các tập đoàn, doanh nghiệp công nghệ, tự động hóa, trong và ngoài nước.
MASKA 2026: Tiếp sức bứt phá cùng sĩ tử trước ngưỡng cửa chuyển cấp

MASKA 2026: Tiếp sức bứt phá cùng sĩ tử trước ngưỡng cửa chuyển cấp

Ngày 05/04/2026, sự kiện MASKA 2026: DERINA đã được tổ chức thành công tại Trường THCS Trần Duy Hưng (quận Thanh Xuân, Hà Nội). Đây là chương trình thường niên do High School Help Kit thực hiện, nhằm tạo điều kiện để học sinh THCS, đặc biệt là học sinh lớp 9, có cơ hội trực tiếp giao lưu, trao đổi và tiếp cận những chia sẻ, tư vấn từ các chuyên gia cùng diễn giả đến từ các trường THPT chuyên và trọng điểm trên địa bàn thành phố Hà Nội.
Nhận định phiên giao dịch ngày 6/4: Có thể giải ngân từng phần tại các nhịp rung lắc

Nhận định phiên giao dịch ngày 6/4: Có thể giải ngân từng phần tại các nhịp rung lắc

Sau phiên điều chỉnh mạnh, VN-Index được đánh giá vẫn có cơ hội hồi phục ngắn hạn khi đang tiệm cận vùng hỗ trợ quan trọng. Trong bối cảnh thị trường còn rung lắc và phân hóa, nhà đầu tư có thể cân nhắc giải ngân từng phần, ưu tiên cổ phiếu có xu hướng tăng rõ ràng.
[E-Magazine] AI - quyền lực mới của trọng tài trong thể thao hiện đại

[E-Magazine] AI - quyền lực mới của trọng tài trong thể thao hiện đại

Trong nhiều thập niên, quyền phán quyết trên sân vận động thuộc về đôi mắt và kinh nghiệm của trọng tài. Nhưng kỷ nguyên dữ liệu đang âm thầm viết lại trật tự ấy. Từ VAR trong bóng đá, Hawk-Eye trong tennis cho tới những hệ thống thị giác máy tính theo dõi chuyển động từng mili-giây, công nghệ đang dần trở thành “trọng tài thứ hai”, thầm lặng, lạnh lùng và ngày càng có tiếng nói quyết định.
LG Gram 14 bản Intel Panther Lake: Pin dài hơn, vẫn giữ thiết kế siêu nhẹ

LG Gram 14 bản Intel Panther Lake: Pin dài hơn, vẫn giữ thiết kế siêu nhẹ

Sau phiên bản AMD, LG bổ sung lựa chọn mới cho Gram 14 với chip Intel Panther Lake, cho thời lượng pin dài hơn khoảng 3 giờ, đồng thời duy trì trọng lượng chỉ khoảng 1,12kg.
Thí điểm kinh tế tầm thấp ở Điện Biên: Tư duy mới từ bài toán thật

Thí điểm kinh tế tầm thấp ở Điện Biên: Tư duy mới từ bài toán thật

Điện Biên được lựa chọn xây dựng Đề án thử nghiệm có kiểm soát phát triển kinh tế tầm thấp không chỉ vì đặc thù địa hình miền núi, chia cắt, mà còn để tạo ra một mô hình tham chiếu cho các địa phương khác. Tinh thần được Bộ KH&CN nhấn mạnh rất rõ: không thử công nghệ UAV, mà thử mô hình ứng dụng thực tế để đo hiệu quả và hoàn thiện khung chính sách.
song-gia-tri