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

mca
Tin bài khác
Cách mạng bảo mật OT: Khi hạ tầng công nghiệp không còn đứng một mình​​​​​​​

Cách mạng bảo mật OT: Khi hạ tầng công nghiệp không còn đứng một mình​​​​​​​

Trong bối cảnh làn sóng chuyển đổi số đang ngày càng xóa mờ ranh giới giữa hệ thống công nghệ hoạt động (OT) và công nghệ thông tin (CNTT), ngành công nghiệp toàn cầu đang đối mặt với một thách thức mới: Làm sao để bảo vệ các hệ thống OT trước những mối đe dọa mạng ngày càng tinh vi, mà vẫn đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong vận hành.
Đại học Quốc gia TP.HCM thí điểm đào tạo tiến sĩ theo chuẩn quốc tế

Đại học Quốc gia TP.HCM thí điểm đào tạo tiến sĩ theo chuẩn quốc tế

Thời gian đào tạo trong khoảng 2 năm. Nghiên cứu sinh (NCS) được miễn phản biện độc lập khi là tác giả chính của ít nhất 3 báo cáo hội nghị, bài báo khoa học.
F88 lập “cú hat-trick” giải thưởng tại Asian Banking & Finance 2025

F88 lập “cú hat-trick” giải thưởng tại Asian Banking & Finance 2025

F88 tiếp tục khẳng định vị thế tiên phong trong lĩnh vực tài chính thay thế khi đồng thời giành ba giải thưởng quan trọng tại Asian Banking & Finance Awards 2025 và ABF Fintech Awards 2025.
Phải có chiến lược và nhiều giải pháp đồng bộ để thúc đẩy ngành sản xuất robot trong nước vươn xa

Phải có chiến lược và nhiều giải pháp đồng bộ để thúc đẩy ngành sản xuất robot trong nước vươn xa

Robot và Tự động hóa là một trong 11 nhóm công nghệ chiến lược trọng yếu trong việc thúc đẩy phát triển khoa học công nghệ theo tinh thần Nghị quyết 57-NQ/TW của Bộ Chính trị. Việc thành lập Chi hội Robot Việt Nam góp phần định hướng và thúc đẩy doanh nghiệp sản xuất, chế tạo robot trong nước phát triển. Tạp chí Tự động hóa Ngày nay có cuộc phỏng vấn Chủ tịch Chi hội Robot Việt Nam - PGS.TS Lê Hoài Quốc, nhân dịp ra mắt Chi hội.
Việt Nam tái khẳng định cam kết với Công ước ICCPR tại phiên họp Liên Hợp Quốc

Việt Nam tái khẳng định cam kết với Công ước ICCPR tại phiên họp Liên Hợp Quốc

Tham gia phiên đối thoại định kỳ này, Việt Nam khẳng định nỗ lực bền bỉ và thành tựu toàn diện trong việc bảo vệ, thúc đẩy các quyền dân sự, chính trị, đồng thời thể hiện tinh thần nghiêm túc, chủ động trong thực hiện các cam kết quốc tế về quyền con người.
Chiến lược công nghệ để nâng tầm sản xuất hiện đại

Chiến lược công nghệ để nâng tầm sản xuất hiện đại

Trong thời đại sản xuất thông minh, hệ thống Thực hiện Sản xuất (MES - Manufacturing Execution System) đã trở thành một công cụ không thể thiếu cho các doanh nghiệp muốn nâng cao hiệu quả vận hành, kiểm soát chất lượng và khả năng thích ứng với thị trường. Tuy nhiên, để tối ưu hóa giá trị mà MES mang lại, việc triển khai cần nhiều hơn là chỉ cài đặt phần mềm đó là cả một quá trình chiến lược, tích hợp, đào tạo và thích ứng toàn diện.
Nhận định phiên giao dịch ngày 09/7: Cơ hội và rủi ro đang song hành

Nhận định phiên giao dịch ngày 09/7: Cơ hội và rủi ro đang song hành

Sau chuỗi phiên tăng liên tiếp, thị trường đang tiệm cận vùng hưng phấn cao với thanh khoản dồi dào và độ rộng tích cực. VN Index vượt ngưỡng kháng cự tâm lý 1.400 điểm, lập đỉnh cao nhất trong 3 năm qua, mở ra kỳ vọng tiếp tục tăng trong phiên 9/7. Tuy nhiên, khi đà tăng mạnh đã kéo dài, việc điều chỉnh kỹ thuật là điều nhà đầu tư cần tính đến.
iPhone 17 Pro Max vượt trội hơn iphone 17 Pro nhờ tính năng pin khủng

iPhone 17 Pro Max vượt trội hơn iphone 17 Pro nhờ tính năng pin khủng

Apple dự kiến sẽ ra mắt dòng iPhone 17 vào tháng 9, và năm nay có thể sẽ có điểm khác biệt lớn giữa mẫu iPhone 17 Pro và iPhone 17 Pro Max.
ACIYLS 2025: Công bố đề bài và tổ chức chuỗi định hướng chuyên sâu cho thí sinh trên toàn quốc

ACIYLS 2025: Công bố đề bài và tổ chức chuỗi định hướng chuyên sâu cho thí sinh trên toàn quốc

Cuộc thi ASEAN - China - India Youth Leadership Summit (ACIYLS) 2025 tại Việt Nam chính thức công bố đề bài vòng quốc gia với chủ đề “Cultivating Climate and Positive Cities” - hướng đến xây dựng giải pháp gắn liền với hai Mục tiêu Phát triển Bền vững của Liên Hợp Quốc: SDG 11 (Thành phố và cộng đồng bền vững) và SDG 13 (Hành động vì khí hậu).
Camp Blast 2025 - Miền Nắng Hạ: Sân chơi mùa hè lành mạnh dành cho các em nhỏ Thủ đô

Camp Blast 2025 - Miền Nắng Hạ: Sân chơi mùa hè lành mạnh dành cho các em nhỏ Thủ đô

Đầu tháng 7 vừa qua, tại điểm trường Liên cấp Sentia School, Trại hè Camp Blast 2025: Miền Nắng Hạ đã diễn ra thành công với nhiều hoạt động bổ ích và lý thú dành cho các em nhỏ từ 7 - 13 tuổi.
Quảng cáo
moxa