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
Vì sao hệ thống làm lạnh di động đang trở thành mỏ vàng mới?

Vì sao hệ thống làm lạnh di động đang trở thành mỏ vàng mới?

Trong cuộc đua xây dựng các trung tâm dữ liệu AI quy mô hàng tỷ USD, sự chú ý thường đổ dồn vào chip AI, GPU hiệu năng cao hay nguồn điện khổng lồ. Tuy nhiên, một yếu tố tưởng chừng rất bình thường đang trở thành "điểm nghẽn chiến lược" quyết định tốc độ triển khai của các dự án này: hệ thống làm mát.
Nâng cao năng lực quản trị và kiểm soát rủi ro pháp lý: Chìa khóa giúp doanh nghiệp phát triển bền vững

Nâng cao năng lực quản trị và kiểm soát rủi ro pháp lý: Chìa khóa giúp doanh nghiệp phát triển bền vững

Trong bối cảnh môi trường kinh doanh liên tục biến động, việc nâng cao năng lực quản trị và kiểm soát rủi ro pháp lý đang trở thành yêu cầu cấp thiết đối với nhiều doanh nghiệp, đặc biệt là doanh nghiệp vừa và nhỏ. Với định hướng đào tạo thực chiến, kết hợp giữa kiến thức pháp lý, quản trị vận hành và ứng dụng công nghệ, Bizdemy hướng đến mục tiêu đồng hành cùng doanh nhân và nhà quản lý xây dựng nền tảng vận hành hiệu quả, chủ động thích ứng và phát triển bền vững.
Thị trường chứng khoán ngày 22/6: VN Index tăng hơn 33 điểm nhờ nhóm Vin, thanh khoản vẫn ở mức thấp

Thị trường chứng khoán ngày 22/6: VN Index tăng hơn 33 điểm nhờ nhóm Vin, thanh khoản vẫn ở mức thấp

Một phiên tăng mạnh của VN Index đã diễn ra khi VIC và VHM đồng loạt tăng trần, đóng góp hầu hết điểm số cho đà tăng. Tuy nhiên, độ rộng thị trường nghiêng về bên bán và thanh khoản thấp cho thấy dòng tiền chưa thực sự lan tỏa.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 23/6/2026: Tuổi Dậu tài lộc vượng phát, tuổi Dần cần tránh nóng nảy

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 23/6/2026: Tuổi Dậu tài lộc vượng phát, tuổi Dần cần tránh nóng nảy

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 23/6/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Công nghệ cấp đông lạnh sâu bằng nitơ lỏng: hướng đi mới nâng cao giá trị ngành thực phẩm

Công nghệ cấp đông lạnh sâu bằng nitơ lỏng: hướng đi mới nâng cao giá trị ngành thực phẩm

Sự phát triển của công nghệ cấp đông siêu tốc bằng nitơ lỏng đang mở ra cơ hội mới cho ngành chế biến thực phẩm khi vừa giúp giảm hao hụt nguyên liệu, vừa duy trì chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường trong nước và xuất khẩu.
Nhận định phiên giao dịch ngày 22/6: Duy trì tỷ trọng danh mục ở mức trung bình và hạn chế mua đuổi

Nhận định phiên giao dịch ngày 22/6: Duy trì tỷ trọng danh mục ở mức trung bình và hạn chế mua đuổi

VN-Index đang duy trì trạng thái giằng co quanh vùng 1.820 - 1.830 điểm khi dòng tiền chưa có sự cải thiện rõ rệt và khối ngoại tiếp tục bán ròng. Trong bối cảnh thị trường chưa xác lập xu hướng mới, các chuyên gia khuyến nghị nhà đầu tư giữ tỷ trọng cổ phiếu ở mức trung bình, hạn chế mua đuổi và ưu tiên giải ngân tại các vùng hỗ trợ đối với những cổ phiếu có nền tảng cơ bản tốt.
[E-Magazine] Việt Nam trước làn sóng phổ cập công nghệ lần hai

[E-Magazine] Việt Nam trước làn sóng phổ cập công nghệ lần hai

Có những thay đổi đi vào xã hội rất lặng. Một mã QR dán cạnh lọ tăm trong quán phở. Một lần xác thực khuôn mặt trước khi chuyển tiền. Một tài khoản VNeID thay cho tập giấy tờ quen thuộc. Một hồ sơ bệnh án không còn nằm im trong tủ sắt bệnh viện. Những chi tiết nhỏ ấy đang báo hiệu một bước chuyển lớn - Việt Nam đã qua thời phổ cập công cụ số và đang bước vào giai đoạn phổ cập hạ tầng số của đời sống xã hội.
Surface Pro 12 và Surface Laptop 8 chính thức lên kệ, trang bị chip AI Snapdragon X2

Surface Pro 12 và Surface Laptop 8 chính thức lên kệ, trang bị chip AI Snapdragon X2

Microsoft vừa chính thức mở bán thế hệ Surface mới nhất, gồm Surface Pro 12 và Surface Laptop 8. Điểm nhấn đáng chú ý của dòng sản phẩm lần này là việc được trang bị nền tảng Snapdragon X2 mới từ Qualcomm với khả năng xử lý AI lên tới 80 TOPS, cùng thời lượng pin dài và nhiều nâng cấp về màn hình, hiệu năng.
Khám phá Amio S - phiên bản mới phân khúc xe máy điện rẻ nhất của VinFast

Khám phá Amio S - phiên bản mới phân khúc xe máy điện rẻ nhất của VinFast

Phân khúc xe máy điện rẻ nhất của VinFast vừa xuất hiện thêm phiên bản mới mang tên Amio S, với giá từ 12 đến gần 14 triệu đồng.
TKV trao 30 suất học bổng cho sinh viên tài năng của HUST

TKV trao 30 suất học bổng cho sinh viên tài năng của HUST

Trường Quản trị Kinh doanh VINACOMIN (trực thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam) vừa trao 30 suất học bổng của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) cho 30 sinh viên tiêu biểu trong học kỳ I năm học 2025-2026 của Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST).
vn-web
song-gia-tri
gao-doc