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
Nhận định phiên giao dịch ngày 12/5: VN-Index có thể biến động mạnh

Nhận định phiên giao dịch ngày 12/5: VN-Index có thể biến động mạnh

Sau giai đoạn đi lên liên tục, thị trường chứng khoán được dự báo sẽ bước vào nhịp điều chỉnh và giằng co mạnh hơn trong phiên 12/5 khi tâm lý thận trọng gia tăng ở vùng điểm cao. Giới phân tích cho rằng dòng tiền đang có dấu hiệu phân hóa rõ nét, buộc nhà đầu tư cần ưu tiên chiến lược phòng thủ và tránh tâm lý mua đuổi trong ngắn hạn.
Bước tiến mới thúc đẩy chuyển đổi số trong sản xuất dược phẩm sinh học

Bước tiến mới thúc đẩy chuyển đổi số trong sản xuất dược phẩm sinh học

Trong bối cảnh ngành dược phẩm sinh học ngày càng phụ thuộc vào dữ liệu và tự động hóa, hai “ông lớn” công nghệ công nghiệp và khoa học sự sống đã bắt tay nhằm giải quyết một trong những nút thắt lớn nhất của ngành: sự phân mảnh hệ thống. Rockwell Automation và Cytiva vừa công bố nền tảng Figurate SCADA, một hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu được thiết kế để tăng tốc quá trình chuyển đổi số trong sản xuất dược phẩm sinh học.
Đối thủ mới của iPad Pro: Huawei trình làng MatePad Pro Max siêu mỏng 4,7mm

Đối thủ mới của iPad Pro: Huawei trình làng MatePad Pro Max siêu mỏng 4,7mm

Không chỉ sở hữu thân máy mỏng hơn iPad Pro, MatePad Pro Max còn được Huawei trang bị màn hình OLED 13,2 inch, hệ thống 6 loa và viên pin lớn 10.400mAh nhằm phục vụ nhu cầu làm việc lẫn giải trí di động.
Ứng dụng giải pháp cơ điện nông nghiệp thông minh giúp phát triển bền vững ngành nông nghiệp công nghệ cao

Ứng dụng giải pháp cơ điện nông nghiệp thông minh giúp phát triển bền vững ngành nông nghiệp công nghệ cao

Sáng 11/5, Khoa Cơ-Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam tổ chức Hội thảo khoa học “Cơ điện nông nghiệp thông minh: Giải pháp nâng cao hiệu quả và phát triển bền vững”. Sự kiện được tổ chức theo kế hoạch thường niên, hướng tới kỷ niệm 70 năm thành lập Học viện Nông nghiệp Việt Nam, nhằm thúc đẩy chuyển đổi số, đổi mới sáng tạo ngành nông nghiệp trong nước.
Robot Leanbot: rèn luyện học sinh phổ thông học cách đưa AI vào giải quyết bài toán thực tế

Robot Leanbot: rèn luyện học sinh phổ thông học cách đưa AI vào giải quyết bài toán thực tế

Robot Olympiad năm học 2025-2026 là sân chơi nổi bật nằm trong số 5 giải đấu tại Vòng chung kết Cuộc thi Vô địch Quốc gia STEM, AI và Robotics (VSAR) vừa diễn ra sôi nổi tại Trung tâm Đổi mới sáng tạo Quốc gia (NIC), Khu Công nghệ cao Hòa Lạc, Hà Nội vào ngày 10/5/2026.
Tập đoàn Tân Hoàng Minh "đang làm gì" tại phía Đông Hà Nội?

Tập đoàn Tân Hoàng Minh "đang làm gì" tại phía Đông Hà Nội?

Sau nhiều năm chỉ lựa chọn lõi đô thị Hà Nội để đầu tư, phát triển bất động sản, giới đầu tư bất ngờ trước kế hoạch triển khai một dự án mới của Tập đoàn Tân Hoàng Minh tại khu vực Long Biên.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 12/5/2026: Tuổi Sửu dễ vướng tranh chấp, tuổi Tỵ túi tiền rủng rỉnh

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 12/5/2026: Tuổi Sửu dễ vướng tranh chấp, tuổi Tỵ túi tiền rủng rỉnh

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 12/5/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Mặt trận Tổ quốc Việt Nam là đại diện bảo vệ quyền và lợi ích hợp pháp, chính đáng của Nhân dân

Mặt trận Tổ quốc Việt Nam là đại diện bảo vệ quyền và lợi ích hợp pháp, chính đáng của Nhân dân

Chiều 11/5, tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia, Hà Nội, Đại hội đại biểu toàn quốc Mặt trận Tổ quốc Việt Nam lần thứ XI đã tiến hành phiên trù bị với chủ đề "Đoàn kết - Dân chủ - Đổi mới - Sáng tạo - Phát triển".
Máy tính lượng tử siêu dẫn thế hệ thứ tư “Origin Wukong-180” của Trung Quốc chính thức đi vào hoạt động

Máy tính lượng tử siêu dẫn thế hệ thứ tư “Origin Wukong-180” của Trung Quốc chính thức đi vào hoạt động

Ngày 9/5, máy tính lượng tử siêu dẫn thế hệ thứ tư “Origin Wukong-180” do công ty Origin Quantum của Trung Quốc phát triển đã chính thức đi vào hoạt động và bắt đầu tiếp nhận các tác vụ tính toán lượng tử từ khắp nơi trên thế giới.
Thị trường chứng khoán ngày 11/5: “Đánh úp” cuối phiên, VN Index rơi khỏi mốc 1.900 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 11/5: “Đánh úp” cuối phiên, VN Index rơi khỏi mốc 1.900 điểm

Từ trạng thái hưng phấn đầu ngày, thị trường bất ngờ đảo chiều mạnh trong phiên chiều. VN Index mất gần 20 điểm, sắc đỏ lan rộng và cơ hội tăng điểm chỉ dành cho số ít cổ phiếu có dòng tiền riêng.
vn-web
song-gia-tri