Tận dụng tiềm năng của Silicon Carbide trong các bộ chuyển đổi công suất

vcca
19/05/2021 10:11
Các công nghệ chất bán dẫn bang rộng (WBG) như silicon carbide (SiC) đã xuất hiện để ứng dụng trong các bộ nguồn xung (SMPS) có các thành phần ký sinh được cải thiện cho những nhà thiết kế có nhu cầu.
aa

Trong nhiều thập kỷ qua, ngành sản xuất chất bán dẫn không ngừng cải tiến các thành phần trong silicon MOSFET nhằm đáp ứng nhu cầu của các nhà thiết kế bộ chuyển đổi mạch điện. Sự kết hợp giữa quy định của một số chính phủ và nhu cầu thị trường về công nghệ xanh làm nảy sinh nhu cầu về các sản phẩm dùng để xây dựng các giải pháp tiết kiệm điện năng và có thiết kế nhỏ gọn.

Trong bối cảnh đó, các công nghệ chất bán dẫn băng rộng (WBG) như silicon carbide (SiC) đã xuất hiện để ứng dụng trong các bộ nguồn xung (SMPS) có các thành phần ký sinh được cải thiện cho những nhà thiết kế có nhu cầu. Khi SiC MOSFET 650V xuất hiện, bổ sung thêm cho danh mục linh kiện công suất rời 1200V hiện có, SiC trở thành lựa chọn hấp dẫn hơn đối với các ứng dụng trước đây chưa từng được nghĩ đến.

SiC MOSFET ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đạt đến phạm vi kilowatt, thực hiện mọi chức năng từ cấp điện cho hệ thống viễn thông và máy chủ, đến cung cấp sạc ắc-quy cho thị trường xe điện đang phát triển. Điều hấp dẫn của chất bán dẫn này nằm ở độ bền vượt trội so với đối thủ silicon, cùng với khả năng ứng dụng trong các cấu trúc chuyển mạch cứng ở chế độ dòng điện liên tục (CCM) của bộ điều chỉnh hệ số công suất (PFC) mà có sử dụng Diode bên trong khóa bán dẫn. Ngoài ra, tính năng hỗ trợ tần số chuyển mạch cao của chất bán dẫn này hướng đến xu hướng sử dụng các bộ chuyển đổi công suất nhỏ gọn hơn.

Cân nhắc ưu nhược điểm của linh kiện SiC chính là lý do khiến các nhà thiết kế phải dành thời gian tìm hiểu tường tận hơn cũng như cân nhắc đến việc chuyển sang các cấu trúc mạch mới. Đây không phải là việc đơn giản là thay thế 1-1 và sử dụng, nó có thể dẫn tới giảm hiệu suất của bộ biến đổi công suất hơn là tăng hiệu suất.

Ngoài ra cũng cần nhắc tới kháng nhiệt, từ lõi tới vỏ linh kiện. Ở đây, CoolMOS có lợi thế hơn một chút khi có giá trị 0,8K/W (IPW60R070CFD7) so với 1,0K/W của CoolSiC (IMW65R048M1H) do kích thước chip CoolSiC nhỏ hơn. Tuy nhiên, nhược điểm về nhiệt này được chứng minh là không đáng kể trong thiết kế thực tế.

Điện trở dẫn ngang bằng với Silicon ở cùng nhiệt độ hoạt động

Lợi ích mà các nhà thiết kế thấy được nằm ở các thông số như điện trở khi đóng mạch, RDS(on). CoolSiC có hệ số nhân (κ) thấp hơn khoảng 1,13 so với 1,67 của CoolMOS ở 100°C. Điều này có nghĩa là ở cùng nhiệt độ hoạt động của lõi linh kiện CoolSiC 84mΩ đạt được RDS(on) tương tự như linh kiện CoolMOS 57mΩ. Như vậy cũng có nghĩa là nếu chỉ so sánh RDS(on) trong bảng số liệu kỹ thuật của thiết bị Silicon và SiC, chúng ta không thể có được bức tranh toàn cảnh. Ở nhiệt độ thấp các linh kiện CoolSiC mang lại nhiều lợi ích hơn so với silicon do có điện ngưỡng V(BR)DSS cao hơn, do có độ thay đổi ít phụ thuộc vào nhiệt độ. Đặc điểm này rất hữu ích trong các ứng dụng đặt ngoài trời hoặc khởi động trong môi trường nhiệt độ thấp.

tan dung tiem nang cua silicon carbide trong cac bo chuyen doi cong suat
Hình 1: RDS (on) chuẩn hóa khi TJ thay đổi.
Mức ảnh hưởng của nhiệt độ lên RDS (on) đối với CoolSiC thấp hơn CoolMOS nên giá trị điện trở khi dẫn ở mức nhiệt độ hoạt động đặc trưng là tương đương

CoolSiC MOSFET có thể sử dụng chung các IC lái EiceDRIVER™ tương tự như đã sử dụng từ trước đến nay trong các thiết kế silicon MOSFET. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, do chênh lệch về đặc tính truyền (ID so với VGS), nên mức điện áp cổng (VGS) của các thiết bị này cần được lái ở giá trị 18 V thay vì giá trị 12V đặc trưng vốn được sử dụng ở CoolMOS. Do đó, RDS(on), theo bảng số liệu kỹ thuật, sẽ giảm khoảng 18% so với khi được lái ở điện áp 15V.

Nếu thiết kế cho phép sử dụng IC lái mới thì tốt nhất nên xem xét phiên bản Có ngưỡng chống thấp áp cao hơn, trong khoảng 13V, để đảm bảo rằng SiC MOSFET và hệ thống có thể hoạt động an toàn trong bất kỳ điều kiện hoạt động bất thường nào của ứng dụng. Một ưu điểm khác của là đặc tính truyền ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ trong khoảng từ 25° đến 150°.

tan dung tiem nang cua silicon carbide trong cac bo chuyen doi cong suat

tan dung tiem nang cua silicon carbide trong cac bo chuyen doi cong suat
Hình 2: Đặc tính truyền ở 25°C (trái) và 150°C (phải) cho thấy ảnh hưởng thấp hơn đáng kể của linh kiện SiC so với linh kiện Silicon

Tránh điện áp cực cửa âm

Lưu ý tiếp theo là phải đảm bảo rằng điện áp cổng-nguồn (gate-source) không được mang giá trị âm quá lớn. Tốt nhất là không nên đặt giá trị âm cho điện áp mở mạch (turn-off). Thực tế, chúng ta không thể đảm bảo được giá trị này trừ khi giá trị này được xem xét trong quá trình thiết kế và được kiểm tra khi chế tạo nguyên mẫu. Việc VGS đạt tới giá trị thấp hơn -2V và có giá trị thời khoảng hơn 15ns có thể dẫn đến hiện tượng trôi điện áp ngưỡng cổng (VGS(th)) trong vòng đời ứng dụng.

Không chỉ vậy, giá trị RDS(on) cũng tăng lên, kéo theo giảm hiệu suất hệ thống trong suốt thời gian ứng dụng hoạt động. Nguyên nhân thứ nhất khiến VGS âm là do điện áp cổng-nguồn có tính cảm kháng dẫn tới giao động trong quá trình ngắt mạch. Điều này phát sinh do giá trị di/dt bên trong vòng điều khiển cực nguồn cao khi ngắt mạch. Nguyên nhân thứ hai thường gặp là do điện áp cổng-nguồn có tính điện dung khi đóng mạch, khởi nguồn từ giá trị chuyển mạch dv/dt cao của MOSFET thứ hai trong cấu hình bán cầu.

Những vấn đề như vậy trong thiết kế Silicon MOSFET thường được xử lý bằng cách đặt một điện trở giá trị cao giữa mạch lái và cổng MOSFET hoặc tìm cách khác để làm giảm giá trị di/dt và dv/dt. Thật đáng tiếc là những phương án này làm tăng tổn hao chuyển mạch, dẫn đến giảm hiệu suất hệ thống. Khi sử dụng linh kiện SiC, chỉ cần thêm mạch ghim điện áp đi-ốt giữa cổng (gate) và nguồn(source) sẽ giúp giải quyết vấn đề này.

Nếu vấn đề hoàn toàn là do cảm ứng thì phương pháp ưu tiên là tách nguồn chung thành nguồn công suất và nguồn mạch lái cùng với đi-ốt mạch ghim và sử dụng bất kỳ chân Kelvin nào nếu có. MOSFET có chân Kelvin được đặc biệt khuyên dùng trong bất kỳ ứng dụng nào có cường độ dòng điện lớn. Ví dụ: Trong bộ nguồn 3,3kW Totem Pole PFC cường độ dòng điện mở mạch có thể đạt từ 25A đến 30A. Khi sử dụng CoolSiC IMZA65R048M1H, năng lượng EON tổn hao sẽ thấp hơn tới ba lần so với linh kiện như IMWA65R048M1H không có chân Kelvin.

tan dung tiem nang cua silicon carbide trong cac bo chuyen doi cong suat
Hình 3: Để ngăn điện áp cổng của Sic MOSFET không âm, cần xem xét sử dụng mạch ghim đi-ốt, phân chia nguồn nhiễu và linh kiện có chân Kelvin

Tăng hiệu suất trên 99%
CoolSiC MOSFET cũng có mức điện dung đầu ra COSS cao hơn so với silicon MOSFET ở mức điện áp cực máng-cực nguồn (Drain-Source) VDS, trên khoảng 50V. Đặc điểm này giúp giảm Gai điện áp khi mở mạch và thực sự mang lại lợi thế cho CoolSiC.

Đối với cả hai công nghệ, VDS, max cực đại được đặt ở mức 80% so với ngưỡng giới hạn trong bảng số liệu kỹ thuật. Linh kiện CoolMOS đòi hỏi phải có điện trở cổng giá trị cao mới đạt được yêu cầu này và do đó, làm giảm hiệu suất như đã được đề cập, nhưng thiết kế CoolSiC cho phép đạt được giá trị này mà không cần gắn điện trở.

Đặc điểm này cũng giúp đơn giản hóa thiết kế, bố cục cũng như cách thức sử dụng. Việc có đạt được lợi ích như vậy hay không còn tùy thuộc vào các giá trị ký sinh tổng thể của thiết kế mà các nhà thiết kế có thể làm được.

Đặc tính QOSS của công nghệ SiC cũng mang lại lợi ích cho các cấu trúc chuyển mạch cứng và cộng hưởng. Với mức nạp năng lượng thấp hơn 75% so với MOSFET silicon, SiC cũng yêu cầu xả ít hơn, một yếu tố ảnh hưởng đến giá trị năng lượng tổn hao Eon trong bộ PFC totem pole ở chế độ CCM.

Mặc dù thông số Qrr ở linh kiện CoolMOS cải thiện gấp 10 lần so với dòng CFD/CFD7 thế hệ trước, nhưng ở CoolSiC, thông số này thậm chí còn cải thiện thêm 5 đến 10 lần nữa so với dòng sản phẩm này. Điều này có nghĩa là khi sử dụng các linh kiện 48mΩ, chúng ta có thể đạt mức hiệu suất trên 99% đối với bộ PFC totem pole CCM công suất 3,3kW trong khi đó, nếu sử dụng CoolMOS trong thiết kế Dual boost PFC, hiệu suất cao nhất có thể đạt chỉ dừng ở mức 98,85%.

Và mặc dù các linh kiện SiC có chi phí cao hơn nhưng tổng số linh kiện trên mạch (BoM) giảm đi dẫn tới sau khi tính toán giữa hai phương án thiết kế cho kết quả là giải pháp SiC là giải pháp cạnh tranh hơn về chi phí, mang lại hiệu suất tới 99%.

tan dung tiem nang cua silicon carbide trong cac bo chuyen doi cong suat
Hình 4: Ngay cả khi dùng CoolSiC 99mOhm ở mạch totem pole PFC cũng đạt hiệu suất gần 99% vượt trội hơn hẳn so với phương án dùng dual boost PFC dùng CoolMOS tốt nhất.

Như vậy, mặc dù với những tiến bộ trong thiết kế, Silicon MOSFET đã đạt được những cải tiến đáng kể về các thông số ký sinh trong những năm qua, nhưng đặc tính vật lý cơ bản của silicon vẫn còn cần phải được cải tiến hơn nữa. Điều này làm hạn chế khả năng tiếp cận các thiết kế mạch đơn giản, mới mẻ và sáng tạo mà vốn có thể mở đường cho các thiết kế để phát triển năng lượng xanh bền vững.

SiC cũng tồn tại những hạn chế trong quá trình sử dụng và không phải tham số ký sinh nào cũng cho thấy SiC tốt hơn silicon. Tuy nhiên, những lợi thế mà SiC mang lại, cộng với sự bền bỉ của nó trong các ứng dụng chuyển mạch cứng, SiC đáng được xem xét đưa vào các ứng dụng chuyển đổi điện năng có hiệu suất cao nhất. Dòng CoolSiC 650V ra đời và củng cố nhận định này, khiến công nghệ SiC MOSFET trở nên hiệu quả hơn về mặt kinh tế đối với những ứng dụng chuyển đổi điện năng muốn đạt tới giới hạn của chúng về mặt hiệu suất.

René Mente
Kỹ sư cao cấp – Công ty Infineon Technologies

tan-hoang-minh
Tin bài khác
Thúc đẩy liên kết viện - trường - doanh nghiệp trong nghiên cứu, phát triển KHCN

Thúc đẩy liên kết viện - trường - doanh nghiệp trong nghiên cứu, phát triển KHCN

Hội nghị toàn quốc thúc đẩy liên kết viện nghiên cứu, trường đại học với cộng đồng doanh nghiệp trong nghiên cứu, phát triển KH&CN diễn ra ngày 23/10/2026 sẽ tập trung tháo gỡ những điểm nghẽn trong liên kết viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp, thúc đẩy thương mại hóa kết quả nghiên cứu, phát triển sản phẩm công nghệ Việt Nam.
Nhận định phiên giao dịch ngày 22/10: Mua thăm dò khi thị trường rung lắc

Nhận định phiên giao dịch ngày 22/10: Mua thăm dò khi thị trường rung lắc

VN-Index tăng gần 47 điểm trong phiên 21/10, phát đi tín hiệu hồi phục ngắn hạn. Tuy nhiên, đà tăng phụ thuộc lớn vào nhóm cổ phiếu vốn hóa lớn họ Vin, khiến xu hướng đảo chiều bền vững chưa được xác nhận. Nhà đầu tư được khuyến nghị mua thăm dò khi thị trường rung lắc, hạn chế mua đuổi và cân nhắc hạ tỷ trọng khi chỉ số tiến sát vùng kháng cự 1.770-1.780 điểm.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/10/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Tỵ cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/10/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Tỵ cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/10/2026 mang đến những dự báo thú vị về vận trình của 12 con giáp trên các phương diện công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe. Mỗi con giáp sẽ có những cơ hội và thử thách riêng. Cùng khám phá những điểm đáng chú ý trong ngày để chủ động hơn trong công việc và cuộc sống.
Thị trường chứng khoán ngày 21/10: Cổ phiếu Vin khoe sắc tím, dòng tiền lan tỏa khắp thị trường

Thị trường chứng khoán ngày 21/10: Cổ phiếu Vin khoe sắc tím, dòng tiền lan tỏa khắp thị trường

VN Index bất ngờ bật tăng gần 47 điểm trong bối cảnh thanh khoản cải thiện và sắc xanh lan tỏa ở nhiều nhóm ngành. Bộ ba VIC, VHM và VRE đồng loạt tăng trần, đóng góp khoảng 31 điểm cho chỉ số, trong khi ngân hàng, chứng khoán và bất động sản cũng giao dịch tích cực.
Kết nối hợp tác châu Á - Thái Bình Dương, thúc đẩy ứng dụng AI trong sản xuất

Kết nối hợp tác châu Á - Thái Bình Dương, thúc đẩy ứng dụng AI trong sản xuất

Sự kiện tại Đài Loan (Trung Quốc) ngày 20/10 quy tụ đại diện các hiệp hội công nghệ, tự động hóa và doanh nghiệp trong khu vực, hướng tới chia sẻ kinh nghiệm ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI), tháo gỡ rào cản triển khai và tìm kiếm cơ hội hợp tác trong lĩnh vực sản xuất thông minh.
Kết nối giao thương, mở rộng cơ hội tham gia chuỗi cung ứng ngành cơ khí - điện

Kết nối giao thương, mở rộng cơ hội tham gia chuỗi cung ứng ngành cơ khí - điện

“Tuần lễ kết nối giao thương và giới thiệu sản phẩm ngành cơ khí, điện và công nghệ số năm 2026” khai mạc ngày 20/10 tại TP. Hồ Chí Minh đặt ra bài toán đưa cơ hội giao thương thành đơn hàng thực tế thông qua nâng cao năng lực kỹ thuật, chất lượng sản phẩm và hiệu quả vận hành.
Ngành Cơ khí - Điện trước xu thế chuyển đổi xanh

Ngành Cơ khí - Điện trước xu thế chuyển đổi xanh

Song song với cơ hội, quá trình chuyển đổi xanh cũng đặt ra thách thức không nhỏ cho ngành Cơ khí, nhất là với khối doanh nghiệp nhỏ và vừa do hạn chế về nguồn vốn, nhân lực, công nghệ và khả năng tiếp cận chính sách. Do đó, việc tạo lập các kênh đối thoại để cung cấp thông tin chuẩn xác, giải pháp công nghệ khả thi và kết nối các nguồn lực tài chính phù hợp là điều kiện then chốt để tháo gỡ điểm nghẽn cho doanh nghiệp.
BIDV - Top 50 Doanh nghiệp dẫn đầu về ESG

BIDV - Top 50 Doanh nghiệp dẫn đầu về ESG

Vừa qua, Ngân hàng TMCP Đầu tư và Phát triển Việt Nam (BIDV) được vinh danh trong Top 50 Doanh nghiệp dẫn đầu về ESG tại Việt Nam năm 2026.
Nhận định phiên giao dịch ngày 21/10: Hạ tỷ trọng trong các nhịp hồi kỹ thuật

Nhận định phiên giao dịch ngày 21/10: Hạ tỷ trọng trong các nhịp hồi kỹ thuật

VN-Index hồi phục nhẹ trong phiên 20/10 nhờ lực cầu bắt đáy cuối phiên, nhưng các chỉ báo kỹ thuật vẫn cho thấy xu hướng ngắn hạn suy yếu. Nhà đầu tư được khuyến nghị tận dụng các nhịp hồi kỹ thuật để cơ cấu danh mục, hạ tỷ trọng cổ phiếu và hạn chế sử dụng đòn bẩy khi thị trường chưa xác nhận tạo đáy.
Thị trường chứng khoán ngày 20/10: VN Index thoát hiểm cuối phiên nhưng dòng tiền vẫn dè dặt

Thị trường chứng khoán ngày 20/10: VN Index thoát hiểm cuối phiên nhưng dòng tiền vẫn dè dặt

Tưởng chừng thị trường tiếp tục chìm trong sắc đỏ khi VN Index có lúc mất hơn 10 điểm, nhưng lực cầu cuối phiên đã kéo chỉ số trở lại. Cổ phiếu thép và xây dựng đồng loạt khởi sắc, dù dòng tiền vẫn chưa đủ mạnh để tạo cú bứt phá.
master