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, R_DS(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 R_DS(on) tương tự như linh kiện CoolMOS 57mΩ. Như vậy cũng có nghĩa là nếu chỉ so sánh R_DS(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.

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°.

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.

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%.

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