Trong lĩnh vực điện tử công suất hiện nay, việc thiết kế bộ nguồn chuyển mạch thường yêu cầu thỏa mãn đồng thời hai mục tiêu là hiệu suất chuyển đổi và mật độ công suất. Hai vấn đề này được xem là vô cùng quan trọng nhưng lại khó đạt được đồng thời do chúng thường xuyên xung đột với nhau. Một số công nghệ hiện nay như Silicon MOSFET cũng đang được các kỹ sư và nhà sản xuất tìm ra các giải pháp để đẩy tần số chuyển mạch lên cao nhằm thu nhỏ kích thước máy biến áp và cuộn cảm. Tuy nhiên, điều này thường đi kèm với sự đánh đổi: tổn hao đóng cắt gia tăng và nhiệt lượng tỏa ra sẽ tăng theo cấp số nhân . Chính vì vậy, sự xuất hiện của Transistor Gallium Nitride (GaN) đã thiết lập ra một chuẩn mực mới dành cho các bộ nguồn hiệu suất cao có công suất lớn từ vài chục đến hàng nghìn watt, qua đó thực sự đã đưa ra một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề nêu trên.

Các giới hạn của transistor silicon tiêu chuẩn

Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các bộ nguồn hiệu suất lớn, rào cản cốt lõi của công nghệ silicon hiện nằm ở các chỉ số phẩm chất (FOM - Figure of Merit) của vật liệu . Các nhà sản xuất hiện nay thường phải tăng diện tích khuôn bán dẫn để giảm tổn hao dẫn điện trên Silicon FET. Tuy nhiên, điều này thường làm tăng tổn hao khi nạp/xả cổng và tổn hao đóng ngắt do các tụ điện ký sinh sẽ tăng cao khi diện tích diode càng lớn. Vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn do sự tồn tại của diode ký sinh nội tại trong cấu trúc đứng của Silicon MOSFET, bởi linh kiện này sở hữu thời gian hồi phục và điện tích hồi phục ngược đáng kể . Đối với các cấu trúc mạch cầu phổ biến như nửa cầu hay toàn cầu, một dòng điện đỉnh ngắn mạch cực lớn sẽ xuất hiện khi một khóa chuyển mạch được bật lên trong quá trình diode ký sinh của khóa đối diện đang phục hồi. Điều này là nguyên nhân gây ra những vấn đề như tổn hao năng lượng, nhiễu điện từ, xung điện áp nguy hiểm… Từ đó, các kỹ sư sẽ phải tìm ra các giải pháp giới hạn tần số hoạt động của Silicon dưới ngưỡng 100-150 kHz nhằm hạn chế các hiện tượng này.

Vai trò của GaN trong việc triệt tiêu tổn hao đóng cắt và tổn hao phục hồi ngược

Hiện nay, transistor GaN nhờ sở hữu cấu trúc kênh dẫn ngang không chứa tiếp giáp p-n ký sinh nên đã có thể giải quyết triệt để các rào cản nêu trên. Đồng thời, GaN sở hữu thông số phục hồi ngược bằng không do chúng không có body diode vật lý. Tuy vậy, GaN vẫn có khả năng dẫn dòng điện theo chiều ngược từ Source sang Drain thông qua cơ chế dẫn ngược tự thân thông qua lớp 2DEG. Quá trình này diễn ra hoàn toàn bằng hạt dẫn đa số nên không xảy ra hiện tượng tích lũy điện tích thiểu số . Song song với đó, năng lượng tích trữ trong điện dung đầu ra của GaN thường rất thấp, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển mạch mềm và trực tiếp nâng cao hiệu suất khi hoạt động ở cả chế độ tải nặng và tải nhẹ.

GaN có thể vận hành ở tần số siêu cao và tối ưu hóa kích thước

Nhìn chung, các GaN hiện nay có tốc độ chuyển mạch rất tốt, chúng có thể đạt được mức thời gian tăng/giảm điện áp đến mức 100V/ns mà không làm suy giảm độ tin cậy. Chính vì vậy, các bộ nguồn sử dụng GaN có thể vận hành ổn định ở dải tần số rất cao từ 500 kHz đến vài MHz nhờ tổn hao đóng ngắt gần như không đáng kể. Điều này được xem là một sự khác biệt và một bước tiến vượt trội so với các thiết kế silicon truyền thống. Từ việc tần số chuyển mạch tăng cao, chúng được xem là yếu tố góp phần trực tiếp giảm giá trị điện cảm và điện dung cần thiết để lưu trữ và lọc năng lượng. Từ đó, các kích thước của linh kiện từ tính thụ động có thể giảm từ 50% đến 70% như biến áp xung, cuộn kháng PFC, tụ lọc… Quá trình thu nhỏ kích thước các linh kiện thụ động này không chỉ giúp tiết kiệm không gian trên bo mạch mà còn giảm thiểu chiều dài dây quấn. Điều này có thể góp phần giảm tổn hao đồng và điện dung rò bên trong biến áp, từ đó đẩy mật độ công suất của bộ nguồn lên mức cao nhất từ trước đến nay.

Quá trình tối ưu các Topo mạch tiên tiến

Hiện nay, các topo mạch nguồn hiện đại có thể phát huy tối đa khả năng chuyển mạch hai chiều khi tích hợp các tính năng mới vượt trội của GaN. Sự kết hợp này có thể góp phần mang lại khả năng tản nhiệt vượt trội, giảm điện cảm rò và tối ưu hóa dây chuyền lắp ráp tự động.

Hiệu quả nhiệt và độ tin cậy của hệ thống

Như đề cập ở trên, GaN đã góp phần làm cho hệ thống có hiệu suất chuyển đổi cao hơn, điều này cũng đồng nghĩa với việc năng lượng hao phí khi chuyển thành nhiệt năng cũng giảm đi một cách đáng kể. Điều này tưởng chừng đơn giản, nhưng nó lại mang lại một lợi ích vô cùng to lớn. Ví dụ, khi hiệu suất của bộ nguồn tăng từ 90 đến 96% thì lượng nhiệt tỏa ra không chỉ giảm 6% mà thực thế nó sẽ giảm tới 40% lượng tổn hao nhiệt nội tại cần giải phóng ra môi trường. Toàn bộ hệ thống cũng được cải thiện đáng kể do sự sụt giảm nhiệt lượng này. Cụ thể như kích thước của các phiến tản nhiệt nhôm sẽ được thu nhỏ lại hoặc loại bỏ hoàn toàn, từ đó hệ thống có thể áp dụng các phương pháp làm mát tự nhiên mà không cần quạt gió. Không chỉ vậy, tuổi thọ của các linh kiện nhạy cảm với nhiệt như tụ điện hóa cũng được cải thiện đáng kể do nhiệt độ vận hành tổng thể đã được đưa xuống mức thấp hơn.‍

Các vấn đề kinh tế và định hướng phát triển trong tương lai của GaN

Trong thị trường hiện nay, chi phí tính riêng trên từng linh kiện GaN bán dẫn hiện vẫn cao hơn so với các loại Silicon MOSFET tiêu chuẩn. Nhưng GaN lại đem đến một lợi ích kinh tế vượt trội hơn khi ta đánh giá theo chi phí tổng thể của toàn hệ thống. Mặc dù chi phí linh kiện bán dẫn tăng lên, nhưng mức chênh lệch này sẽ được bù đắp nhờ giảm chi phí cho các linh kiện khác trong hệ thống như linh kiện từ tính, tụ điện, vỏ tản nhiệt hay quạt làm mát .