Tương lai của điện tử công suất: Vượt qua thời đại Silicon

Thị trường bán dẫn WBG toàn cầu đạt 1,6 tỷ USD vào năm 2022, với tốc độ tăng trưởng gộp hàng năm CAGR ước tính là 13% trong 8 năm tới. Việc áp dụng các chất bán dẫn WBG, đặc biệt là silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), hiện đang thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu năng của các hệ thống công suất trong các ngành ô tô, công nghiệp và năng lượng. Tác động của chất bán dẫn WBG đến xu hướng điện tử công suất (PE) vào năm 2024 là gì và chúng sẽ xác định lại quy trình thiết kế và mô phỏng như thế nào trong thập kỷ tới?

Chất xúc tác cho sự thay đổi: độ rộng vùng cấm lớn

Thuật ngữ 'bandgap - độ rộng vùng cấm' dùng để chỉ sự chênh lệch năng lượng giữa trạng thái cách điện và trạng thái dẫn điện của một vật liệu, một yếu tố quan trọng quyết định độ dẫn điện của vật liệu này.

Như được thể hiện trong Hình 1, với độ rộng vùng cấm lớn, Gallium Nitride (GaN) thể hiện ba ưu điểm chính mà đặc tính này có thể cung cấp.

Hình 1. Các tính chất của bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn

• Tốc độ chuyển mạch nhanh hơn: Một trong những lợi ích quan trọng nhất của độ rộng vùng cấm lớn của bán dẫn GaN là tốc độ chuyển mạch nhanh hơn. Độ linh động của điện tử trong bán dẫn GaN là khoảng 2.000 cm²/Vs, cho phép chuyển mạch với tần số cao gấp 10 lần so với silicon. Tốc độ chuyển mạch cao hơn làm giảm tổn thất chuyển mạch, giúp tạo ra các thiết kế tổng thể nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Hình 2. Tốc độ chuyển mạch của bán dẫn SiC và GaN

• Khả năng chịu nhiệt cao hơn: Với độ dẫn nhiệt 2 W/cmK, bán dẫn GaN có thể tản nhiệt và hoạt động có hiệu quả ở nhiệt độ lên đến 200°C. Khả năng này tạo điều kiện để quản lý nhiệt hiệu quả hơn trong điều kiện nhiệt độ cao và khắc nghiệt.
• Điện áp cao hơn: Với trường điện đánh thủng đạt 3,3 MV/cm, bán dẫn GaN có thể chịu được điện áp cao gần gấp 10 lần silicon.

GaN và các chất bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn khác cung cấp các giải pháp cho các ứng dụng công suất cao, tần số cao và nhiệt độ cao với hiệu suất năng lượng được cải thiện và thiết kế linh hoạt.

Bà Emily Yan, Keysight Technologies, phân tích ưu điểm của vật liệu WBG, thách thức trong thiết kế, và tác động đến các ngành công nghiệp chủ chốt.

Những thách thức mới nổi trong mô phỏng điện tử công suất

Việc áp dụng rộng rãi hơn các chất bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn (WBG), bao gồm silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), đặt ra các tiêu chuẩn mới trong thiết kế của Nguồn điện chế độ chuyển mạch (SMPS) – về hiệu suất năng lượng, độ nhỏ gọn và trọng lượng.

Tuy nhiên, tốc độ chuyển mạch cao hơn của bán dẫn GaN và SiC đặt ra các yêu cầu thiết kế phức tạp hơn. Các kỹ sư điện tử công suất phải quản lý nhiễu điện từ (EMI) và tối ưu hóa hiệu năng nhiệt để đảm bảo độ tin cậy và chức năng. Ví dụ, hài bố trí có thể dẫn đến đột biến điện áp với các giá trị di/dt cao. Các kỹ sư điện tử công suất phải đối mặt với các vấn đề cấp bách sau đây.

• Chúng ta có thể làm gì để đảm bảo độ tin cậy cho các ứng dụng thiết yếu trong dải nhiệt độ vận hành rộng hơn?
• Có các phương pháp quan trọng nào để tìm hiểu và dự đoán EMI và nhiễu?
• Chúng ta có thể sử dụng những công cụ nào để tạo ra các mô hình nhiệt mạnh để phân tích toàn diện ở cấp hệ thống?

Để có thể giải quyết các vấn đề phức tạp này, đội ngũ kỹ sư cần các giải pháp mô phỏng tiên tiến để giải quyết có hiệu quả các hiệu ứng hài bố trí và khả năng phân tích nhiệt mạnh mẽ.

Hình 3. Phân tích nhiệt ở cấp độ bảng mạch và sơ đồ bằng cách sử dụng PEPro của Keysight

Tác động chính của chất bán dẫn WBG: Từ xe điện EV đến năng lượng tái tạo

Xe điện (EV)

Trong bối cảnh doanh số EV toàn cầu dự kiến sẽ tăng 21% vào năm 2024, hiệu suất năng lượng của các thiết bị điện tử ô tô là yếu tố vô cùng quan trọng – mỗi phần trăm bổ sung là một thành tựu lớn. GaN tạo điều kiện để thiết kế các bộ sạc tích hợp và biến tần kéo nhỏ gọn và hiệu quả hơn, giúp tăng đến 6% phạm vi vận hành của xe.

Trung tâm dữ liệu

Nền kinh tế số mở rộng làm gia tăng mức tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu, khi Mỹ dự kiến sẽ cần thêm 39 gigawatt trong 5 năm tới - tương đương với năng lượng cung cấp cho khoảng 32 triệu hộ gia đình. Bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn có thể là chìa khóa để giải quyết thách thức này bằng cách tạo ra mật độ máy chủ cao hơn, giảm tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải carbon.

Cụ thể, việc triển khai các bóng bán dẫn GaN trong cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu có thể giúp giảm 100 tấn khí thải CO2 hàng năm từ 10 giá máy. Mức tăng hiệu suất này đặc biệt phù hợp khi nhu cầu tính toán và năng lượng của các ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) tăng vọt, có khả năng làm tăng gấp 3 mật độ năng lượng của giá máy.

Năng lượng tái tạo

Bán dẫn dải độ rộng vùng cấm lớn cho phép phát điện đáng tin cậy hơn và tạo ra các giải pháp tiết kiệm chi phí trong hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo dân dụng và thương mại. Ví dụ, các bóng bán dẫn GaN có mức tổn thất điện năng ít hơn tới bốn lần so với các giải pháp năng lượng silicon truyền thống.

Con đường phía trước trong kỷ nguyên chất bán dẫn WBG

GaN và SiC đại diện cho một làn sóng đổi mới sáng tạo mới về vật liệu để nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử công suất và xác định lại cách chúng ta cung cấp năng lượng cho thế giới. Khi các ứng dụng cho chất bán dẫn WBG mở rộng, Keysight cung cấp cho khách hàng một môi trường mô phỏng thống nhất , trạo quyền để họ có thể thiết kế các hệ thống điện tử đáng tin cậy và bền chắc trong nhiều điều kiện vận hành.