Công nghệ bán dẫn WBG: Cuộc cách mạng trong điện tử công suất

Công nghệ bán cấm quy mô lớn vùng (WBG) đang mở ra một kỷ nguyên mới trong ngành công nghiệp điện tử. Với khả năng cung cấp hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, WBG đang trở thành giải pháp đột phá cho các ứng dụng từ xe điện đến năng lượng tái tạo.

Trong những năm gần đây, công nghệ bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn (Wide Bandgap - WBG) đã nổi lên như một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất. Để hiểu rõ hơn về công nghệ này, chúng tôi đã có cuộc trò chuyện với ông Ryo Takeda, Kiến trúc sư giải pháp ô tô và năng lượng tại Keysight Technologies - một chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này. Cuộc phỏng vấn sẽ giúp độc giả có cái nhìn toàn diện từ ưu điểm đến tương lai của công nghệ WBG, hé lộ cách mà Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN) đang được định hình lại chuyên ngành công nghiệp điện tử công suất và mở ra những cơ hội mới trong lĩnh vực này.

PV: Xin ông cho biết WBG là gì và tại sao nó lại được quan tâm trong ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay?

Ông Takeda: Các thiết bị bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn (WBG), tiêu biểu như Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN), đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong điện tử công suất. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng quan trọng như xe điện (EV), bộ biến tần năng lượng mặt trời, trung tâm dữ liệu và bộ sạc kích thước nhỏ cho PC hoặc điện thoại thông minh.

Cụ thể, thiết bị SiC được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng như xe điện và trung tâm dữ liệu, trong khi thiết bị GaN thường được ứng dụng trong bộ sạc cỡ nhỏ cho PC hoặc điện thoại thông minh.

PV: Vậy những đặc điểm nổi bật của vật liệu WBG là gì?

Ông Takeda: Các thiết bị WBG có nhiều ưu điểm vượt trội. Chúng cung cấp điện áp đánh thủng cao, điện trở dẫn thấp, tốc độ chuyển mạch nhanh và tổn hao thấp. Đặc biệt, các thiết bị SiC có hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ cao, trong khi các thiết bị GaN có tốc độ chuyển mạch cực nhanh. Những đặc điểm này mang lại hiệu quả cao và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.

PV: Những ưu điểm này mang lại lợi ích gì trong thực tế, thưa ông?

Ông Takeda: Tốc độ chuyển mạch nhanh của các thiết bị này giúp giảm kích thước của các linh kiện ngoại vi trong các sản phẩm điện tử công suất. Điều này dẫn đến việc tạo ra các thiết bị nhỏ gọn, hiệu quả hơn trong nhiều ứng dụng.

Ví dụ, trong lĩnh vực xe điện, việc sử dụng SiC có thể giúp tăng phạm vi hoạt động và hiệu suất của động cơ. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, các bộ biến tần sử dụng WBG có thể đạt hiệu suất chuyển đổi cao hơn, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời.

Ông Ryo Takeda, Kiến trúc sư giải pháp ô tô và năng lượng tại Keysight Technologies.

PV: Hiện nay, ngành công nghiệp đang gặp phải những thách thức nào trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ WBG?

Ông Takeda: Có hai thách thức chính. Thứ nhất, tín hiệu chuyển mạch nhanh hơn có thể tương tác với các phần tử ký sinh trong mạch điện tử công suất, làm tăng nguy cơ hoạt động sai của mạch do rung, dao động hoặc biến dạng dạng sóng chuyển mạch. Thứ hai, hiện tượng bật (turn-on) sai hoặc tăng điện áp đột ngột có thể gây ra đoản mạch, dẫn đến hỏng hoàn toàn mạch hoặc mô-đun nguồn. Những vấn đề này đòi hỏi sự thiết kế cẩn thận và các biện pháp bảo vệ phù hợp.

PV: Làm thế nào để giải quyết các thách thức này?

Ông Takeda: Để giải quyết những vấn đề này, chúng ta cần phải hiểu biết sâu sắc về hành vi của các thiết bị WBG trong các điều kiện khác nhau. Điều này đòi hỏi các phép đo chính xác và đáng tin cậy. Tại Keysight, chúng tôi đã phát triển các giải pháp đo lường toàn diện như PD1500A và PD1550A để đáp ứng các yêu cầu này.

Việc đo các đặc tính động của thiết bị nguồn WBG gặp nhiều khó khăn thách thức đáng kể do ảnh hưởng của các phần tử ký sinh trong mạch cần đo. Thậm chí các yếu tố như vị trí cáp và độ chặt khi đấu nối cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Do đó, cần có những thiết lập đo kiểm được thiết kế và xây dựng trên cơ sở khoa học đo lường.

Ví dụ, bảng mạch in (PCB) được sử dụng trong đo kiểm động phải giảm thiểu độ tự cảm ký sinh trên đường dẫn tín hiệu nguồn. Đồng thời, cần bù tần số vô tuyến (RF) để loại bỏ các lỗi gây ra bởi điện cảm chèn của điện trở phân lưu (shunt) đồng trục. Ngoài ra, cần bù điện áp điều khiển cổng và đầu ra điện áp thoát, và để có thể thực hiện các phép đo tổn thất chuyển mạch chính xác, cần có độ lệch đầu dò chính xác.

Keysight PD1500A giải pháp đo lường toàn diện các thiết bị WBG.

PV: Ông có thể chia sẻ thêm về yêu cầu đối với thiết bị đo lường trong lĩnh vực này không?

Ông Takeda: Các thiết bị SiC và GaN đều yêu cầu dòng điện và điện áp cao. Ví dụ: thiết bị SiC yêu cầu 1,5 kV/400 A, mô-đun nguồn SiC cần 1,5 kV/2 kA và thiết bị GaN hoạt động ở 1 kV/100 A. Máy hiện sóng và đầu dò cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện các thành phần tần số cao trong chuyển mạch dạng sóng. Băng thông kết hợp phải là 200 MHz đối với SiC và 500 MHz đối với GaN.

Nhằm đáp ứng các yêu cầu khắt khe này, Keysight đã giới thiệu các giải pháp đo kiểm toàn diện PD1500A và PD1550A, hỗ trợ các đột phá trong ngành điện tử công suất sử dụng thiết bị WBG.

Keysight PD1550A giải pháp đo lường toàn diện các thiết bị WBG.

PV: Ông có thể chia sẻ về tiềm năng và triển vọng phát triển của công nghệ WBG trong tương lai không?

Ông Takeda: Tôi tin rằng một bước đột phá tiềm năng trong công suất điện tử tương lai là việc áp dụng các phương pháp thiết kế mạch cao tần. Phương pháp thiết kế thông thường dựa vào trực giác đang dần trở nên hạn chế khi điện tử công suất sử dụng ngày càng nhiều thiết bị WBG. Chúng ta cần có khả năng mô phỏng mạch cả trong miền thời gian và miền tần số, cùng với các mô hình thiết bị WBG chi tiết dựa trên các đặc điểm tham số IV, CV và S để mô phỏng cao tần.

Bản thân phần mềm mô phỏng cũng cần có khả năng phân tích cao tần, bao gồm phân tích điện từ (EM) của các phương án bố trí mạch. Tại Keysight, chúng tôi cung cấp một danh mục sản phẩm toàn diện, bao gồm các công cụ đo kiểm thiết yếu (chẳng hạn như Máy giám sát đồ thị và Máy phân tích mạng) cũng như phần mềm mô hình hóa và mô phỏng (chẳng hạn như IC-CAP, PEPro và ADS).

Tôi tin rằng với sự phát triển liên tục của công nghệ WBG, chúng ta sẽ thấy những bước tiến đáng kể trong hiệu suất và tính bền vững của các thiết bị điện tử công suất trong tương lai gần. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực như xe điện, năng lượng tái tạo và truyền thông không dây.

Cảm ơn ông Takeda đã dành thời gian chia sẻ những thông tin quý giá này.

Cuộc phỏng vấn với ông Ryo Takeda đã cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về công nghệ WBG, từ những ưu điểm nổi bật đến các thách thức trong việc phát triển và ứng dụng. Với sự tiến bộ không ngừng trong lĩnh vực này, chúng ta có thể kỳ vọng vào một tương lai với những thiết bị điện tử công suất hiệu quả hơn, nhỏ gọn hơn và bền vững hơn, mang lại lợi ích to lớn cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.