Tóm tắt. Củ sạc điện thoại và máy tính xách tay là bộ nguồn xung, chuyển điện lưới xoay chiều 100–240 V thành điện một chiều ở vài mức điện áp thấp. Hai chỉ tiêu quyết định trải nghiệm là hiệu suất (phần điện năng bị biến thành nhiệt) và mật độ công suất (công suất trên mỗi đơn vị thể tích). Bài viết tổng quan có chọn lọc cách vật liệu Gallium Nitride (GaN) tác động lên hai chỉ tiêu này: bắt đầu từ các thông số vật lý của chất bán dẫn băng thông rộng, qua cơ chế tổn hao đóng cắt trong mạch flyback cộng hưởng gần, đến số liệu trên hai thiết kế tham chiếu 65 W do Texas Instruments và STMicroelectronics công bố. Kết quả cho thấy lợi thế chính của GaN là cho phép nâng tần số đóng cắt để thu nhỏ biến áp; mức tăng hiệu suất thực tế khiêm tốn hơn nhiều so với cách nó thường được quảng cáo. Phần cuối trình bày cách đọc thông số củ sạc và đối chiếu một số mẫu GaN của OH-Tech dựa trên thông số công bố.
Từ khóa: GaN, Gallium Nitride, củ sạc, mật độ công suất, USB Power Delivery, PPS, flyback cộng hưởng gần, tổn hao đóng cắt.
1. Đặt vấn đề
Củ sạc là một bộ nguồn xung. Điện lưới được chỉnh lưu, băm thành các xung ở tần số hàng chục đến hàng trăm kilohertz, đi qua biến áp cách ly rồi được chỉnh lưu lần hai thành điện một chiều ở đầu ra. Mỗi lần transistor đóng hoặc ngắt, một phần năng lượng bị thất thoát. Phần thất thoát đó là nhiệt trên vỏ củ sạc, và là lý do các củ sạc công suất lớn thường to và nóng.
Áp lực thiết kế hiện nay đến từ hai phía. Về pháp lý, Chỉ thị (EU) 2022/2380 buộc điện thoại, máy tính bảng, tai nghe và nhiều thiết bị cầm tay dùng cổng USB-C từ 28/12/2024, và mở rộng sang máy tính xách tay từ 28/4/2026 [1]. Về kỹ thuật, chuẩn USB Power Delivery 3.1 (2021) nâng trần công suất của một cổng từ 100 W lên 240 W [2]. Một cổng chung kéo theo kỳ vọng chung: một củ sạc phải phục vụ được từ tai nghe vài watt đến laptop hàng chục watt, mà không to hơn thói quen mang theo của người dùng.
Câu hỏi của bài viết là: GaN thay đổi điều gì ở mức vật lý, và những thay đổi đó chuyển thành bao nhiêu lợi ích đo được ở cấp độ củ sạc?
2. Cơ sở vật lý của vật liệu
Silicon có độ rộng vùng cấm 1,12 eV, trong khi GaN vào khoảng 3,4 eV (các nguồn ghi 3,39–3,44 eV) [3][5]. Vùng cấm rộng khiến vật liệu chịu được điện trường mạnh hơn trước khi bị đánh thủng: 3,3 MV/cm ở GaN so với 0,3 MV/cm ở silicon, gấp khoảng 11 lần (Bảng 1).
| Thông số | Silicon (Si) | GaN |
|---|---|---|
| Độ rộng vùng cấm (eV) | 1,12 | 3,44 |
| Trường đánh thủng tới hạn (MV/cm) | 0,3 | 3,3 |
| Độ linh động điện tử (cm²/V·s) | 1.000–1.400 | 1.500–2.000 (trong khí điện tử hai chiều) |
| Vận tốc bão hòa của điện tử (×107 cm/s) | 1 | 2,2 |
| Độ dẫn nhiệt (W/cm·K) | 1,5 | 1,3–2,2 |
Bảng 1. Một số thông số vật liệu của Si và GaN. Nguồn: EDN [3]; khoảng giá trị phụ thuộc cấu trúc linh kiện và nguồn tài liệu.
Ý nghĩa của trường đánh thủng được thể hiện rõ qua chỉ số Baliga. Với linh kiện đơn cực lý tưởng, điện trở riêng của vùng trôi (vùng chịu điện áp) là Ron,sp = 4VB2 / (ε · μ · Ec3), với VB là điện áp đánh thủng, ε là hằng số điện môi, μ là độ linh động và Ec là trường đánh thủng tới hạn [4]. Trường tới hạn đứng ở số mũ ba, nên (3,3 / 0,3)3 ≈ 1.331. Tích ε · μ của hai vật liệu gần như ngang nhau, vì GaN có hằng số điện môi thấp hơn silicon nhưng độ linh động cao hơn. Kết quả: ở cùng điện áp chịu đựng, vùng trôi của GaN về lý thuyết có thể dẫn điện tốt hơn cỡ 103 lần.
Con số này chỉ là cận lý thuyết cho vùng trôi lý tưởng. Linh kiện thật còn chịu điện trở kênh, điện trở tiếp xúc và đóng gói, nên mức cải thiện thực tế thấp hơn nhiều bậc [5]. Điều đáng giữ lại là hệ quả thiết kế: với điện áp chịu đựng 650 V (mức thường dùng cho điện lưới đến 265 V xoay chiều, đỉnh khoảng 375 V, cộng điện áp phản xạ và xung nhọn), một transistor GaN có thể có diện tích chip nhỏ hơn đáng kể so với MOSFET silicon cùng điện trở. Chip nhỏ hơn nghĩa là điện dung ký sinh nhỏ hơn, và điện dung ký sinh chính là nguồn của tổn hao đóng cắt ở mục 3.
Linh kiện GaN thương mại thường là HEMT AlGaN/GaN. Ở mặt tiếp giáp giữa hai lớp, hiệu ứng phân cực tạo ra một lớp khí điện tử hai chiều (2DEG) với mật độ cỡ 1013 cm-2 mà không cần pha tạp, cho độ linh động trên 2.000 cm²/V·s [5][6]. Cấu trúc nằm ngang này cũng cho phép tích hợp mạch điều khiển cổng và mạch bảo vệ ngay trên cùng chip, như trường hợp transistor GaN tích hợp LMG3624 trong thiết kế tham chiếu của Texas Instruments [8].
Cần lưu ý một điểm không có lợi: độ dẫn nhiệt của GaN (1,3–2,2 W/cm·K) không vượt silicon (1,5 W/cm·K). Củ sạc GaN mát hơn là nhờ ít sinh nhiệt hơn, không phải nhờ tản nhiệt tốt hơn [3].
3. Từ vật liệu đến bộ nguồn: tổn hao đóng cắt và tần số
Trong flyback cộng hưởng gần (quasi-resonant, QR), thành phần tổn hao đóng cắt chính nằm ở thời điểm bật transistor. Năng lượng tích trong điện dung ra Coss bị xả thành nhiệt ở mỗi chu kỳ: PCoss = ½ · Coss,er · V2 · fsw [8]. Tổn hao này tỉ lệ thuận với tần số đóng cắt, nên với silicon, tăng tần số luôn phải trả giá bằng nhiệt.
Thiết kế tham chiếu 65 W của Texas Instruments cho một ví dụ cụ thể: điện dung ra tương đương theo năng lượng của transistor GaN chỉ 29 pF khi điện áp chuyển từ 400 V về 0 V, ở tần số 150 kHz cho tổn hao ½ × 29 pF × (400 V)2 × 150 kHz ≈ 0,348 W, tương đương khoảng 0,53% hiệu suất hệ thống. Trên thực tế con số còn thấp hơn, vì mạch đóng cắt ở “thung lũng” điện áp thấp hơn 400 V [8]. Tài liệu của STMicroelectronics so sánh GaN 650 V/225 mΩ với MOSFET silicon 650 V/230 mΩ: năng lượng Eoss khoảng 1,7 µJ đối với GaN và 3,7 µJ đối với MOSFET, tương ứng 0,24 W và 0,52 W ở 140 kHz [9].
Phần năng lượng tiết kiệm ấy có thể được “tái đầu tư” thành tần số cao hơn. Lợi ích của việc này nằm ở biến áp, linh kiện chiếm phần lớn thể tích củ sạc. Công thức thiết kế quen thuộc cho tích số diện tích lõi là Ap = Pt · 104 / (Kf · Ku · Bm · f · J) [7]. Khi công suất, mật độ từ thông, mật độ dòng và hệ số cửa sổ giữ nguyên, Ap tỉ lệ nghịch với tần số f. Về nguyên tắc, nâng tần số gấp đôi cho phép giảm một nửa kích thước lõi. Trong thực tế mức thu nhỏ nhỏ hơn thế, vì mật độ từ thông Bm phải hạ xuống khi tần số tăng do tổn hao lõi. Tài liệu của Texas Instruments mô tả đúng hệ quả này: khả năng chạy tần số cao của GaN cho phép điện cảm nhỏ hơn, lõi nhỏ hơn và giảm số vòng dây sơ cấp [8].
4. Số liệu từ các thiết kế tham chiếu
Bảng 2 tổng hợp số liệu công bố của ba bo mạch 65 W thuộc hai nhà sản xuất linh kiện.
| Tiêu chí | TI TIDA-050072 (QR flyback) | ST EVLVIPGAN65PD (QR flyback) | ST EVLONE65W (ACF) |
|---|---|---|---|
| Công suất | 65 W | 65 W | 65 W |
| Tần số đóng cắt | 76–163 kHz | tới 140 kHz | tới 250 kHz |
| Kích thước | không nêu trong tài liệu | 69 × 20 × 35 mm | 58 × 32 × 20 mm |
| Mật độ công suất | 25,29 W/in3 | 22,1 W/in3 | 28,7 W/in3 |
| Hiệu suất đầy tải | 94,09% (115 Vac); 94,32% (230 Vac) | đạt CoC Tier 2 và DoE Level VI | không nêu trong tài liệu |
Bảng 2. Số liệu công bố của các thiết kế tham chiếu 65 W dùng GaN. Nguồn: Texas Instruments [8], STMicroelectronics [9]. ACF: active clamp flyback. Mật độ của ST tính cho bo chưa có vỏ.
Có ba nhận xét. Thứ nhất, ở cùng công suất 65 W, mật độ công suất dao động từ 22 đến gần 29 W/in3, và sự khác biệt giữa các bo chủ yếu đi theo tần số đóng cắt. Chính ST kết luận rằng flyback kẹp tích cực (ACF) với GaN cho mật độ cao hơn flyback cộng hưởng gần khoảng 30% nhờ chạy ở tần số cao hơn [9]. Thứ hai, về hiệu suất, ST cho rằng QR flyback dùng GaN “thường” cao hơn QR flyback dùng silicon 3–4%, và hiệu suất của QR dùng GaN xấp xỉ ACF dùng GaN ở phần lớn điều kiện làm việc [9]. Thứ ba, hiệu suất 94% ở đầy tải đi cùng công suất chờ chỉ 30 mW ở 115 Vac trong thiết kế của Texas Instruments [8], một chỉ tiêu ít được nhắc nhưng quan trọng với củ sạc luôn cắm điện.
Để hình dung ý nghĩa của vài điểm phần trăm hiệu suất, xét phép tính minh họa sau (không phải số đo của sản phẩm cụ thể). Ở công suất ra 65 W, củ sạc hiệu suất 90% tỏa ra 65 × (1/0,90 − 1) ≈ 7,2 W nhiệt; củ sạc hiệu suất 94% tỏa 65 × (1/0,94 − 1) ≈ 4,1 W, ít hơn khoảng 43%. Ở công suất 30 W, hai mức hiệu suất đó tương ứng khoảng 3,3 W và 1,9 W.
5. Hàm ý khi đọc thông số củ sạc
Công suất là tích của điện áp và dòng điện. Một củ sạc USB Power Delivery công bố một danh sách các mức điện áp kèm dòng tối đa (thường là 5, 9, 12, 15 và 20 V), và thiết bị chọn mức nó cần. Nhãn “45 W” thường chỉ đạt ở mức 20 V × 2,25 A; ở mức 5 V, mọi củ sạc PD chỉ cấp 5 V × 3 A = 15 W. Một thiết bị chỉ hỗ trợ 5 V sẽ không sạc nhanh hơn dù cắm vào củ sạc 45 W. Chế độ PPS (Programmable Power Supply) cho phép thiết bị yêu cầu điện áp trong khoảng 3,3–21 V theo bước 20 mV và dòng giới hạn theo bước 50 mA, nhờ đó phần chuyển đổi điện áp bên trong máy có thể giảm bớt, giúp máy ít nóng hơn [2].
Cũng cần đặt GaN đúng chỗ. Ở công suất 20 W trở xuống, tổn hao tuyệt đối vốn đã nhỏ (với hiệu suất 90%, chỉ khoảng 2,2 W), nên phần tiết kiệm nhờ GaN cũng nhỏ theo. Phù hợp với nhận định đó, các mẫu 20 W trong danh mục OH-Tech (OH-K20 và SR-GZ01) ghi rõ trong thông số là không dùng GaN. Theo đánh giá của tác giả, lợi thế của GaN rõ dần khi công suất tăng, từ vùng 30 W trở lên. Bảng 3 liệt kê các mẫu GaN hiện có.
| Mã sản phẩm | Công suất tối đa | Cổng | Mức PD cao nhất trên USB-C | Giao thức / ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| OH-K30 | 30 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,5 A | PD 3.0, PPS, QC 3.0 |
| OH-K26 | 35 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,75 A | Đầu ra USB-C theo hồ sơ PD |
| SR-GZ03 (Syron) | 35 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,75 A | Đầu ra USB-C theo hồ sơ PD |
| OH-K27 | 45 W | 1 × USB-C + 1 × USB-A | 20 V / 2,25 A | Cổng USB-A: 5 V/3 A, 9 V/2 A, 12 V/1,5 A |
| OH-K28 | 67 W | 1 × USB-A | không áp dụng | SuperVOOC, VOOC, Mi Turbo, SCP, FCP, QC 3.0, AFC |
Bảng 3. Một số củ sạc GaN của OH-Tech và Syron. Số liệu theo thông số công bố của nhà sản xuất; tác giả chưa đo kiểm độc lập.
Cả năm mẫu đều ghi các lớp bảo vệ quá áp, quá dòng và quá nhiệt trong thông số, kèm bảo hành 12 tháng. Riêng OH-K28 đạt 67 W trên cổng USB-A bằng các giao thức sạc nhanh riêng của từng hãng điện thoại, nên chỉ phát huy khi máy hỗ trợ đúng giao thức. Các mẫu còn lại dùng USB-C với USB PD và phù hợp với phạm vi rộng hơn gồm điện thoại, máy tính bảng và laptop có mức tiêu thụ điện nằm trong công suất của củ sạc. Củ sạc chỉ là một mắt xích; sợi cáp đi kèm cũng phải chịu được dòng tương ứng. Cáp thông thường chịu 3 A, cáp 5 A bắt buộc có chip E-Marker; chủ đề này được phân tích trong bài Từ USB-A tới USB-C: 30 năm dây sạc và cách chọn cáp cho đúng.
6. Hạn chế
- Nguồn số liệu. Các số liệu về hiệu suất và mật độ công suất đến từ tài liệu tham chiếu của nhà sản xuất linh kiện (Texas Instruments, STMicroelectronics). Đó là tài liệu kỹ thuật có giá trị, nhưng cũng là tài liệu quảng bá linh kiện, với điều kiện đo do nhà sản xuất chọn.
- Chưa có phép đo độc lập. Bài viết không trình bày kết quả đo trên sản phẩm của OH-Tech. Mọi thông số sản phẩm là thông số công bố.
- Mô hình đơn giản hóa. Phân tích ở mục 3 chỉ xét tổn hao do điện dung ra. Tổn hao dẫn, tổn hao lõi và đồng của biến áp, tổn hao chỉnh lưu thứ cấp và yêu cầu chống nhiễu EMI cũng ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.
- Con số minh họa. Các phép tính ở mục 4 dùng hai mức hiệu suất giả định (90% và 94%) để cho thấy bậc độ lớn, không phải số đo.
- Tuyên bố lợi ích. Bài viết do OH-Tech biên soạn và có nhắc đến sản phẩm của chính OH-Tech.
7. Kết luận
Lợi ích cốt lõi của GaN trong củ sạc không nằm ở việc “chạy mát hơn một cách thần kỳ”. Nó nằm ở chuỗi nhân quả: vùng cấm rộng, điện dung ký sinh nhỏ, tổn hao đóng cắt thấp, tần số cao hơn, biến áp nhỏ hơn, mật độ công suất cao hơn. Mức cải thiện hiệu suất có thật nhưng ở cỡ vài phần trăm, và phần lớn giá trị hiện ra ở dạng một củ sạc nhỏ gọn hơn ở cùng công suất. Với người mua, cách đọc đúng là xem công suất ở mức 20 V, giao thức hỗ trợ (PD, PPS), các lớp bảo vệ và sợi cáp đi kèm, thay vì chỉ nhìn vào hai chữ GaN trên bao bì.
Câu hỏi thường gặp
GaN là gì?
GaN là viết tắt của Gallium Nitride, một hợp chất bán dẫn của gallium và nitơ có vùng cấm rộng khoảng 3,4 eV. Trong củ sạc, nó được dùng làm transistor đóng cắt thay cho MOSFET silicon.
Củ sạc GaN có thật sự mát hơn củ sạc silicon không?
Ở cùng công suất, củ sạc GaN thường sinh ít nhiệt hơn vì tổn hao đóng cắt thấp hơn; mức chênh phụ thuộc vào thiết kế. Tuy nhiên củ sạc GaN thường nhỏ hơn nên diện tích tản nhiệt cũng ít hơn, do đó nhiệt độ vỏ không nhất thiết thấp hơn.
Công suất bao nhiêu thì nên chọn củ sạc GaN?
Chọn công suất bằng hoặc cao hơn mức thiết bị yêu cầu; củ sạc chỉ cấp phần thiết bị đòi. GaN có ý nghĩa rõ từ khoảng 30 W trở lên, khi tổn hao tuyệt đối và kích thước biến áp bắt đầu đáng kể. Ở 20 W trở xuống, lợi thế nhỏ.
PPS là gì và có cần không?
PPS (Programmable Power Supply) là chế độ của USB PD cho phép thiết bị yêu cầu điện áp trong khoảng 3,3–21 V theo bước 20 mV và dòng theo bước 50 mA. Một số điện thoại dùng PPS để sạc nhanh mà ít nóng hơn. Nếu máy của bạn hỗ trợ PPS, hãy chọn củ sạc có ghi PPS, ví dụ OH-K30.
Dùng cáp nào với củ sạc 45 W trở lên?
Ở mức 20 V, dòng của củ sạc 45 W là 2,25 A, nằm trong ngưỡng 3 A của cáp thông thường. Với cáp cần tải trên 3 A (tối đa 5 A, tức 100 W ở 20 V), cáp bắt buộc có chip E-Marker theo chuẩn USB Type-C.
OH-Tech có những củ sạc GaN nào?
Danh mục hiện gồm OH-K30 (30 W), OH-K26 (35 W), SR-GZ03 (35 W), OH-K27 (45 W) và OH-K28 (67 W), ngoài ra còn các bộ củ cáp GaN như OH-B30C. Giá bán theo báo giá, liên hệ OH-Tech hoặc đại lý để được tư vấn.
Tài liệu tham khảo
- European Commission. The EU common charger (Radio Equipment Directive, Directive (EU) 2022/2380). single-market-economy.ec.europa.eu.
- USB Implementers Forum. USB Power Delivery Specification, Revision 3.1 (2021); phạm vi PPS theo bài trình bày “USB Power Delivery” của USB-IF.
- Shaukat, A. (2024, 10 tháng 4). GaN vs SiC: A look at two popular WBG semiconductors in power. EDN. edn.com.
- Baliga, B. J. (1982). Semiconductors for high-voltage, vertical channel field-effect transistors. Journal of Applied Physics, 53, 1759–1764. doi:10.1063/1.331646.
- Millán, J., Godignon, P., Perpiñà, X., Pérez-Tomás, A., & Rebollo, J. (2014). A survey of wide bandgap power semiconductor devices. IEEE Transactions on Power Electronics, 29(5), 2155–2163. doi:10.1109/TPEL.2013.2268900.
- Lidow, A., de Rooij, M., Strydom, J., Reusch, D., & Glaser, J. (2019). GaN Transistors for Efficient Power Conversion (3rd ed.). Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7.
- McLyman, W. T. (2011). Transformer and Inductor Design Handbook (4th ed.). CRC Press. ISBN 978-1-4398-3687-3.
- Texas Instruments. (2023, tháng 11). 65-W, GaN-based USB PD 3.0 USB Type-C adapter reference design (TIDA-050072, TIDUF57). ti.com.
- STMicroelectronics. (2023, 18 tháng 10). Benefits of GaN in QR flyback. Trình bày tại Digital We Days 2023, Würth Elektronik. we-online.com.
