MOSFET NÂNG CAO - PHẦN 1

Author: Nguyễn Ngọc Thanh Tuấn

            Lê Nguyễn Quỳnh Trâm

Date: 02/09/2021

MOSFET nâng cao là chuỗi bài viết về các vấn đề chuyên sâu hơn trong việc ứng dụng MOSFET trong thực tế như các biện pháp phân cực MOSFET, giới thiệu về Bootstrap, lái cách ly - cách sử dụng biến áp xung trong lái cách ly, cuối cùng là tính toán tổn thất nhiệt trong quá trình đóng cắt và tính toán tản nhiệt cho MOSFET. Tất cả các nội dung lý thuyết trên đều được chứng minh lại thông qua mô phỏng của phần mềm PSpice.

Ở phần 1, hai nội dung được đề cập bao gồm các biện pháp phân cực MOSFET và sử dụng phương pháp Bootstrap để điều khiển cực G của MOSFET.

1. CÁC CẤU HÌNH PHÂN CỰC MOSFET TRONG THỰC TẾ

Có 4 phương pháp cấu hình MOSFET cơ bản trong thực tế, ta có thể tham khảo 4 phương pháp đó thông qua bảng sau:

Hình 1. Bốn phương pháp cấu hình phân cực MOSFET

1.1. Phân cực bằng điện áp cố định

Hình 2. Mạch nguồn chung phân cực bằng điện áp cố định

Nguyên tắc làm việc:

  • Cực G của mạch phân cực loại này được nối với 1 điện áp cố định VG thông qua 1 điện trở RG vì dòng điện rò ở cực G là rất nhỏ nên sụt áp qua RG là gần như không có) do đó áp ở cực G gần như bằng VG được nối vào RG.
  • Ở đây ta sẽ tính toán các dòng điện, điện áp và chọn trở theo 2 biểu thức phía dưới: 

Ưu điểm:

  • Cấu tạo mạch điện đơn giản.
  • Cơ chế tính toán phân cực dễ nhất trong các cấu hình.

Nhược điểm:

  • Phải sử dụng 2 nguồn độc lập.
  • Giá trị nguồn áp phụ thuộc yếu tố linh kiện nguồn có bán trên thị trường.

Ứng dụng thực tiễn:

  • Với các mạch điện đơn giản mà việc sử dụng 2 nguồn điện thuận tiện hơn việc sử dụng thêm các trở phân cực.

Mô phỏng với nguồn cực G - V2 tăng dần từ 0 đến 10V:

  • Với điện áp VGS cố định, giá trị của điện trở RG sẽ quyết định dòng nạp/xả giới hạn. Đối với các "MOSFET driver" có công suất lái nhất định, phải tính toán điện trở RG sao cho phù hợp với công suất lái cũng như tốc độ đóng cắt mong muốn của MOSFET. Vì thế, ở phần này khi mô phỏng tìm vùng hoạt động của MOSFET dựa trên VGS, RG chưa có nhiều ý nghĩa nên ta tạm thời bỏ qua.

Hình 3. Schematic mô phỏng mạch phân cực bằng điện áp cố định

                                                           

Hình 4. Thông số mô phỏng

Hình 5. Kết quả mô phỏng

 1.2. Phân cực bằng cách hồi tiếp với cực D

Hình 6. Mạch phân cực bằng hồi tiếp cực D

Nguyên tắc làm việc:

  • Sử dụng 1 điện trở hồi tiếp RG nối cực G và D, ta sẽ thu được VGS = VG = VDS do dòng đi qua cực G là rất nhỏ dẫn đến sụt áp trên cực G là không đáng kể.
  • Khi bắt đầu thay đổi VDD, VDS sẽ thay đổi, dẫn đến thay đổi VGS do VGS = VDS. Nhờ đó, ta đã đặt vào cực G một điện áp, góp phần mở kênh dẫn.
  • Ta sẽ tính toán được điện trở phân cực, các giá trị dòng, áp dựa trên thông số của MOSFET và các biểu thức dưới đây:

  VGS = VDS

 VGS =  VDD - IDRD

Nhược điểm: 

  • Dễ gây quá áp VGS trong khi phân cực dẫn đến phá hủy MOSFET.
  • Tính toán điện trở phân cực và vùng phân cực cần lưu ý đến RDS nhiều hơn.
  • Vì giá trị VGS = VDS nên không thể thay đổi VGS tùy ý mà phải thông qua VDD, và việc tăng VGS là khó khăn do giá trị VDS phụ thuộc vào RDS và ID, nên để phân cực thì VGS không thể quá nhỏ do đó RDS khó giảm xuống bằng RDS on.

Ứng dụng thực tiễn

  • Khi sử dụng MOSFET với mục đích khuếch đại: Mạch hồi tiếp cực D cần được dùng để ổn định điểm phân cực DC, ngăn bị ảnh hưởng bởi dao động của tín hiệu AC và sự thay đổi của nhiệt độ.

Mô phỏng trong mạch hồi tiếp cực D với các VDS thay đổi từ 0-50V 

 

Hình 7. Schematic mô phỏng mạch phân cực bằng hồi tiếp cực D khi thay đổi VDD

Hình 8. Thông số mô phỏng

Hình 9. Kết quả mô phỏng

Mô phỏng kiểm chứng lại mạch hồi tiếp cực D với VDD cố định 30V (từ mô phỏng trên ta thấy VDD = 30V à VGS = VDS = 2.763V và ID = 2.73A)

Hình 10. Schematic mô phỏng mạch phân cực bằng hồi tiếp cực D khi thay đổi VDD

Hình 11. Thông số mô phỏng

 

Hình 12. Kết quả mô phỏng (Kiểm chứng chính xác)

1.3. Phân cực bằng cách cầu phân áp

Hình 13. Mạch phân cực bằng cầu phân áp

Nguyên tắc làm việc: 

  • Vẫn chỉ sử dụng 1 nguồn Vdd, tuy nhiên ta có thể kiểm soát được điện áp Vg bằng cách thay đổi trị số của 2 điện trở Rg1 và Rg2. Với việc phân áp thông qua Rg1 và Rg2, ta sẽ đặt được điện áp tính toán Vg vào cực G, và mọi hoạt động tiếp theo của MOSFET tương tự như phân cực tĩnh. Để đơn giản thì ta có thể dùng biến đổi Thevenin và các phép toán bên dưới để đưa sơ đồ mạch về dạng phân cực tĩnh:

Ưu điểm

  • Chỉ sử dụng 1 nguồn độc lập để phân cực.
  • Có thể thay đổi điện áp VG và RG linh hoạt thông qua việc thay đổi giá trị RG1 và RG2.

Nhược điểm

  • Mạch phức tạp và sử dụng nhiều linh kiện hơn.
  • Cần sử dụng nhiều công thức tính toán hơn.

Ứng dụng thực tiễn

  • Được sử dụng phổ biến hơn cả vì mức độ linh hoạt và chính xác.

Mô phỏng mạch phân cực bằng cầu phân áp trong miền thời gian

Hình 14. Schematic mô phỏng mạch phân cực bằng cầu phân áp

Hình 15. Thông số mô phỏng

Hình 16. Kết quả mô phỏng

1.4. Phân cực bằng nguồn dòng

Hình 17. Mạch phân cực bằng nguồn dòng

Nguyên tắc làm việc:

  • Sử dụng nguồn dòng lý tưởng cấp vào cực S, đây sẽ là dòng chảy qua MOSFET và kết hợp với nguồn +15V và -15V, sẽ phân cực cho MOSFET được dẫn. Lý do người ta sử dụng nguồn dòng lý tưởng thay vì điện trở cực G vì nguồn dòng lý tưởng cho đường phân cực tốt hơn (sự dao động của Id nhỏ vì Id gần như không phụ thuộc vào mạch phân cực mà phụ thuộc vào mạch tạo nguồn dòng).
  • Nguồn dòng lý tưởng ở đây sẽ được tạo ra bằng cách sử dụng mạch gương dòng ở phía tay phải. Ta sẽ tính toán các công thức phân cực cho MOSFET dựa trên IREF phía dưới

Ưu điểm:

  • Giá trị Id đáp ứng tốt nhất trong các cấu hình phân cực.

Nhược điểm:

  • Mạch phức tạp và sử dụng nhiều linh kiện nhất.
  • Tính toán phức tạp và thiết kế phức tạp nhất.

Ứng dụng thực tiễn:

  • Sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu giá trị Id chính xác nhất có thể.

Mô phỏng phân cực MOSFET bằng nguồn dòng trong miền thời gian

Hình 18. Schematic mô phỏng mạch phân cực bằng nguồn dòng

Hình 19. Thông số mô phỏng

Hình 20. Kết quả mô phỏng

Các mạch MOSFET driver ngoài chức năng tăng điện áp điều khiển so với tín hiệu ban đầu (từ MCU chẳng hạn), chúng còn có chức năng tăng dòng nạp cực G MOSFET.

Mô phỏng kiểm chứng thời gian nạp của cực G đối với nguồn xung:

Ở đây chúng ta sử dụng xung 12V (tần số tùy ý) và dùng trở RG = 3Ω để hạn dòng nạp ở cực G, tối đa là 4A. Bây giờ chúng ta sẽ xét thời gian nạp/xả trong quá trình đóng ngắt của tụ Cin (bao gồm tụ ký sinh MOSFET, CGS, CGD,….).

Hình 21. Schematic mô phỏng MOSFET hoạt động với nguồn xung

Hình 22. Thông số mô phỏng

Hình 23. Kết quả mô phỏng

Hình 24. Kết quả mô phỏng

Hình 25. Kết quả mô phỏng

 

Dựa vào kết quả mô phỏng ở 3 hình 23-24-25: khi bắt đầu nạp thì điện áp cực G tăng dần để bắt đầu nạp vào tụ, đồng thời giá trị dòng điện IG bắt đầu giảm dần đến gần bằng 0. Với giá trị dòng điện giới hạn ở 4A như đã dự đoán thì thời gian nạp tụ (rise time) ở đây vào khoảng 80ns.

Bây giờ ta sẽ thử thay đổi điện trở ở cực G RG để thay đổi dòng điện nạp giới hạn. Thử tăng RG = 12Ω. Tức Ig giới hạn ở 1A (Vẫn giữ cùng thông số mô phỏng như trên).

Hình 26. Schematic mô phỏng với RG = 12 Ω

Hình 27. Kết quả mô phỏng

Có thể thấy, khi dòng điện bị giới hạn còn xấp xỉ 1/4 so với ban đầu, thời gian nạp dài hơn rất nhiều (khoảng hơn 280ns tức hơn gấp 3.5 lần so với ban đầu (80ns)). Do dòng điện nạp giới hạn nhỏ hơn nhiều nên thời gian nạp vào cũng tăng lên.

Nếu giả định dùng một MCU với điện áp điều khiển 5V và dòng điện điều khiển giới hạn là 20mA (tức điện trở cực G: RG = 250 Ω).

 

Hình 28. Schematic mô phỏng với Rg = 250 Ω và nguồn xung 0-5V

Hình 29. Kết quả mô phỏng

Với kết quả mô phỏng thu được ta thấy với dòng diện giới hạn nhỏ của ngõ ra MCU thì thời gian nạp tụ điện là khá lớn khoảng 4.4us. Với khoảng thời gian này thì các ứng dụng cần điều khiển tín hiệu tốc độ cao sẽ khó mà thực hiện được do mỗi khoảng thời gian nạp/xả tụ điện cực G là rất lớn.

2. GIỚI THIỆU VỀ BOOTSTRAP

                                          Hình 30a. Mạch lái MOSFET phía cao                                                                            Hình 30b. Mạch lái MOSFET phía thấp

Xét mạch biểu diễn trong Hình 30a. ta thấy công tắc MOSFET được nối trực tiếp đến nguồn điện áp cao, tải tiêu thụ nối đất hoặc nối đến một công tắc MOSFET khác.

Tương tự, ta có mạch Hình 30b: công tắc MOSFET được nối với đất, nguồn điện áp cao được nối với tải.

Mạch Hình 30a được gọi là mạch phía cao (high side), mạch Hình 30b. gọi là mạch phía thấp (low side).

Công tắc MOSFET, nếu được nối trực tiếp với nguồn cung cấp không qua tải gọi là mạch phía cao, nếu nối trực tiếp với đất gọi là mạch phía thấp.

Kỹ thuật Bootstrap lái cực cửa (Gate):

  • Trong trường hợp cần lái mạch MOSFET kênh N phía cao, ta không có điện áp tham chiếu để phân cực cho MOSFET. Khi đó, hoặc là sử dụng thêm nguồn độc lập khác, hoặc là sử dụng kỹ thuật Bootstrap dựa trên diode và tụ điện: nửa bán kỳ đầu, khi MOSFET phía thấp dẫn thì tụ điện sẽ được nạp, và khi MOSFET phía thấp tắt và MOSFET phía cao dẫn thì tụ điện sẽ xả và đóng vai trò là nguồn phân cực cho MOSFET kênh N phía cao.

Mạch Bootstrap cho mạch bán cầu:

  • Một mạch Bootstrap, bao gồm diode và tụ điện, có thể được sử dụng thay cho nguồn cung cấp hở. Khi MOSFET được lái cả nhánh trên và nhánh dưới bởi bộ đảo (inverter) hoặc một mạch tương tự, tụ Bootstrap C có thể được sử dụng trong mỗi pha như trong hình 31. thay cho một nguồn cung cấp hở.
  • Ban đầu, các linh kiện ở nhánh dưới phải được bật dẫn để nạp tụ điện C từ nguồn cung cấp ở nhánh dưới thông qua đường đi được đánh dấu bằng nét đứt. Vì chu kỳ làm việc của linh kiện nhánh trên có mối quan hệ chặt chẽ với lượng điện tích được lưu trữ trên tụ C, nên có giới hạn đối với chu kỳ làm việc của linh kiện nhánh trên. Đối với điện áp đầu ra, sự dao động của điện áp cực cửa (Gate) nhánh trên làm cho nó nhạy cảm với nhiễu. Do đó, cần cẩn thận trong việc thiết kế mạch cực cửa nhánh trên.

Hình 31. Mạch Bootstrap

Ứng dụng thực tế: Mạch Bootstrap thường được sử dụng cho việc lái động cơ DC servo, AC servo, BLDC, ...

Mô phỏng mạch Push - Pull dùng mạch Bootstrap cơ bản:

Hình 32. Schematic mạch Push – Pull dùng mạch Bootstrap cơ bản

Hình 33. Thông số mô phỏng

Hình 34. Kết quả mô phỏng

3. TỔNG KẾT

Khi phân cực MOSFET trong thực tế, ta cần dựa vào các yếu tố như: nhu cầu sử dụng, đặc tính kỹ thuật của linh kiện, nguồn lực về kinh phí và linh kiện có sẵn mà chọn lựa cho mình cách phân cực tối ưu nhất trong 4 cách phân cực trên. Bên cạnh đó, trước khi áp dụng thực tế nên tiến hành mô phỏng tính toán trên phần mềm để đảm bảo kết quả chuẩn xác.

Ngoài chức năng tăng áp, MOSFET driver còn có chức năng tăng dòng nạp giúp việc nạp/xả nhanh hơn, góp phần tăng tốc độ chuyển mạch của MOSFET và có ý nghĩa rất lớn đối với ứng dụng yêu cầu tần số cao.

Bootstrap là một kỹ thuật điều khiển lái cực của (Gate) với việc sử dụng các đặc tính của diode và tụ điện. Mạch Bootstrap thường được sử dụng cho việc lái động cơ DC servo, AC servo, BLDC,....

Đây là bài viết đầu tiên trong chuỗi bài viết về MOSFET của nhóm tác giả, các bạn có thể đọc thêm những tài liệu trong mục "Tài liệu tham khảo" để tìm hiểu thêm về chủ đề này.

4. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nguyễn Hữu Phước. Phân cực transistor trường

Nguyễn Hữu Phước. Các mạch lái MOSFET công suất – Phần 1.

Nguyễn Hữu Phước. Các mạch lái MOSFET công suất – Phần 2.

Võ Tấn Phương. ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT. Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM . Nguyễn Phước Bảo Duy. Slide tài liệu môn Mạch Điện tử. Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM .

 


Print   Email

Add comment

Related Articles

MOSFET NÂNG CAO - PHẦN 2